基于Packet Tracer的智慧校園網(wǎng)絡設計及仿真

摘 要：為了適應現(xiàn)代教育的發(fā)展，對傳統(tǒng)校園網(wǎng)絡進行智能化改造。針對智慧校園網(wǎng)絡的需求，著重介紹了設計思路，并使用Packet Tracer網(wǎng)絡仿真軟件構建了智慧校園網(wǎng)絡模型，利用冗余設計、端口聚合、負載均衡等技術使校園網(wǎng)絡更加可靠、穩(wěn)定。該模型主要利用多種傳感器、物聯(lián)網(wǎng)服務器、SBC/MCU微處理器以及智能網(wǎng)關實現(xiàn)不同的物聯(lián)網(wǎng)功能，用戶可以利用手機或PC終端遠程登錄物聯(lián)網(wǎng)服務器，監(jiān)控校內(nèi)電子設備、網(wǎng)絡設備。該設計能夠為智慧校園網(wǎng)絡的升級改造提供參考，有力推進校園教育信息化建設。

關鍵詞：智慧校園網(wǎng)絡；物聯(lián)網(wǎng)；Packet Tracer；網(wǎng)絡仿真；MCU；教育數(shù)字化

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-00-04

0 引 言

隨著2022年教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動計劃的實施，各級各類教育機構開始數(shù)字化轉型，使得學校的教學科研設備的需求量激增，而數(shù)據(jù)互聯(lián)是實現(xiàn)智慧教育的重要基礎，這就對校園內(nèi)硬件和軟件的要求也愈來愈高。國內(nèi)外學者在智能設備方面已做了大量研究。文獻[1-3]構建了智能家居網(wǎng)絡，通過網(wǎng)關連接和控制多個家用電子設備，提高了家庭生活的便捷性、舒適性。文獻[4]設計了智慧小區(qū)環(huán)境監(jiān)測與報警系統(tǒng)，實現(xiàn)了小區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和有害氣體超標實時報警功能。文獻[5]設計了一款智慧校園網(wǎng)平臺，實現(xiàn)了校園出入管控、圖書館管理、宿舍管理、教室管理、校園金融和食堂餐飲管理6大業(yè)務功能模塊。但該平臺主要通過圖像處理和識別實現(xiàn)上述功能，存在一定的局限性。文獻[6]設計了一款由底層傳感器、通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)云平臺3部分構成的智慧校園系統(tǒng)，實現(xiàn)了校園的智能化監(jiān)測，能夠及時發(fā)現(xiàn)校園安全隱患。但該系統(tǒng)主要通過監(jiān)測溫濕度、水質(zhì)以及熱成像和指紋識別實現(xiàn)相關功能，應用領域仍有待拓展。

越來越多的學者開始關注物聯(lián)網(wǎng)和智能電子設備應用的研究并提出相關的應用方案，但是大多應用在智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)控制及智能家居領域。雖有部分學者提出將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于校園建設的方案，但尚未有研究提出一套較完善、成熟、功能集成度較高的智慧校園網(wǎng)絡解決方案。為此，本文設計了一套功能集成度較高的智慧校園網(wǎng)絡建設方案，并通過Packet Tracer軟件仿真實現(xiàn)。研究成果能夠為校園網(wǎng)中智能物件或設備與互聯(lián)網(wǎng)的連接以及智能化管理提供參考。

1 智慧校園網(wǎng)絡需求分析

根據(jù)《中國教育現(xiàn)代化2035》中針對打造智慧化校園、新型教育服務業(yè)態(tài)的要求，本文對智慧校園的實現(xiàn)提出了相應的規(guī)劃構思。關于智慧校園網(wǎng)絡的帶寬限制、運營商接入方式、設備選型和具體數(shù)量，讀者可以參考相關文獻[7-10]，這里不作深入研究。

智慧校園網(wǎng)將教學科研、行政管理與校園生活充分融合，其技術架構可分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層3部分，主干網(wǎng)絡設計冗余鏈路，主要應用場景包括智慧教學/行政場所、智慧科研/實驗場所、智慧教輔場所、智慧后勤服務。

智慧教學/行政場所主要涉及教室的多媒體設備管理、門窗的自動化、照明系統(tǒng)自動化、暖氣供應和空調(diào)制冷自動化等。智慧科研/實驗場所主要涉及門窗自動化、送風機和窗戶組成的自動化通風系統(tǒng)、防火自動化、防盜及視頻監(jiān)控等。智慧教輔場所包括圖書館和教育信息化與網(wǎng)絡信息中心，涉及圖書館的人臉識別準入、自動借閱系統(tǒng)、校園一卡通、校內(nèi)外用戶身份認證、無線網(wǎng)絡覆蓋、校園數(shù)據(jù)中心等。智慧后勤服務主要涉及基建工程、招標采購、智慧食堂、線上報修、人臉識別準入、灌溉自動化、照明系統(tǒng)自動化、車位智能管理、用車調(diào)度、防火自動化、防盜及視頻監(jiān)控等。

