CN112039988A - 一种基于IPv6网络的智慧校园平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及网络协议与数据传输技术领域，具体公开了一种基于IPv6网络的智慧校园平台，包括数据采集层、数据传输层、数据处理层以及平台应用层；数据采集层，用于通过传感器对校园内各建筑能耗状态的数据进行收集，构建底层数据库，并将校园内各建筑能耗状态数据进行标准化处理；数据传输层，用于通过网关，对校园内各建筑能耗状态数据进行传送、通信以及部分处理；数据处理层，用于处理数据传输层传送的校园内各建筑能耗状态数据；平台应用层，用于依据处理后的校园内各建筑能耗状态数据，构建可视化的智慧校园平台。本发明通过IPv6网络可以很好的改善数据传输，从以更加科学和智慧的方式来管理并处理校园内建筑的能源消耗及感知数据。

Description

一种基于IPv6网络的智慧校园平台
技术领域
本发明涉及网络协议与数据传输技术领域，更具体地，涉及一种基于IPv6网络的智慧校园平台。
背景技术
随着物联网行业的不断发展，各种服务、移动和物联网设备的数量迅速增长；然而现有的IPv4(Internet Protocol Version 4)协议已经无法满足社会的需求，ISP(Internet Service Provider)无法提供足够的IP(Internet Protocol)地址不断增长的移动和物联网设备；为了解决这个问题，采用IPv6(Internet Protocol Version6)协议的网络应运而生。
IPv6是一种互联网协议，最初于1994年由IETF标准化，与IPv4相比，IPv6最大的特点就是具有大得多的地址空间，这一巨大的地址空间，为各种新应用的开展提供了可能，它扩展了32位地址空间，最多为128位地址空间容纳更多的设备；在IT、政府等领域IPv6网络有着七独特的优势；IPv6地址可以分成两个其特有的方式，即用于网络路由的子网前缀(subnet prefix)和用于子网内寻址的接口标识(Interface ID，IID)。
6LoWPAN(IPv6 over Low Power Wireless Person-al Area Network)是基于TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)的网络架构，运用6LoWPAN可以从服务器上清楚的观察到每一个节点的IP地址；对于企业采用IP技术路线将更有助于实现端到端的业务部署和管理，而且无需协议转换即可实现与网络层IP承载的无缝连接，简化了网络结构；采用基于6LoWPAN的网络技术在组建各种物联网系统，管理各个节点之间的关系，处理他们之间的数据有着特有的方式，对构建集多种智能系统的智慧城市提供了更优越的性能。
发明内容
针对现有技术中存在的上述弊端，本发明提供了一种基于IPv6网络的智慧校园平台，该平台可以通过IPv6网络对连接6LoWPAN节点的传感器进行管理和审查数据。
作为本发明的第一个方面，提供一种基于IPv6网络的智慧校园平台，所述基于IPv6网络的智慧校园平台包括数据采集层、数据传输层、数据处理层以及平台应用层；
数据采集层，用于通过传感器对校园内各建筑能耗状态的数据进行收集，构建底层数据库，并将所述校园内各建筑能耗状态数据进行标准化处理；
数据传输层，用于通过网关，对所述校园内各建筑能耗状态数据进行传送、通信以及部分处理，其中，通过所述网关中的6LoWPAN边缘路由器将收集到的状态数据通过IPv6网络上传至主机；
数据处理层，用于处理所述数据传输层传送的所述校园内各建筑能耗状态数据，其中，用户通过所述IPv6网络访问所述主机以实现对所述校园内各建筑能耗状态的实时监测；
平台应用层，用于依据处理后的校园内各建筑能耗状态数据，构建可视化的智慧校园平台。
进一步地，所述数据采集层是基于6LoWPAN协议，所述底层数据库中的数据传输方式包括Client/Server，在请求获取数据时，所述平台应用层发送请求到所述数据采集层，所述数据采集层接收到请求信息后立即响应，将相应的数据服务返回至所述平台应用层；
