论文研究-基于CoAP协议的智能家居功耗监控系统的通信机制设计与实现 .pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.79M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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5 10 15 20 25 30 35 40 中国科技论文在线基于 CoAP 协议的智能家居功耗监控系统的 http://www.paper.edu.cn 通信机制设计与实现迟瑶，李慧** （北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）摘要：物联网技术的进步推动了智能家庭网络的进一步发展与应用。同时，受限应用协议 (CoAP)为受限网络环境及设备提供了低开销、低功耗的 Web 服务，从而促进了智能设备与 Web 的融合。本文简要介绍并实现了 CoAP 协议，突出强调了 CoAP 协议相对于 HTTP 协议在传输效率和功率损耗上的性能优势。同时针对资源受限的智能家庭网络中的信息交互问题，提出并实现了一种基于 CoAP 协议的智能家居功耗监控系统通信机制，描述了系统的主要模块和功能。最后，在该系统平台进行两种协议的性能测试，测试验证 CoAP 协议在受限网络中的优势。关键词：智能家庭网络；CoAP；资源受限；节能中图分类号：TN915.5 Design and implementation of the communication mechanism of intelligent home surveillance system based on CoAP CHI Yao, LI Hui (Beijing University of Posts and Telecommunications Information and Communication Engineering Academy, Beijing 100876) Abstract: The development and applications of Intelligent Home Networks has been promoted by Internet of Things. Meanwhile, the Constrained Application Protocol (CoAP) has made it possible to provide resource constrained devices with very low overhead and low power consumption web service functionalities and consequently to integrate smart objects with the web. It describes CoAP, highlights the main differences with HTTP in performance. The paper also describes the design and development of the communication mechanism of intelligent home energy surveillance system implemented CoAP and HTTP application, and describes the main modules and functionalities of the system. At last, it reports the results of an experiment showing the benefits of CoAP in terms of overhead and transmission efficiency compared to HTTP in constrained networks. Keywords: Intelligent home network; CoAP; Resource constrained; Energy Saving 0 引言物联网被视为继计算机技术、互联网技术之后信息技术的第三次革命。欧盟委员会认为，物联网的发展应用将在未来 5～15 年中为解决现代社会问题带来极大贡献。2009 年以来，一些发达国家纷纷出台物联网发展计划，进行相关技术和产业的前瞻布局[1]。我国也将物联网作为战略性的新兴产业予以重点关注和推进，而智能家居作为物联网的重要应用，也得到了政府的全力支持，信息家电市场百花齐放，家庭网关及控制产品层出不穷。由于智能家居和物联网涉及的行业较为广泛，各行业之间、用户之间有较强的相对独立性，使得基于物联网的智能家居在现有的构架下，没有统一的标准可以遵循，终端和网络配合欠佳、重复开发现象严重、行业用户开发和维护成本居高不下、各类应用无法有效管理等问题，制约了智能家居的快速推广和规模化发展[2]。智能家居系统的可集成性是建立在系统的开发性基础之上作者简介：迟瑶，（1987-），女，硕士研究生，主要研究方向：通信与信息系统。通信联系人：李慧，（1978-），女，硕士生导师，主要研究方向：智能家庭网络. E-mail: lihui@bupt.edu.cn - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 的，这就要求系统所采用的协议必须有广泛的产品支持，因此需要推行统一标准的协议来规范市场。 45 50 55 60 65 70 75 智能家庭网络中的信息家电、控制设备、通信设备等都具有低成本、轻量级的特点和要求，因此局域网络(TCP/IP)和轻量级 IPv6 是未来的家庭网络的主要通讯协议，与常规的网络标准基本统一。 