基于CoAP协议的数据采集系统设计与实现

摘要

近年来，呼伦湖流域生态面临着严峻的挑战，生态环境相当脆弱。针对呼伦湖流域环境大数据采集的需求，本文研究设计了一种基于CoAP协议的数据采集系统，具有兼容性好、数据传输效率高的特点。
　　文章详细分析了CoAP协议的基本原理以及实现方法，对CoAP协议的请求/响应模型、数据包格式、报文传输机制等方面进行了详细地分析，提出了RT-Thread操作系统下CoAP协议的实现方法，包括CoAP数据包结构、相关接口函数和实现流程。设计了一个完整的数据采集系统，包括传感器节点、CoAP网关节点、数据中心三部分，本文以传感器节点和CoAP网关节点为研究重点。传感器节点负责环境数据采集工作，CoAP网关节点汇聚传感器数据，并以CoAP报文形式上传至数据中心，实现呼伦湖环境数据的远程采集与网络共享。本课题完成了传感器节点和CoAP网关节点的软硬件设计。传感器节点以STM32F103单片机作为核心控制器，扩展了温湿度、光照度等传感器接口电路。CoAP网关节点以STM32F407芯片作为核心控制器，通过RMII接口扩展了以太网接口电路，接入互联网。传感器节点与CoAP网关节点之间通过ZigBee无线组网方式实现数据通信。以RT-Thread实时操作系统为软件开发平台，完成了传感器节点和CoAP网关节点的软件设计，给出了软件系统中传感器数据采集、ZigBee数据通信以及 CoAP客户端协议等主要软件模块的详细设计，绘制了线程关系顺序图以及主要的流程图。CoAP报文负载采用了JSON数据格式，增强了CoAP报文的解析性。
　　本课题实现了一个包括1个传感器节点和1个CoAP网关节点的演示系统，对数据采集、数据汇聚、CoAP报文上传等环节进行了测试，实验结果表明，系统整体运行效果较好，具有网络数据传输数据量小的特点。

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1 绪论

1.1 课题背景

1.2 物联网体系结构

1.3 传感器节点研究现状

1.4 传感器网关研究现状

1.5 物联网协议介绍

1.6 选题的目的和意义

1.7 论文结构

2 基于CoAP协议的数据采集系统总体结构

2.1 基于CoAP协议的数据采集系统的需求分析

2.2 传感器节点设计方案

2.3 CoAP网关节点设计方案

2.4 网关协议选择

2.5 本章小结

3 CoAP协议原理及实现

3.1 CoAP简单介绍

3.2 CoAP消息传递模型

3.3 CoAP请求/响应模型

3.4 CoAP报文格式

3.5 CoAP报文传输

3.6 报文关联与重复报文处理

3.7 CoAP实现

3.8 本章小结

4 基于CoAP数据采集系统硬件设计

4.1 传感器节点硬件设计

4.2 CoAP网关节点硬件设计

4.3 DRF1605H无线传输模块

4.4 本章小结

5 软件设计

5.1 RT-Thread实时操作系统

5.2 传感器节点与CoAP网关节点数据交互

5.3 传感器节点系统软件设计

5.4 CoAP网关节点系统软件设计

5.5 本章小结

6 系统调试

结论

参考文献

附录A 传感器节点硬件设计原理图

附录B CoAP网关节点硬件设计原理图

在学研究成果

致谢