2 智慧校園網(wǎng)絡規(guī)劃設計

2.1 總體拓撲設計

根據(jù)上述需求分析，通過在Visio繪圖軟件上拖拽網(wǎng)絡設備、拼接連接線等方式繪制智慧校園網(wǎng)絡的拓撲簡圖，如圖1所示。圖中展示了網(wǎng)絡的整體框架結構和4大物聯(lián)網(wǎng)應用場景。

2.2 邏輯設計

本文在現(xiàn)有校園網(wǎng)基礎上進行智慧校園網(wǎng)絡升級，關于傳統(tǒng)校園網(wǎng)的IP邏輯設計、子網(wǎng)劃分、VLAN劃分等，此處不再贅述，讀者可以參考其他校園網(wǎng)的設計方案。無論采用何種設計方案，首先要滿足用戶需求，然后考慮擴展性。

2.3 可靠性設計

2.3.1 熱備份冗余設計

考慮到教學、科研以及辦公中日益增長的信息化需求，校園網(wǎng)絡的穩(wěn)定性、可靠性和安全性也需要得到提高，特別是一些被高頻訪問的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，比如學校的重要服務器和數(shù)字圖書館等，可以采用熱備份冗余設計來解決問題。利用HSRP熱備份網(wǎng)關冗余協(xié)議為重要數(shù)據(jù)區(qū)域提供熱備份冗余，當一個熱備組及其對應的鏈路發(fā)生單點故障時，另一個熱備組將由備份狀態(tài)轉為活動狀態(tài)，通信鏈路自動切換，防止因網(wǎng)絡發(fā)生單點故障導致學校教學秩序被打亂和辦公系統(tǒng)癱瘓。

2.3.2 雙核心冗余與線路冗余設計

雙核心冗余設計：在實驗樓、數(shù)字圖書館等關鍵部門的核心網(wǎng)絡設備上采用雙核心冗余設計，如圖1中MS1和MS2以及下面的網(wǎng)絡匯集層設備的連接采用雙歸接入設計。通過配置根網(wǎng)橋使得MS1成為單數(shù)VLAN的根網(wǎng)橋，MS2成為雙數(shù)VLAN的根網(wǎng)橋。比如VLAN11、VLAN13的根網(wǎng)橋是MS1，VLAN12、VLAN14的根網(wǎng)橋是MS2，從而既能實現(xiàn)負載均衡，又能相互備份。

核心層線路冗余設計：在校園網(wǎng)核心層增加網(wǎng)絡設備之間的線路，從而避免因網(wǎng)絡中出現(xiàn)單點故障而影響網(wǎng)絡的連接，增強網(wǎng)絡的魯棒性。比如在原來環(huán)形校園網(wǎng)主干的基礎上，通過部分網(wǎng)狀結構設計，增加線路冗余，減少網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸通過的跳數(shù)，提高網(wǎng)絡性能。

2.4 智慧校園設計

智慧校園網(wǎng)絡設計包括本地近端控制、遠程監(jiān)控。

本地近端控制：單片機或微處理器是采集環(huán)境數(shù)據(jù)和調(diào)整終端設備自動化功能的核心。通過MCU的數(shù)字或模擬接口，連接各種監(jiān)測設備和控制設備；MCU讀取連接數(shù)據(jù)采集設備輸入接口的信號數(shù)據(jù)，并與預先調(diào)研的參考數(shù)據(jù)指標進行對比判斷；根據(jù)判斷結果，MCU向連接的控制設備的輸出接口發(fā)送控制指令，控制終端作出相應的處理。

遠程監(jiān)控：各種設備通過直接或間接的方式聯(lián)網(wǎng)，并根據(jù)需要注冊到智能網(wǎng)關或IoT服務器上。管理員可以通過Web瀏覽器和APP登錄到IoT服務器或智能網(wǎng)關，按照規(guī)劃設置好各個網(wǎng)絡設備接口、終端設備以及物件的IP地址。理順各子系統(tǒng)或功能模塊需要的設備和物件以及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系和邏輯關系；把遠程監(jiān)控設備和物件分組注冊到智能網(wǎng)關和IoT服務器上。根據(jù)規(guī)劃配置好相應的網(wǎng)絡設備功能，實現(xiàn)智能終端的特定功能，進而實現(xiàn)子系統(tǒng)內(nèi)各物件之間以及各子系統(tǒng)之間的交互[11]。

3 基于Packet Tracer的智慧校園網(wǎng)絡仿真

3.1 仿真概述

由于校園網(wǎng)組網(wǎng)實驗所需的網(wǎng)絡設備種類和數(shù)量眾多，占用場地大，耗費時間較長，易造成資金浪費。而Packet Tracer軟件提供的模擬設備環(huán)境真實可靠，不受設備種類、數(shù)量、時間、空間和資金的限制，故通過Packet Tracer軟件進行智慧校園網(wǎng)絡的仿真設計是較好的選擇。模型構建與仿真結果如圖2所示。