其中，请求数据服务按照现实需求变化，所述平台应用层即可获取所需数据采集层的所有数据。
进一步地，所述网关为融合网关，所述数据传输层通过所述融合网关实现6LoWPAN网络与以太网的融合，利用OpenWrt配置所述融合网关的系统层，通过在IPv6静态分配基础上使用DHCP动态分配，搭建纯IPv6网络环境。
进一步地，所述融合网关基于STM32F103CBT6微处理器，采用TG中继网关，此网关通过IP接口、T1接口或E1接口实现IP分组包与TDM的相互转换，实现SS7信令、PRI信令、1号信令与VOIP协议SIP/H.323之间的转换。
进一步地，所述融合网关的系统层采用Linux OpenWrt操作系统，所述LinuxOpenWrt操作系统为用于路由器和嵌入式设备的GNU/Linux发行版操作系统，直接通过Web界面对网关进行配置。
进一步地，所述数据传输层包含软件设备和硬件设备，其中所述软件设备包含应用程序和多种驱动，其中，
所述应用程序为物联网数据平台，用来观测并管理网络数据的传输和对设备的接入；
多种所述驱动支持大量的数据传输途径，所述硬件设备为所述软件设备提供各种接口，方便后续设备的接入。
进一步地，所述平台应用层基于大数据构建可视化服务平台，通过对大数据的挖掘分析，建立可视化界面，将底层数据分析结果以可视化的形式展现。
进一步地，所述平台应用层基于Linux下的Java环境搭建Oracle数据库，存储底层数据。
进一步地，所述平台应用层基于Spring Boot框架配置服务器，搭建GIS应用服务与Web应用服务；其中，所述GIS应用服务与Web应用服务将各自服务的接口连接到所述平台应用层，以便所述平台应用层对其数据进行调用。
进一步地，所述平台应用层基于Hadoop框架建立大数据平台，通过对底层数据建模，建立可视化界面。
本发明提供的基于IPv6网络的智慧校园平台具有以下优点：
(1)本发明设备管控集中化，通过物联网技术实现对校园内建筑能源消耗的智能感知、集中统一管理和自动控制；
(2)本发明重点在数据传输层等中提出的IPv6协议技术，对数据进行传输速率要大于传统的IPv4协议，在设备接入阶段也有着比传统协议更快的接入速度，通过对不同数据包传输速率的比较，数据量越大，IPv6的网传速率就会越快；
(3)本发明设备管理智能化，传感器采集的电表、光照等数据状况可以通过图表等可视化形式展示；
(4)本发明管理系统平台化，在基础硬件设施上，依托大数据的支持和保障，建立可视化综合管理服务平台，打造一个信息化安全网络。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的基于IPv6网络的智慧校园平台的框架图。
图2为本发明提供的IPv6网络层的内部结构示意图。
图3为本发明提供的网关的技术架构示意图。
图4为本发明提供的6LoWPAN和TCP/IP协议栈的内部结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的基于IPv6网络的智慧校园平台其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
在本实施例中提供了一种基于IPv6网络的智慧校园平台，图1为本发明提供的基于IPv6网络的智慧校园平台的框架图，如图1所示，所述基于IPv6网络的智慧校园平台包括数据采集层、数据传输层、数据处理层以及平台应用层；
数据采集层，用于通过传感器对校园内各建筑能耗状态的数据进行收集，构建底层数据库，并将所述校园内各建筑能耗状态数据进行标准化处理；
数据传输层，用于通过网关，对所述校园内各建筑能耗状态数据进行传送、通信以及部分处理，其中，通过所述网关中的6LoWPAN边缘路由器将收集到的状态数据通过IPv6网络上传至主机；
数据处理层，用于处理所述数据传输层传送的所述校园内各建筑能耗状态数据，其中，用户通过所述IPv6网络访问所述主机以实现对所述校园内各建筑能耗状态的实时监测；
平台应用层，用于依据处理后的校园内各建筑能耗状态数据，构建可视化的智慧校园平台。
