STM32 CoAP 协议

介绍

CoAP（Constrained Application Protocol，受限应用协议）是一种专为物联网（IoT）设备设计的轻量级通信协议。它基于 RESTful 架构，类似于 HTTP，但更适合资源受限的设备，如 STM32 微控制器。CoAP 使用 UDP 作为传输层协议，具有低开销、低功耗的特点，非常适合在低带宽、低功耗的物联网环境中使用。

在本教程中，我们将学习如何在 STM32 上实现 CoAP 协议，并通过实际案例展示其应用。

CoAP 协议基础

CoAP 消息结构

CoAP 消息由以下几个部分组成：

1. Header：包含版本、消息类型、令牌长度、代码和消息 ID。
2. Token：用于匹配请求和响应。
3. Options：包含 URI、内容格式等信息。
4. Payload：实际的数据内容。

CoAP 请求方法

CoAP 支持以下请求方法：

• GET：获取资源。
• POST：创建或更新资源。
• PUT：更新资源。
• DELETE：删除资源。

CoAP 响应代码

CoAP 响应代码类似于 HTTP 状态码，例如：

• 2.xx：成功响应。
• 4.xx：客户端错误。
• 5.xx：服务器错误。

在 STM32 上实现 CoAP

硬件要求

• STM32 开发板（如 STM32F4 Discovery）
• 以太网模块或 Wi-Fi 模块（如 ESP8266）

软件要求

• STM32CubeMX
• STM32 HAL 库
• CoAP 库（如 libcoap）

配置 STM32CubeMX

1. 打开 STM32CubeMX 并创建一个新项目。
2. 配置时钟和 GPIO。
3. 配置以太网或 Wi-Fi 模块。
4. 生成代码并打开项目。

集成 CoAP 库

1. 下载并解压 libcoap 库。
2. 将库文件添加到 STM32 项目中。
3. 在 main.c 中包含 CoAP 头文件：

c

#include "coap.h"

编写 CoAP 客户端代码

以下是一个简单的 CoAP 客户端代码示例，用于向服务器发送 GET 请求：

c

void coap_client_example() {
    coap_context_t *ctx = coap_new_context(NULL);
    if (!ctx) {
        printf("Failed to create CoAP context\n");
        return;
    }

    coap_address_t dst;
    coap_address_init(&dst);
    dst.addr.sin.sin_family = AF_INET;
    dst.addr.sin.sin_port = htons(5683);
    inet_pton(AF_INET, "192.168.1.100", &dst.addr.sin.sin_addr);

    coap_pdu_t *pdu = coap_new_pdu();
    if (!pdu) {
        printf("Failed to create CoAP PDU\n");
        return;
    }

    pdu->type = COAP_MESSAGE_CON;
    pdu->tid = coap_new_message_id(ctx);
    pdu->code = COAP_REQUEST_GET;

    coap_add_option(pdu, COAP_OPTION_URI_PATH, 5, (uint8_t *)"hello");

    coap_send(ctx, &dst, pdu);

    coap_free_context(ctx);
}

编写 CoAP 服务器代码

以下是一个简单的 CoAP 服务器代码示例，用于响应 GET 请求：

c

void coap_server_example() {
    coap_context_t *ctx = coap_new_context(NULL);
    if (!ctx) {
        printf("Failed to create CoAP context\n");
        return;
    }

    coap_address_t addr;
    coap_address_init(&addr);
    addr.addr.sin.sin_family = AF_INET;
    addr.addr.sin.sin_port = htons(5683);
    addr.addr.sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    coap_endpoint_t *endpoint = coap_new_endpoint(ctx, &addr, COAP_PROTO_UDP);
    if (!endpoint) {
        printf("Failed to create CoAP endpoint\n");
        return;
    }

    coap_register_handler(ctx, COAP_REQUEST_GET, handle_get_request);

    while (1) {
        coap_run_once(ctx, 1000);
    }

    coap_free_context(ctx);
}

void handle_get_request(coap_context_t *ctx, coap_pdu_t *request, coap_address_t *src) {
    coap_pdu_t *response = coap_new_pdu();
    if (!response) {
        printf("Failed to create CoAP response\n");
        return;
    }

