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17 構(gòu)建基于CoAP協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

2018-02-24 15:53 更新

構(gòu)建基于CoAP協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

17.1　CoAP: 嵌入式系統(tǒng)的REST

引自維基百科上的介紹，用的是谷歌翻譯。。。

受約束的應(yīng)用協(xié)議（COAP）是一種軟件協(xié)議旨在以非常簡單的電子設(shè)備，使他們能夠在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行交互式通信中使用。它特別針對小型低功率傳感器，開關(guān)，閥門和需要被控制或監(jiān)督遠(yuǎn)程，通過標(biāo)準(zhǔn)的Internet網(wǎng)絡(luò)類似的組件。 COAP是一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議，該協(xié)議是用于在資源受限的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用。 COAP被設(shè)計(jì)為容易地轉(zhuǎn)換為HTTP與Web簡化集成，同時(shí)也能滿足特殊的要求，例如多播支持，非常低的開銷，和簡單性。多播，低開銷，以及簡單性是因特網(wǎng)極其重要物聯(lián)網(wǎng)（IOT）和機(jī)器對機(jī)器（M2M）設(shè)備，這往往是積重難返，有太多的內(nèi)存和電源，比傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有。因此，效率是非常重要的。 COAP可以在支持UDP或UDP的模擬大多數(shù)設(shè)備上運(yùn)行。

簡單地來說，CoAP是簡化了HTTP協(xié)議的RESTful API，因而也只提供了REST的四個(gè)方法，即PUT,GET,POST和DELETE。對于微小的資源受限，在資源受限的通信的IP的網(wǎng)絡(luò)，HTTP不是一種可行的選擇。它占用了太多的資源和太多的帶寬。而對于物聯(lián)網(wǎng)這種嵌入式設(shè)備來說，關(guān)于資源與帶寬，是我們需要優(yōu)先考慮的內(nèi)容。

CoAP采用了二進(jìn)制報(bào)頭，而不是文本報(bào)頭(text header)
CoAP降低了頭的可用選項(xiàng)的數(shù)量。
CoAP減少了一些HTTP的方法
CoAP可以支持檢測裝置

17.2　CoAP 命令行工具

為了測試測試我們的代碼是否是正確工作，我們需要一個(gè)CoAP的命令行工具。目前有兩個(gè)不錯(cuò)的工具可以使用。

CoAP-cli，一個(gè)基于NodeJS的CoAP命令行工具，其核心是基于Node-CoAP庫。
libcooap，一個(gè)用C寫的CoAP命令行工具。
FireFox Copper，一個(gè)Firefox的插件。

17.2.1　Node CoAP CLI

安裝命令如下

 npm install coap-cli -g

17.2.1.1　CoAP命令行

在coap-cli中，一共有四個(gè)方法。分別表示REST的四種不同的方式:

Commands:

get                    performs a GET request
put                    performs a PUT request
post                   performs a POST request
delete                 performs a DELETE request

在這里，我們用coap://vs0.inf.ethz.ch/來作一個(gè)簡單的測試

coap get coap://vs0.inf.ethz.ch/
(2.05)  ************************************************************
I-D

測試一下現(xiàn)在的最小的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)CoAP版

coap get coap://iot-coap.phodal.com/id/1
(2.05)  [{"id":1,"value":"is id 1","sensors1":19,"sensors2":20}]

17.2.2　libcoap

17.2.2.1　mac os libcoap安裝

Mac OS下可以直接用

brew install libcoap

17.2.2.2　Ubuntu libcoap安裝

Ubuntu GNU/Linux下

17.2.2.3　Windows libcoap安裝

Windows 下

安裝完libcoap，我們可以直接用自帶的兩個(gè)命令

coap-client 
coap-server

1.用coap-server啟一個(gè)CoAP服務(wù)

coap-server

2.客戶端獲取數(shù)據(jù)

coap-client -m get coap://localhost

返回結(jié)果

v:1 t:0 tkl:0 c:1 id:37109
This is a test server made with libcoap (see http://libcoap.sf.net) 
Copyright (C) 2010--2013 Olaf Bergmann <bergmann@tzi.org>

