基于CoAP協(xié)議的無線傳感網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

付康為 孫玲 任密林 施佺 張晨 沈樂威 王宏彬

摘 要： 基于REST架構(gòu)的CoAP協(xié)議是6LowPAN協(xié)議棧中的應(yīng)用層協(xié)議，可運(yùn)行在內(nèi)存受限和計(jì)算能力有限的嵌入式設(shè)備中，并具有請求響應(yīng)工作模式和可靠的數(shù)據(jù)傳輸性能，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中具有極大的發(fā)展?jié)摿?。然而，現(xiàn)有基于CoAP協(xié)議設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的客戶端較為復(fù)雜，影響了它在該領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。針對這一現(xiàn)狀，提出一種新型CoAP應(yīng)用架構(gòu)，該架構(gòu)通過在CoAP協(xié)議基礎(chǔ)上增加一個(gè)鏈接服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)CoAP客戶端和CoAP服務(wù)器之間的通信，簡化了基于CoAP架構(gòu)的客戶端設(shè)計(jì)，為推廣CoAP架構(gòu)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考模型。

關(guān)鍵詞： CoAP協(xié)議； 6LowPAN協(xié)議棧； IPv6； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 物聯(lián)網(wǎng)； 數(shù)據(jù)傳輸； 嵌入式設(shè)備

中圖分類號： TN929.5?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）20?0049?04

Abstract： The CoAP protocol based on REST architecture is the application layer protocol in the 6LowPAN protocol stack， can run on embedded devices with limited memory and computing capability， and has the request?respond work mode， reliable data transmission performance， and great development potential in the IoT field. However， the current client designed and implemented on the basis of the CoAP protocol is relatively complex， and its application and popularization in the IoT field are affected. In view of this situation， a new CoAP application architecture is proposed. In this architecture， a link server is added on the basis of the CoAP protocol， so as to realize communication between the CoAP client and CoAP server， simplify the design of the client based on the CoAP architecture， and provide a reference model for the promotion of CoAP architecture application in the IoT field.

Keyword： CoAP protocol； 6LowPAN protocol stack； IPv6； wireless sensor network； IoT； data transmission； embedded device

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入研究與廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)地址資源有限的問題日益突出。為解決IPv4協(xié)議存在的不足，下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IPv6正被越來越多的推廣和應(yīng)用[1]。6LowPAN作為一種新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于和ZigBee技術(shù)相同的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，具有和IPv6互聯(lián)網(wǎng)兼容的特點(diǎn)，成為人們研究和關(guān)注的熱點(diǎn)之一。6LowPAN技術(shù)可以讓每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)擁有獨(dú)一無二的IPv6地址，便于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6互聯(lián)網(wǎng)的融合，從而實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，方便用戶遠(yuǎn)程對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問和控制。

在6LowPAN協(xié)議棧中，基于REST架構(gòu)的CoAP協(xié)議是其應(yīng)用層協(xié)議，其架構(gòu)如圖1所示。

為了利用UDP協(xié)議占用硬件資源少、支持多播等優(yōu)點(diǎn)，克服其數(shù)據(jù)傳輸不可靠的缺點(diǎn)，CoAP采用雙層架構(gòu)：Transaction層負(fù)責(zé)處理節(jié)點(diǎn)間的信息交換，同時(shí)增加了對多播的支持；Request/Response層用來傳輸對資源進(jìn)行操作的請求和響應(yīng)信息，其REST架構(gòu)也是基于該層。這種雙層方式使得CoAP協(xié)議在沒有采用TCP協(xié)議的情況下也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

目前，Contiki和Tiny OS這兩大開源的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了CoAP服務(wù)器部分，可以將代碼移植到嵌入式硬件設(shè)備中。很多大學(xué)也在搭建基于CoAP的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，例如哈爾濱工程大學(xué)使用Contiki系統(tǒng)的CoAP服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺(tái)[2]。

1 CoAP應(yīng)用協(xié)議架構(gòu)

1.1 CoAP協(xié)議一般架構(gòu)分析

CoAP應(yīng)用的一般架構(gòu)如圖2所示。圖中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)際就是一個(gè)CoAP服務(wù)器，傳感器上的每一個(gè)硬件資源被描述為一個(gè)URL，例如“CoAP：//[aaaa：：1]/led”表示IPv6地址為aaaa：：1的傳感器節(jié)點(diǎn)上的LED硬件資源。用戶可以通過get，put，post和delete四種方式對傳感器節(jié)點(diǎn)上的硬件資源進(jìn)行訪問或控制。

圖2中的RPL是低功耗有損網(wǎng)絡(luò)IPv6路由協(xié)議，該協(xié)議能夠讓眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信，從而組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[3]。邊界路由器是6LowPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的橋梁，其作用是實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包和IP數(shù)據(jù)包之間的相互轉(zhuǎn)換。