优选地，所述数据采集层是基于6LoWPAN协议，所述底层数据库中的数据传输方式包括Client/Server，在请求获取数据时，所述平台应用层发送请求到所述数据采集层，所述数据采集层接收到请求信息后立即响应，将相应的数据服务返回至所述平台应用层；
其中，请求数据服务按照现实需求变化，所述平台应用层即可获取所需数据采集层的所有数据。
具体地，数据采集层是通过传感器对校园内各建筑能耗状态的数据进行收集，构建底层数据库，并将各类状态信息进行标准化处理；其中，传感器节点可以通过无状态自动配置获取合法的IPv6地址，它实现了IPv6网络与基于IEEE802.15.4标准的传统无线传感器网络的无缝连接，IPv6网络层如图2所示，基于IEEE802.15.4MAC。
优选地，所述网关为融合网关，所述数据传输层通过所述融合网关实现6LoWPAN网络与以太网的融合，利用OpenWrt配置所述融合网关的系统层，通过在IPv6静态分配基础上使用DHCP动态分配，搭建纯IPv6网络环境。
优选地，所述融合网关基于STM32F103CBT6微处理器，采用TG中继网关，此网关通过IP接口、T1接口或E1接口实现IP分组包与TDM的相互转换，实现SS7信令、PRI信令、1号信令与VOIP协议SIP/H.323之间的转换；接着用6LoWPAN协议使它很好地融合了IPv6的优势，为IPv6的发展提供了很好的支持，本文使用6LoWPAN节点对传感器设备进行连接，通过IPv6网络对物联网数据平台采集电表、光照传感器等数据，以更加科学和智慧的方式来管理并处理校园内建筑的能源消耗及感知数据。
优选地，所述融合网关的系统层采用Linux OpenWrt操作系统，所述LinuxOpenWrt操作系统为用于路由器和嵌入式设备的GNU/Linux发行版操作系统，直接通过Web界面对网关进行配置。
具体地，OpenWrt操作系统也是一种高度模块化、自动化的嵌入式Linux系统，可以直接通过Web界面对网关进行配置；使用Netfilter框架构成内核空间，对数据包进行过滤与处理，实现IPv6数据包的网络地址转换。
优选地，所述数据传输层包含软件设备和硬件设备，其中所述软件设备包含应用程序和多种驱动，其中，
所述应用程序为物联网数据平台，用来观测并管理网络数据的传输和对设备的接入；
多种所述驱动支持大量的数据传输途径，所述硬件设备为所述软件设备提供各种接口，方便后续设备的接入。
具体地，数据传输层是使用融合网关，对数据采集层的数据进行传送和通信以及部分处理，网关的技术构架如图3所示，包括软件部分和硬件部分；软件部分有WiFi驱动、蓝牙驱动、W5500驱动和I/O驱动四种驱动方式，硬件部分核心是STM32芯片，由6LoWPAN边缘路由器将采集的状态数据通过IPv6网络上传至主机。
物联网网关对不同类型感知网络之间的协议转换，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联，目前最常用为三层体系架构，三层体系架构可以分为：感知层、网络层、应用层。
需要说明的是，如图4所示，6LoWPAN协议是一种低功耗、短距离、低硬件需求的无线传感网络协议；在6LoWPAN协议栈中，物理层与MAC层采用IEEE802.15.4标准，网络层采用IPv6协议，在MAC层和网络层之间增加一个适配层来实现两个标准的融合，主要功能为压缩、分片与重组、Mesh路由，以实现在IEEE802.15.4网络、低功耗设备中传输IPv6数据包。
6LoWPAN是一种基于IPv6的协议，拥有广阔的地址空间，可以满足大量节点的部署需要，并且方便与其他IP网络互联，构建异构网络，实现互通。
其中，6LoWPAN网络的占空比定义公式如下：
Figure BDA0002658241210000051
式中，AI为活动时间间隔；SI为休眠时间间隔；Tpkt为数据包传输时间；Dtx为传输时间延迟；Tsend为数据包发送周期。
优选地，所述平台应用层基于大数据构建可视化服务平台，通过对大数据的挖掘分析，建立可视化界面，将底层数据分析结果以可视化的形式展现。
优选地，所述平台应用层基于Linux下的Java环境搭建Oracle数据库，存储底层数据。