17.2.3　Firefox Copper

為了能訪問coap://localhost/，于是我們便需要安裝一個(gè)Firefox并安裝一個(gè)名為Copper的插件。

下載地址:?https://addons.mozilla.org/en-US/firefox/addon/copper-270430/
作為測試我們同樣可以訪問?coap://vs0.inf.ethz.ch:5683/

17.3　CoAP Hello,World

接著我們便開始試試做一個(gè)簡單的CoAP協(xié)議的應(yīng)用:

這里用到的是一個(gè)Nodejs的擴(kuò)展Node-CoAP

node-coap is a client and server library for CoAP modelled after the http module.

Node-CoAP是一個(gè)客戶端和服務(wù)端的庫用于CoAP的模塊建模。創(chuàng)建一個(gè)package.json文件，添加這個(gè)庫

{
  "dependencies":{
    "coap": "0.7.2"
  }
}

接著執(zhí)行

npm install

就可以安裝好這個(gè)庫。如果遇到權(quán)限問題，請用

sudo npm install

接著，創(chuàng)建這樣一個(gè)app.js

const coap        = require('coap')
    , server  = coap.createServer()

server.on('request', function(req, res) {
  res.end('Hello ' + req.url.split('/')[1] + '\n')
})

server.listen(function() {
  console.log('server started')
})

執(zhí)行

node app.js

便可以在瀏覽器上訪問了，因?yàn)楝F(xiàn)在什么也沒有，所以什么也不會(huì)返回。

接著下來再創(chuàng)建一個(gè)client端的js，并運(yùn)行之

const coap  = require('coap') 
    , req   = coap.request('coap://localhost/World')

req.on('response', function(res) {
  res.pipe(process.stdout)
})

req.end()

就可以在console上輸出

Hello World

也就達(dá)到了我們的目的，用CoAP協(xié)議創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)，接著我們應(yīng)該用它創(chuàng)建更多的東西，如產(chǎn)生JSON數(shù)據(jù)，以及RESTful。和HTTP版的最小物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一樣，CoAP版的最小物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也是要返回JSON的。

17.3　CoAP 數(shù)據(jù)庫查詢

17.3.1　Node Module

這說里NodeJS Module的意義是因?yàn)槲覀冃枰趧e的地方引用到db_helper這個(gè)庫，也就是下一小節(jié)要的講的內(nèi)容。

這樣我們就可以在server.js類似于這樣去引用這個(gè)js庫。

var DBHelper = require('./db_helper.js');
DBHelper.initDB();

而這樣調(diào)用的前提是我們需要去聲明這樣的module，為了方便地導(dǎo)出函數(shù)功能調(diào)用。

function DBHelper(){
}
DBHelper.initDB = function(){};
module.exports = DBHelper;

17.3.2　Node-Sqlite3

這次我們用的是SQLite3(你可以用MySQL，出于安全考慮用SQLite3，SQLite3產(chǎn)生的是一個(gè)文件)。一個(gè)簡單的initDB函數(shù)

var db = new sqlite3.Database(config["db_name"]);
var create_table = 'create table if not exists basic (' + config["db_table"] + ');';

db.serialize(function() {
    db.run(create_table);
    _.each(config["init_table"], function(insert_data) {
        db.run(insert_data);
    });
});
db.close();

首先從配置中讀取db_name，接著創(chuàng)建table，然后調(diào)用underscore的each方法，創(chuàng)建幾個(gè)數(shù)據(jù)。配置如下所示

config = {
    "db_name": "iot.db",
    "db_table": "id integer primary key, value text, sensors1 float, sensors2 float",
    "init_table":[
        "insert or replace into basic (id,value,sensors1,sensors2) VALUES (1, 'is id 1', 19, 20);",
        "insert or replace into basic (id,value,sensors1,sensors2) VALUES (2, 'is id 2', 20, 21);"
    ],
    "query_table":"select * from basic;"
};