圖2中的上位機(jī)軟件用于訪問CoAP服務(wù)器。目前，可以訪問CoAP服務(wù)器的客戶端軟件主要有兩種實(shí)現(xiàn)版本，一種是基于C語言的libCoAP，另一種是基于Java的Californium。然而，libCoAP源碼只能在Linux系統(tǒng)上運(yùn)行，Californium則不支持手持設(shè)備（例如IOS）。由于現(xiàn)有這兩種版本的源碼較為復(fù)雜，移植到Windows或其他平臺(tái)上的步驟較為繁瑣，十分不利于CoAP客戶端的進(jìn)一步開發(fā)，從而影響了CoAP協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。

1.2 改進(jìn)的CoAP架構(gòu)

為了方便客戶端軟件的開發(fā)，并使得任意客戶端都可以方便地對CoAP服務(wù)器進(jìn)行訪問和控制。本文針對圖2所示架構(gòu)的不足，提出一種如圖3所示的改進(jìn)CoAP架構(gòu)。由圖3可見，該架構(gòu)中的邊界路由器不僅僅起到一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能，還具有實(shí)現(xiàn)CoAP協(xié)議的功能，從而使系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同的客戶端。

圖3所示架構(gòu)中，客戶端訪問特定CoAP服務(wù)器的流程如圖4所示?？蛻舳送ㄟ^TCP協(xié)議連接到鏈接服務(wù)器，向服務(wù)器發(fā)送CoAP指令字符串；鏈接服務(wù)器解析CoAP指令字符串，然后組成libCoAP程序的參數(shù)并調(diào)用libCoAP程序；libCoAP程序通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向客戶端需要訪問的CoAP服務(wù)器發(fā)送請求Request。CoAP服務(wù)器接收到該Request后生成相應(yīng)的Response，發(fā)送至libCoAP程序。libCoAP程序再將該response信息重定向至邊界路由器中的一個(gè)File（文件）中，鏈接服務(wù)器讀取該文件，然后將文件中的內(nèi)容傳輸給客戶端。至此，客戶端完成了訪問特定CoAP服務(wù)器的流程。

2 改進(jìn)型CoAP架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 CoAP服務(wù)器設(shè)計(jì)

2.1.1 CoAP服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的CoAP服務(wù)器硬件原理圖如圖5所示，其中，選用CC2530微處理器作為硬件運(yùn)行平臺(tái)[4]；DS18B20數(shù)字式溫度傳感器用于獲取當(dāng)前傳感器節(jié)點(diǎn)的環(huán)境溫度。繼電器的作用是控制傳感器節(jié)點(diǎn)周圍的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)用戶對遠(yuǎn)程設(shè)備的開關(guān)控制。該CoAP服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

1） 傳感器采集到環(huán)境信息后發(fā)送至微處理器，微處理器通過天線將數(shù)據(jù)發(fā)送給邊界路由器。

2） 微處理器接收邊界路由器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理后發(fā)送控制命令至繼電器。

圖5 CoAP服務(wù)器硬件原理圖

Fig. 5 Schematic diagram for hardware of CoAP server

2.1.2 CoAP服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

CoAP服務(wù)器的軟件架構(gòu)如圖6所示，該軟件架構(gòu)移植了Contiki操作系統(tǒng)[5]。圖中，uip6是一個(gè)簡易的IPv6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，為嵌入式設(shè)備融入IPv6互聯(lián)網(wǎng)提供了條件。由于最大MTU，MAC層路由等原因，IPv6不能直接運(yùn)行在IEEE 802.15.4 MAC層之上，圖中的6LowPAN作為適配層同時(shí)提供對上下兩層的支持。該層一方面將上層的IPv6數(shù)據(jù)包進(jìn)行頭部壓縮和分片，傳輸至IEEE 802.15.4協(xié)議棧中，另一方面將從IEEE 802.15.4協(xié)議棧中接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行重組，傳輸至IPv6的網(wǎng)絡(luò)層[6]。

2.2 邊界路由器的設(shè)計(jì)

2.2.1 邊界路由器硬件設(shè)計(jì)

邊界路由器的硬件設(shè)計(jì)如圖7所示。

串口用于微處理器和openWRT路由器之間的數(shù)據(jù)交互。微處理器中移植了Contiki操作系統(tǒng)，并在該操作系統(tǒng)下完成了邊界路由器和6LowPAN協(xié)議棧相關(guān)程序設(shè)計(jì)。openWRT是一種嵌入式Linux系統(tǒng)[7]，該系統(tǒng)移植了libCoAP和鏈接服務(wù)器的代碼，負(fù)責(zé)串口數(shù)據(jù)和IPv6互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的交換和路由。

邊界路由器中的微處理器和openWRT路由器之間的通信采用了SLIP協(xié)議[8]。SLIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了在串行通信線路上運(yùn)行TCP/IP協(xié)議及其應(yīng)用服務(wù)的功能。