    response->type = COAP_MESSAGE_ACK;
    response->tid = request->tid;
    response->code = COAP_RESPONSE_CODE(205);

    const char *payload = "Hello, CoAP!";
    coap_add_data(response, strlen(payload), (uint8_t *)payload);

    coap_send(ctx, src, response);
}

实际案例：智能家居传感器

假设我们有一个智能家居系统，其中包含多个传感器（如温度传感器、湿度传感器）。我们可以使用 CoAP 协议来实现传感器数据的采集和传输。

1. 传感器节点：每个传感器节点运行一个 CoAP 服务器，提供传感器数据。
2. 网关节点：网关节点运行一个 CoAP 客户端，定期从传感器节点获取数据，并将其发送到云端。

传感器节点代码

c

void sensor_node() {
    coap_context_t *ctx = coap_new_context(NULL);
    if (!ctx) {
        printf("Failed to create CoAP context\n");
        return;
    }

    coap_address_t addr;
    coap_address_init(&addr);
    addr.addr.sin.sin_family = AF_INET;
    addr.addr.sin.sin_port = htons(5683);
    addr.addr.sin.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    coap_endpoint_t *endpoint = coap_new_endpoint(ctx, &addr, COAP_PROTO_UDP);
    if (!endpoint) {
        printf("Failed to create CoAP endpoint\n");
        return;
    }

    coap_register_handler(ctx, COAP_REQUEST_GET, handle_sensor_request);

    while (1) {
        coap_run_once(ctx, 1000);
    }

    coap_free_context(ctx);
}

void handle_sensor_request(coap_context_t *ctx, coap_pdu_t *request, coap_address_t *src) {
    coap_pdu_t *response = coap_new_pdu();
    if (!response) {
        printf("Failed to create CoAP response\n");
        return;
    }

    response->type = COAP_MESSAGE_ACK;
    response->tid = request->tid;
    response->code = COAP_RESPONSE_CODE(205);

    float temperature = read_temperature();
    char payload[32];
    snprintf(payload, sizeof(payload), "Temperature: %.2f C", temperature);
    coap_add_data(response, strlen(payload), (uint8_t *)payload);

    coap_send(ctx, src, response);
}

网关节点代码

c

void gateway_node() {
    coap_context_t *ctx = coap_new_context(NULL);
    if (!ctx) {
        printf("Failed to create CoAP context\n");
        return;
    }

    coap_address_t dst;
    coap_address_init(&dst);
    dst.addr.sin.sin_family = AF_INET;
    dst.addr.sin.sin_port = htons(5683);
    inet_pton(AF_INET, "192.168.1.101", &dst.addr.sin.sin_addr);

    while (1) {
        coap_pdu_t *pdu = coap_new_pdu();
        if (!pdu) {
            printf("Failed to create CoAP PDU\n");
            return;
        }

        pdu->type = COAP_MESSAGE_CON;
        pdu->tid = coap_new_message_id(ctx);
        pdu->code = COAP_REQUEST_GET;

        coap_add_option(pdu, COAP_OPTION_URI_PATH, 5, (uint8_t *)"temperature");

        coap_send(ctx, &dst, pdu);

        coap_run_once(ctx, 1000);
    }

    coap_free_context(ctx);
}

总结

在本教程中，我们学习了如何在 STM32 上实现 CoAP 协议，并通过实际案例展示了其在智能家居系统中的应用。CoAP 是一种轻量级的通信协议，非常适合资源受限的物联网设备。通过本教程，您应该能够在自己的 STM32 项目中实现 CoAP 协议，并将其应用于各种物联网场景。

附加资源

• libcoap 官方文档
• CoAP RFC 7252
• STM32CubeMX 用户手册

练习

1. 修改传感器节点代码，使其支持湿度传感器的数据采集。
2. 在网关节点代码中，添加对多个传感器节点的支持，并定期从每个节点获取数据。
3. 尝试使用 CoAP 的观察者模式，实现传感器数据的实时更新。

提示

在实现 CoAP 协议时，务必注意内存管理和网络稳定性，以确保系统的可靠性和性能。