而之前所提到的url查詢所做的事情便是

DBHelper.urlQueryData = function (url, callback) {
    var db = new sqlite3.Database("iot.db");
    var result = [];
    console.log("SELECT * FROM basic where " + url.split('/')[1] + "=" + url.split('/')[2]);
    db.all("SELECT * FROM basic where " + url.split('/')[1] + "=" + url.split('/')[2], function(err, rows) {
        db.close();
        callback(JSON.stringify(rows));
    });
};

將URL傳進(jìn)來，便解析這個(gè)參數(shù)，接著再放到數(shù)據(jù)庫中查詢，再回調(diào)回結(jié)果。這樣我們就可以構(gòu)成之前所說的查詢功能，而我們所謂的post功能似乎也可以用同樣的方法加進(jìn)去。

17.3.3　查詢數(shù)據(jù)

簡單地記錄一下在IoT-CoAP中一次獲取數(shù)據(jù)地過程。

先看看在示例中的Get.js的代碼，這關(guān)乎在后面server端的代碼。

const coap       = require('coap')
     ,requestURI = 'coap://localhost/'
     ,url        = require('url').parse(requestURI + 'id/1/')
     ,req        = coap.request(url)
     ,bl         = require('bl');

req.setHeader("Accept", "application/json");
req.on('response', function(res) {
  res.pipe(bl(function(err, data) {
    var json = JSON.parse(data);
    console.log(json);
  }));

});
req.end();

const定義數(shù)據(jù)的方法，和我們在其他語言中有點(diǎn)像。只是這的const主要是為了程序的健壯型,減少程序出錯(cuò)，當(dāng)然這不是javascript的用法。

我們構(gòu)建了一個(gè)請求的URL

coap://localhost/id/1/

我們對我們的請求添加了一個(gè)Header，內(nèi)容是Accept，值是'application/json'也就是JSON格式。接著，便是等待請求回來，再處理返回的內(nèi)容。

判斷請求的方法

在這里先把一些無關(guān)的代碼刪除掉，并保證其能工作，so，下面就是簡要的邏輯代碼。

var coap            = require('coap');
var server          = coap.createServer({});
var request_handler = require('./request_handler.js');

server.on('request', function(req, res) {
    switch(req.method){
        case "GET": request_handler.getHandler(req, res);
            break;
    }
});

server.listen(function() {
    console.log('server started');
});

創(chuàng)建一個(gè)CoAP服務(wù)，判斷req.method，也就是請求的方法，如果是GET的話，就調(diào)用request_handler.getHandler(req, res)。而在getHandler里，判斷了下請求的Accept

request_helper.getHandler = function(req, res) {
    switch (req.headers['Accept']) {
        case "application/json":
            qh.returnJSON(req, res);
            break;
        case "application/xml":
            qh.returnXML(req, res);
            break;
    }
};

如果是json剛調(diào)用returnJSON,

Database與回調(diào)

而這里為了處理回調(diào)函數(shù)剛分為了兩部分

query_helper.returnJSON = function(req, res) {
    DBHelper.urlQueryData(req.url, function (result) {
        QueryData.returnJSON(result, res);
    });
};

而這里只是調(diào)用了

DBHelper.urlQueryData = function (url, callback) {
    var db = new sqlite3.Database(config["db_name"]);
    console.log("SELECT * FROM basic where " + url.split('/')[1] + "=" + url.split('/')[2]);
    db.all("SELECT * FROM basic where " + url.split('/')[1] + "=" + url.split('/')[2], function(err, rows) {
        db.close();
        callback(JSON.stringify(rows));
    });
};

這里調(diào)用了node sqlite3去查詢對應(yīng)id的數(shù)據(jù)，用回調(diào)處理了數(shù)據(jù)無法到外部的問題，而上面的returnJSON則只是返回最后的結(jié)果，code以及其他的內(nèi)容。