3.2 智慧校園部分應用場景的仿真

智慧校園應用包括本地終端、遠程終端。無論是本地終端或者遠程終端的監(jiān)控，都離不開智能網(wǎng)關。智能網(wǎng)關充當信號與信息的樞紐，與物聯(lián)網(wǎng)服務器共同作用，為管理者提供本地終端和遠程終端的監(jiān)控功能。下面將分別闡述本地終端和遠程終端的實驗設計。

3.2.1 本地終端監(jiān)控仿真

通過拖拽各種智能物件或設備及連接介質(zhì)組成本地終端應用場景。MCU微控制單元連接各智能物件或設備，通過各類傳感器接收各類信號，再與預設條件或參數(shù)指標進行對比判斷，觸發(fā)下一步控制命令。例如，通過IoT1的預設操作實現(xiàn)對教學樓、宿舍樓等建筑的內(nèi)部走廊和校園道路照明設施的控制；通過火焰?zhèn)鞲衅鲗Νh(huán)境的感知，控制報警燈狀態(tài)的變化，火焰?zhèn)鞲衅鱅oT8感知周邊物件的IR值，并根據(jù)預設條件判斷是否有火災發(fā)生，若有，則消防探頭通過MCU2向滅火設備IoT7發(fā)出噴淋指令；通過太陽能板IoT28吸收并轉化太陽能；由電池IoT36向其他電子設備供電。多個場景重復應用的MCU配置這里不再贅述。圖3所示是其中一個MCU上部分數(shù)據(jù)的獲取及控制程序。

3.2.2 遠程終端監(jiān)控仿真

通過拖拽遠程智能終端、物聯(lián)網(wǎng)服務器、網(wǎng)絡設備及連接介質(zhì)組成遠程終端應用場景。將智慧教學/行政場所、智慧科研/實驗場所、智慧教輔場所、智慧后勤服務等4個物聯(lián)網(wǎng)應用場景內(nèi)置的智能物件或設備根據(jù)需要注冊到IoT服務器上，如圖4所示。

在智慧校園網(wǎng)正常運行的情況下，利用PC或遠程終端通過預先設置的賬號和密碼登錄IoT服務器。登錄后會顯示已注冊在服務器上的智能物件或設備，具有開關及擋位等功能的智能物件或設備均可在服務器上操作以達到遠程管理的目的。

遠程終端通過Web瀏覽器登錄IoT服務器來監(jiān)控已注冊的設備，或通過自主設計開發(fā)的智慧校園管理APP登錄IoT服務器實現(xiàn)對校園的監(jiān)控，例如對門、窗、風扇、空調(diào)、加濕器、照明設施、車庫門、綠化灌溉噴頭等若干常用設備的擋位控制與開關。對綠化灌溉噴頭還可以通過MCU0預設周期性和人為干預灑水。通過IoT30控制音響定期廣播校園新聞、上下課鈴聲以及減壓音樂等音頻。通過汽車尾氣濃度傳感器IoT32的感知，遠程控制排氣扇開啟并調(diào)整擋位。

4 結 語

本文利用Packet Tracer軟件仿真構建了一個智慧校園網(wǎng)絡模型。該模型在保證網(wǎng)絡魯棒性且實現(xiàn)均衡負載、互聯(lián)互通的基礎上，利用多種傳感器、物聯(lián)網(wǎng)服務器、SBC/MCU微處理器以及智能網(wǎng)關組建了4個主要物聯(lián)網(wǎng)應用場景，用戶可通過手機或PC終端登錄物聯(lián)網(wǎng)服務器，遠程監(jiān)控校園網(wǎng)絡內(nèi)的智能物件或設備，提高管理效率，加快推進下一代校園網(wǎng)的教育數(shù)字化建設。未來將會繼續(xù)開發(fā)配套的智慧校園網(wǎng)絡管理APP，加大力度開發(fā)不同功能的傳感器，應用于更多場景。

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作者簡介：歐陽斌（1998—），男，助理實驗師，研究方向為計算機網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)仿真。

陳瑞志（1981—），男，碩士，副教授，研究方向為通信安全、網(wǎng)絡應用、網(wǎng)絡仿真。

收稿日期：2023-11-25 修回日期：2023-12-22

基金項目：2022年廣東省本科高校教學質(zhì)量與教學改革工程建設項目：智能制造技術實驗教學示范中心（粵教高函[2023]4號）；2022年廣東省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（S202212622002）；2021年湛江科技學院攀登計劃項目：智慧校園網(wǎng)的設計與仿真（2021ZKYDCA09）；2021年度湛江科技學院“品牌提升計劃”校級教學團隊項目：網(wǎng)絡系列課程教學團隊（PPJH202102JXTD）；2022年湛江科技學院“品牌提升計劃”課程思政改革示范項目：網(wǎng)絡工程（PPJHKCSZ-2022301）；2022年湛江科技學院“品牌提升計劃”線下一流課程：操作系統(tǒng)原理（PPJHKCSZ-2022242）