优选地，所述平台应用层基于Spring Boot框架配置服务器，搭建GIS应用服务与Web应用服务；其中，所述GIS应用服务与Web应用服务将各自服务的接口连接到所述平台应用层，以便所述平台应用层对其数据进行调用。
优选地，所述平台应用层基于Hadoop框架建立大数据平台，通过对底层数据建模，建立可视化界面。
具体地，平台应用层是对采集的数据进行处理后，使得用户能通过服务平台得到校园内建筑的能源消耗及感知数据，并为学校管理层提供详实的物联网运行数据，实现服务平台的智能化。
需要说明的是，文中涉及的术语IPv6：Internet Protocol Version 6；术语6LoWPAN：IPv6 over Low Power Wireless Person-al Area Network；术语TCP/IP：Transmission Control Protocol/Internet Protocol。
下面对本发明提供的基于IPv6网络的智慧校园平台的实现方法进行详细说明，该实现方法主要包括二大步骤：
步骤一，使用TG中继网关通过IP接口、T1接口或E1接口实现IP分组包与TDM的相互转换，实现传统通信令SS7、PRI和1号信令与VOIP协议SIP/H.323之间的转换；
步骤二，使用6LoWPAN节点对传感器设备进行连接，通过IPv6网络对物联网数据平台采集电表、光照传感器等数据；通过开发物联网数据平台对设备进行管理，同时对传输过来的数据进行管理；
步骤一具体包括步骤S1和步骤S2：
步骤S1，本次技术使用TG中继网关，此网关通过IP接口、T1/E1接口实现IP分组包与TDM的相互转换，实现传统通信令SS7、PRI和1号信令与VOIP协议SIP/H.323之间的转换；技术架构如图3所示，其中包含软件设备和硬件设备：其中应用程序为物联网数据平台，用来观测并管理网络数据的传输和对设备的接入；各种驱动可以支持大量的数据传输途径，硬件设备为软件提供各种接口方便后续设备的接入；
步骤S2，使用6LoWPAN节点接入传感器并开发物联网数据平台。
6LoWPAN协议栈与IP协议栈有许多相似之处，6LoWPAN和TCP/IP内部结构如图4所示，都包括应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。
6LoWPAN是在IEEE802.15.4标准的基础上进行设计的，所以它在物理层和控制层上采用IEEE802.15.4标准的验证方式，同时IPSec由IETF开发是确保秘密、完整、真实的信息穿越公共IP网的一种工业标准；IPsec不再是IP协议的补充部分，在IPv6中IPsec是IPv6自身所具有的功能；IPv4选择性支持IPSec，IPv6自动支持IPSec。物联网数据平台使用java语言开发，可以对传入的数据进行事实的管理和监测，并且留有大量接口供其他传感器使用。
为了测试系统功能，在室内各角落布置了2个传感器节点，通过自组网方式建立传感器节点网络，2个传感器节点均已成功加入IPv6网络，然后对比IPv4网络比较各个数据的差异。
在实验中，将IPV6和IPv4对传感器节点通过SYN和ACK之间建立TCP连接所需的时间进行对比，如表1中所示，IPv6在安全模式和非安全模式下IPv6的连接时间都低于IPv4的连接时间，这验证的IPv6对比IPv4所具有的优势。
连接模式 非安全模式 安全模式
IPv4(ms) 8.2 8.4
IPv6(ms) 6.6 6.9
表1 IPv6和IPv4连接时间
通过对光照传感器进行不断地遮挡和光照，传感器会把收集的数据通过IPv6网络和IPv4网络传送到数据平台，在数据平台可以观测数据的传输速率；数据量越大IPv6的优势越明显，对比结果如下表2所示。
数据包 100 1000 1000 100000
IPv4(位/ms) 0.1 0.45 1 105
IPv6(位/ms) 0.15 0.9 3.6 926
表2 IPv6和IPv4传输速率