QueryData.returnJSON = function(result, res) {
    if (result.length == 2) {
        res.code = '4.04';
        res.end(JSON.stringify({
            error: "Not Found"
        }));
    } else {
        res.code = '2.05';
        res.end(result);
    }
};

當(dāng)resulst的結(jié)果為空時(shí)，返回一個(gè)404，因?yàn)闆]有數(shù)據(jù)。這樣我們就構(gòu)成了整個(gè)的鏈，再一步步返回結(jié)果。

在IoT-CoAP中我們使用到了一個(gè)Block2的東西，于是便整理相關(guān)的一些資料，作一個(gè)簡單的介紹，以及在代碼中的使用。

17.4　CoAP Block

CoAP是一個(gè)RESTful傳輸協(xié)議用于受限設(shè)備的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)?；镜腃oAP消息是一個(gè)不錯(cuò)的選擇對于小型載荷如

溫度傳感器
燈光開關(guān)
樓宇自動(dòng)化設(shè)備

然而，有時(shí)我們的應(yīng)用需要傳輸更大的有效載荷，如——更新固件。與HTTP，TCP做繁重工作將大型有效載荷分成多個(gè)數(shù)據(jù)包，并確保他們所有到達(dá)并以正確的順序被處理。

CoAP是同UDP與DLTS一樣是基于數(shù)據(jù)報(bào)傳輸?shù)?，這限制了資源表示(resource representation)的最大大小，使得傳輸不需要太多的分割。雖然UDP支持通過IP分片傳輸更大的有效載荷，且僅限于64KiB，更重要的是，并沒有真正很好地約束應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)。

而不是依賴于IP分片，這種規(guī)范基本COAP了對“塊”選項(xiàng)，用于傳輸信息從多個(gè)資源區(qū)塊的請求 - 響應(yīng)對。在許多重要的情況下，阻止使服務(wù)器能夠真正無狀態(tài)：服務(wù)器可以處理每塊分開傳輸，而無需建立連接以前的數(shù)據(jù)塊傳輸?shù)钠渌?wù)器端內(nèi)存。

綜上所述，塊(Block)選項(xiàng)提供了傳送一個(gè)最小的在分塊的方式更大的陳述。

17.4.1　CoAP POST

看看在IoT CoAP中的post示例。

const coap     = require('coap')
      ,request  = coap.request
      ,bl       = require('bl')
      ,req = request({hostname: 'localhost',port:5683,pathname: '',method: 'POST'});

req.setOption('Block2',  [new Buffer('1'),new Buffer("'must'"), new Buffer('23'), new Buffer('12')]);
req.setHeader("Accept", "application/json");
req.on('response', function(res) {
    res.pipe(bl(function(err, data) {
        console.log(data);
        process.exit(0);
    }));

});

req.end();

Block2中一共有四個(gè)數(shù)據(jù)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)該是

{ name: 'Block2', value: <Buffer 31> }
{ name: 'Block2', value: <Buffer 27 6d 75 73 74 27> }
{ name: 'Block2', value: <Buffer 32 33> }
{ name: 'Block2', value: <Buffer 31 32> }

這是沒有解析的Block2，簡單地可以用

_.values(e).toString()

將結(jié)果轉(zhuǎn)換為

Block2,1 Block2,'must' Block2,23 Block2,12

接著按","分開，

_.values(e).toString().split(',')[1]

就有

[ '1', '\'must\'', '23', '12' ]

便可以很愉快地將其post到數(shù)據(jù)庫中了，

在做IoT-CoAP的過程中只支持JSON，查閱CoAP的草稿時(shí)發(fā)現(xiàn)支持了諸多的Content Types。

17.4.2　CoAP Content Types

以下文字來自谷歌翻譯:

互聯(lián)網(wǎng)媒體類型是通過HTTP字符串標(biāo)識(shí)，如“application/xml”。該字符串是由一個(gè)頂層的類型“applicaion”和子類型的“XML”。為了盡量減少使用這些類型的媒體類型來表示的開銷消息有效載荷，COAP定義一個(gè)標(biāo)識(shí)符編碼方案互聯(lián)網(wǎng)媒體類型的子集。預(yù)計(jì)這桌將可擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符的值的IANA維護(hù)。內(nèi)容類型選項(xiàng)被格式化為一個(gè)8位無符號(hào)整數(shù)。初始映射到一個(gè)合適的互聯(lián)網(wǎng)媒體類型標(biāo)識(shí)符表所示。復(fù)合型高層次類型（multipart和不支持消息）。標(biāo)識(shí)符值是從201-255保留的特定于供應(yīng)商的，應(yīng)用程序特定的或?qū)嶒?yàn)使用和不由IANA。

下面是HTTP的標(biāo)識(shí)符及類型

Internet media type

Identifier

text/plain (UTF-8)

text/xml (UTF-8)

text/csv (UTF-8)

text/html (UTF-8)

image/gif

image/jpeg

image/png

image/tiff

audio/raw

video/raw

application/link-format [I-D.ietf-core-link-format]

application/xml

application/octet-stream

application/rdf+xml

application/soap+xml

application/atom+xml

application/xmpp+xml

application/exi

application/x-bxml

application/fastinfoset

application/soap+fastinfoset

application/json

而在CoAP中只有簡單地幾個(gè)

Media type

Encoding

Id.

Reference

text/plain;

[RFC2046][RFC3676][RFC5147]

charset=utf-8

application/

[RFC6690]

link-format

application/xml

[RFC3023]

application/

[RFC2045][RFC2046]

octet-stream

application/exi

[EXIMIME]

application/json

[RFC4627]

簡單地說就是：

諸如application/json的Content Types在CoAP中應(yīng)該是50。如上表所示的結(jié)果是其對應(yīng)的結(jié)果，這樣的話可以減少傳遞的信息量。

17.5　CoAP JSON

于是在一開始的時(shí)候首先支持的便是"application/json"這樣的類型。

首先判斷請求的header

request_helper.getHandler = function(req, res) {
    switch (req.headers['Accept']) {
        case "application/json":
            qh.returnJSON(req, res);
            break;
        case "application/xml":
            qh.returnXML(req, res);
            break;
    }
};

再轉(zhuǎn)至相應(yīng)的函數(shù)處理，而判斷的依據(jù)則是Accept是不是"application/json"。

registerFormat('text/plain', 0)
registerFormat('application/link-format', 40)
registerFormat('application/xml', 41)
registerFormat('application/octet-stream', 42)
registerFormat('application/exi', 47)
registerFormat('application/json', 50)

對應(yīng)地我們需要在一發(fā)出請求的時(shí)候設(shè)置好Accept，要不就沒有辦法返回我們需要的結(jié)果。

req.setHeader("Accept", "application/json");

返回JSON

在給IoT CoAP添加了JSON支持之后，變得非常有意思，至少我們可以獲得我們想要的結(jié)果。在上一篇中我們介紹了一些常用的工具——CoAP 命令行工具集。

CoAP客戶端代碼

開始之前我們需要有一個(gè)客戶端代碼，以便我們的服務(wù)端可以返回正確的數(shù)據(jù)并解析

var coap = require('coap');
var requestURI = 'coap://localhost/';
var url = require('url').parse(requestURI + 'id/1/');
console.log("Request URL: " + url.href);
var req = coap.request(url);
var bl = require('bl');

req.setHeader("Accept", "application/json");
req.on('response', function(res) {
  res.pipe(bl(function(err, data) {
    var json = JSON.parse(data);
    console.log(json);
  }));

});

req.end();

代碼有點(diǎn)長內(nèi)容也有點(diǎn)多，但是核心是這句話：

req.setHeader("Accept", "application/json");

這樣的話，我們只需要在我們的服務(wù)端一判斷，

if(req.headers['Accept'] == 'application/json') {
     //do something
 };