2.2.2 鏈接服務(wù)器的程序設(shè)計(jì)

鏈接服務(wù)器是本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)型CoAP架構(gòu)的核心部分，其程序設(shè)計(jì)使用了Linux操作系統(tǒng)下的Socket網(wǎng)絡(luò)編程以及多線程技術(shù)[9]，工作流程圖如圖8所示。

由圖8可見，該鏈接服務(wù)器首先監(jiān)聽一個(gè)特定的端口，該端口需要和客戶端發(fā)送/接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的端口一致。當(dāng)某個(gè)客戶端和鏈接服務(wù)器建立連接時(shí)，該鏈接服務(wù)器會(huì)建立一個(gè)線程來處理該客戶端的請求，即讀取客戶端的指令字符串。隨后，鏈接服務(wù)器會(huì)對指令字符串進(jìn)行解析，并組成libCoAP程序的參數(shù)，調(diào)用libCoAP程序。最后讀取libCoAP程序返回的File內(nèi)容，并將該內(nèi)容發(fā)送至客戶端。

這里，客戶端指令字符串的格式為“CoAP服務(wù)器硬件資源URL 訪問方式”，下面給出一個(gè)實(shí)際示例。例如，客戶端發(fā)送的指令字符串為“CoAP：//[aaaa：：1]/temp get”，其含義是訪問IPv6地址為aaaa：：1的CoAP服務(wù)器的溫度傳感器，獲取該溫度傳感器的具體數(shù)值。鏈接服務(wù)器會(huì)將該字符串進(jìn)行解析，解析的結(jié)果是客戶端需要訪問URL地址為“CoAP：//[aaaa：：1]/temp”的硬件資源，訪問該資源的方法是“get”。然后根據(jù)這些信息組成libCoAP程序的參數(shù)，即“l(fā)ibCoAP?m get CoAP：//[aaaa：：1]/temp”，其中“?m get”表示libCoAP程序使用get方法對硬件資源進(jìn)行訪問。

2.3 客戶端軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)基于跨平臺(tái)的圖形界面設(shè)計(jì)框架Qt[10]，其流程如圖9所示。由于采用了改進(jìn)型的邊界路由器方案，客戶端的設(shè)計(jì)較為簡單?？蛻舳耸紫群玩溄臃?wù)器建立連接，再向其發(fā)送指令字符串，等待接收鏈接服務(wù)器返回的信息。當(dāng)客戶端接收到信息時(shí)，它會(huì)對信息進(jìn)行分類：如果客戶端發(fā)送的是獲取傳感器數(shù)據(jù)的指令，則會(huì)接收該傳感器返回的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)用折線圖進(jìn)行顯示；如果發(fā)送的是獲取設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的指令，則會(huì)接收到設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，并在界面上進(jìn)行顯示；如果發(fā)送的是控制設(shè)備的指令，則會(huì)接收到設(shè)備控制反饋信息，結(jié)束整個(gè)流程，否則需要繼續(xù)發(fā)送控制設(shè)備的指令或者檢查當(dāng)前設(shè)備是否正常工作。由此可以得出，改進(jìn)后的架構(gòu)簡化了客戶端設(shè)計(jì)，有利于推廣CoAP協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 改進(jìn)型CoAP架構(gòu)系統(tǒng)測試

改進(jìn)型CoAP架構(gòu)的測試過程如下：首先，設(shè)置一個(gè)IPv6地址為“aaaa：：212：4b00：ef3：418c”的傳感器節(jié)點(diǎn)，并將Contiki操作系統(tǒng)和DS18B20設(shè)備驅(qū)動(dòng)移植到該傳感器節(jié)點(diǎn)上，該傳感器即是圖3所示的任意一個(gè)CoAP服務(wù)器；然后，設(shè)置邊界路由器，在邊界路由器中運(yùn)行Contiki系統(tǒng)中的tunslip6程序，該程序用于為邊界路由器分配網(wǎng)絡(luò)地址前綴；隨后在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行Ping實(shí)驗(yàn)，命令結(jié)果見圖10?？梢姡?jì)算機(jī)可以訪問該CoAP服務(wù)器。

最后，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行設(shè)計(jì)的客戶端軟件。圖11給出了該客戶端獲取CoAP服務(wù)器采集的環(huán)境溫度參數(shù)的折線圖。圖12為該客戶端上顯示的CoAP服務(wù)器控制的設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)。

4 結(jié) 語

為了簡化基于CoAP協(xié)議客戶端的設(shè)計(jì)，本文著重提出了一種改進(jìn)的邊界路由器設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建了系統(tǒng)架構(gòu)，完成了系統(tǒng)硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)方案有效可行，為推廣CoAP架構(gòu)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域上的應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)參考。

注：本文通訊作者為孫玲。

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