本文针对校园网各种传感器数据采集的场景，基于TG中继网关，SIP/H.323协议提供了一种IPv6网络支持，然后结合6LoWPAN节点搭建了一种支持RJ45、WiFi、蓝牙等多种接入方式的小型网关；该网关采用硬件TCP/IP方案，可支持多个TCP/IP客户端访问并预留有多类接口，接入方便、性价比高，通过IPv6网络对物联网数据平台采集电表、光照传感器等数据，测试结果表明基于IPv6的网络在数据传输方面有着更好的速率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于IPv6网络的智慧校园平台，其特征在于，所述基于IPv6网络的智慧校园平台包括数据采集层、数据传输层、数据处理层以及平台应用层；
数据采集层，用于通过传感器对校园内各建筑能耗状态的数据进行收集，构建底层数据库，并将所述校园内各建筑能耗状态数据进行标准化处理；
数据传输层，用于通过网关，对所述校园内各建筑能耗状态数据进行传送、通信以及部分处理，其中，通过所述网关中的6LoWPAN边缘路由器将收集到的状态数据通过IPv6网络上传至主机；
数据处理层，用于处理所述数据传输层传送的所述校园内各建筑能耗状态数据，其中，用户通过所述IPv6网络访问所述主机以实现对所述校园内各建筑能耗状态的实时监测；
平台应用层，用于依据处理后的校园内各建筑能耗状态数据，构建可视化的智慧校园平台。
2.如权利要求1所述基于IPv6网络的智慧校园平台，其特征在于，所述数据采集层是基于6LoWPAN协议，所述底层数据库中的数据传输方式包括Client/Server，在请求获取数据时，所述平台应用层发送请求到所述数据采集层，所述数据采集层接收到请求信息后立即响应，将相应的数据服务返回至所述平台应用层；
其中，请求数据服务按照现实需求变化，所述平台应用层即可获取所需数据采集层的所有数据。
3.如权利要求1所述基于IPv6网络的智慧校园平台，其特征在于，所述网关为融合网关，所述数据传输层通过所述融合网关实现6LoWPAN网络与以太网的融合，利用OpenWrt配置所述融合网关的系统层，通过在IPv6静态分配基础上使用DHCP动态分配，搭建纯IPv6网络环境。
4.如权利要求3所述基于IPv6网络的智慧校园平台，其特征在于，所述融合网关基于STM32F103CBT6微处理器，采用TG中继网关，此网关通过IP接口、T1接口或E1接口实现IP分组包与TDM的相互转换，实现SS7信令、PRI信令、1号信令与VOIP协议SIP/H.323之间的转换。
5.如权利要求3所述基于IPv6网络的智慧校园平台，其特征在于，所述融合网关的系统层采用Linux OpenWrt操作系统，所述Linux OpenWrt操作系统为用于路由器和嵌入式设备的GNU/Linux发行版操作系统，直接通过Web界面对网关进行配置。
6.如权利要求1所述基于IPv6网络的智慧校园平台，其特征在于，所述数据传输层包含软件设备和硬件设备，其中所述软件设备包含应用程序和多种驱动，其中，
所述应用程序为物联网数据平台，用来观测并管理网络数据的传输和对设备的接入；
多种所述驱动支持大量的数据传输途径，所述硬件设备为所述软件设备提供各种接口，方便后续设备的接入。
7.如权利要求1所述基于IPv6网络的智慧校园平台，其特征在于，所述平台应用层基于大数据构建可视化服务平台，通过对大数据的挖掘分析，建立可视化界面，将底层数据分析结果以可视化的形式展现。
8.如权利要求1所述基于IPv6网络的智慧校园平台，其特征在于，所述平台应用层基于Linux下的Java环境搭建Oracle数据库，存储底层数据。
9.如权利要求1所述基于IPv6网络的智慧校园平台，其特征在于，所述平台应用层基于Spring Boot框架配置服务器，搭建GIS应用服务与Web应用服务；其中，所述GIS应用服务与Web应用服务将各自服务的接口连接到所述平台应用层，以便所述平台应用层对其数据进行调用。
10.如权利要求1所述基于IPv6网络的智慧校园平台，其特征在于，所述平台应用层基于Hadoop框架建立大数据平台，通过对底层数据建模，建立可视化界面。
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