這樣就可以返回?cái)?shù)據(jù)了

CoAP Server端代碼

Server端的代碼比較簡單，判斷一下

if (req.headers['Accept'] == 'application/json') {
        parse_url(req.url, function(result){
            res.end(result);
        });
        res.code = '2.05';
    }

請求的是否是JSON格式，再返回一個(gè)205，也就是Content，只是這時(shí)設(shè)計(jì)是請求一個(gè)URL返回對應(yīng)的數(shù)據(jù)。如

coap://localhost/id/1/

這時(shí)應(yīng)該請求的是ID為1的數(shù)據(jù)，即

[ { id: 1, value: 'is id 1', sensors1: 19, sensors2: 20 }]

而parse_url只是從數(shù)據(jù)庫從讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

function parse_url(url ,callback) {
    var db = new sqlite3.Database(config["db_name"]);
    var result = [];
    db.all("SELECT * FROM basic;", function(err, rows) {
        callback(JSON.stringify(rows));
    })
}

并且全部都顯示出來，設(shè)計(jì)得真是有點(diǎn)不行，不過現(xiàn)在已經(jīng)差不多了。

17.6　使用IoT-CoAP構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)

(注意：windows系統(tǒng)npm install失敗時(shí)，需要自己建立一個(gè)C:\Documents and Settings[USERNAME]\Application Data\npm 文件)

npm install iot-coap

1.新建index.js

注意: 如果已經(jīng)存在一個(gè)index.js文件，請將下面內(nèi)容添加到文件末尾(create index.js, and add)

var iotcoap         = require('iot-coap');

iotcoap.run();
iotcoap.rest.run();

注意:在db配置可以選擇mongodb和sqlite3，替換所需要的數(shù)據(jù)庫即可。(you can choice db on iot.js with 'sqlite' or 'mongodb')

2.創(chuàng)建iot.js

exports.config  = {
    "db_name": "iot.db",
    "mongodb_name": "iot",
    "mongodb_documents": "iot",
    "db": "mongodb",
    "table_name": "basic",
    "keys":[
        "id",
        "value",
        "sensors1",
        "sensors2"
    ],
    "db_table": "id integer primary key, value text, sensors1 float, sensors2 float",
    "mongodb_init":[
        {
            id: 1,
            value: "is id 1",
            sensors1: 19,
            sensors2: 20
        },
        {
            id: 2,
            value: "is id 2",
            sensors1: 20,
            sensors2: 21
        }
    ],
    "init_table":[
        "insert or replace into basic (id,value,sensors1,sensors2) VALUES (1, 'is id 1', 19, 20);",
        "insert or replace into basic (id,value,sensors1,sensors2) VALUES (2, 'is id 2', 20, 21);"
    ],
    "query_table":"select * from basic;",
    "rest_url": "/id/:id",
    "rest_post_url": "/",
    "rest_port": 8848
};

3.運(yùn)行(run)

node index.js

show:

coap listening at coap://0.0.0.0:5683
restify listening at http://0.0.0.0:8848

以上內(nèi)容是否對您有幫助：

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18 簡單物聯(lián)網(wǎng) →

寫筆記

我要補(bǔ)充

17 構(gòu)建基于CoAP協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

構(gòu)建基于CoAP協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

17.1 CoAP: 嵌入式系統(tǒng)的REST

17.2 CoAP 命令行工具

17.2.1 Node CoAP CLI

17.2.1.1 CoAP命令行

17.2.2 libcoap

17.2.2.1 mac os libcoap安裝

17.2.2.2 Ubuntu libcoap安裝

17.2.2.3 Windows libcoap安裝

17.2.3 Firefox Copper

17.3 CoAP Hello,World

17.3 CoAP 數(shù)據(jù)庫查詢

17.3.1 Node Module

17.3.2 Node-Sqlite3

17.3.3 查詢數(shù)據(jù)

17.4 CoAP Block

17.4.1 CoAP POST

17.4.2 CoAP Content Types

17.5 CoAP JSON

17.6 使用IoT-CoAP構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)