2010 年 3 月，属于 IETF 应用领域的 CoRE (Constrained RESTful Environment)工作组正式成立，为受限节点制定相关的 REST(Representational State Transfer)形式的应用层协议。 HTTP 协议就是一个典型的符合 REST 准则的协议。在资源受限的传感器网络中，HTTP 过于复杂，开销过大，因此也需要设计一种符合 REST 准则的协议，这就是 CoRE 工作组正在制订的 CoAP 协议(Constrained Application Protocol) [3]。 1 CoAP 协议 CoAP 是一种面向网络的协议，采用了与 HTTP 类似的特征，核心内容为资源抽象、REST 式交互以及可扩展的头选项等。这些关键特征使得因特网由简单的文档检索机制(World Wide Web)演进成为现在繁荣的应用平台(Web 2.0) [4]。HTTP 作为 IETF 成功长期采用的标准，可以用较小的脚本程序来融合不同的资源和服务。它提供的互操作性正是物联网的关键讨论内容，从而 HTTP 被推向设备层面。但是由于 HTTP 基于 TCP 传输协议，采用点对点的通信模型，不适合于推送通知服务，而且对于受限设备（如 8-bit 微处理器）HTTP 过于复杂。 CoAP 协议基于 REST 构架，REST 是指表述性状态转换架构，是互联网资源访问协议的一般性设计风格。为了克服 HTTP 对于受限环境的劣势，CoAP 既考虑到数据报长度的最优化，又考虑到提供可靠通信。一方面，CoAP 提供 URI，REST 式的方法如 GET，POST， PUT 和 DELETE，以及可以独立定义的头选项提供的可扩展性[5]。另一方面，CoAP 基于轻量级的 UDP 协议，并且允许 IP 多播。而组通信是物联网最重要的需求之一，比如说用于自动化应用中。为了弥补 UDP 传输的不可靠性，CoAP 定义了带有重传机制的事务处理机制。并且提供资源发现机制，并带有资源描述[6]。 HTTP TCP IP Request/Response Transaction UDP 6LoWPAN CoAP 图 1 HTTP 和 CoAP 的协议栈 Figure.1 HTTP and CoAP protocol stacks CoAP 协议不是盲目的压缩了 HTTP 协议，考虑到资源受限设备的低处理能力和低功耗限制，CoAP 重新设计了 HTTP 的部分功能以适应设备的约束条件。另外，为了使协议适应物联网和 M2M 应用，CoAP 协议改进了一些机制，同时增加了一些功能。图 1 显示了 HTTP 和 CoAP 的协议栈。CoAP 和 HTTP 在传输层有明显的区别。HTTP 协议的传输层采用了 TCP 协议，而 CoAP 协议的传输层使用 UDP 协议，开销明显降低，并支持多播。 CoAP 协议采用了双层的结构。事务层(Transaction layer)处理节点间的信息交换，同时， - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 80 也提供对多播和拥塞控制的支持。请求/响应层(Request/Response layer)用以传输对资源进行操作的请求和相应信息。CoAP 协议的 REST 构架基于该层的通信，REST 请求附在一个 CON 或者 NON 消息上，而 REST 响应附在匹配的 ACK 消息上[3]。CoAP 的双层处理方式，使得 CoAP 没有采用 TCP 协议，也可以提供可靠的传输机制。利用默认的定时器和指数增长的重传间隔时间实现 CON 消息的重传，直到接收方发出确认消息。另外，CoAP 的双层处理方式支持异步通信，这是物联网和 M2M 应用的关键需求之一。 85 作者使用 C++语言实现了 CoAP 协议并应用于智能家居功耗监控系统中，并进行了与 HTTP 协议的分析比较。下面一节将具体描述智能家居功耗监控系统的搭建。 2 基于 CoAP 的智能家居功耗监控系统家庭网络中设备的能耗监测和控制是家庭控制网络提供的重要基本功能之一。传统能耗监测一般使用电表测量，家庭住宅通常一户一块，大型公建通常安装 1～3 块，仅能提供总用电量数据，供计费使用，没有各设备的分项能耗数据，而公共建筑的分项能耗数据都是通过能耗费用账单和各种设备列表、运行记录等资料计算得到，能耗数据准确度参差不齐。智能家居功耗监控系统(IHESS, Intelligent Home Energy Surveillance System)采用智能插座管理和监测用电设备，为用户提供独立设备的电压、电流、电功率、用电量等电能信息。通过对网络内各设备的实时监控，从而有针对性的实现设备能耗监测和动态节能、事故预警、异常处理、远程开关控制等智能化管理控制。智能家居功耗监控系统的结构如图 2 所示。每个数据采集节点上都运行有 CoAP Client，可以和其他安装有 CoAP Client 的节点和服务器进行信息交换，CoAP Server 安装在该局域网内、因特网上均可[7]，本系统中 CoAP Server 运行于控制服务器上。控制服务器起到类似于网关的作用，并提供 CoAP 协议的最重要的功能之一：CoAP 协议与 HTTP 协议之间的转换。 90 95 100 105 110 图 2 基于 CoRE 构架的智能家居功耗监控系统 Figure.2 CoRE architecture: Intelligent Home Energy Surveillance System 图 3 为智能家居功耗监控系统的一种具体实现案例，如图所示，数据采集节点由一组智能插座、无线数据采集模块和一台 Proxy 构成。用电设备的能耗信息和环境信息通过分布于室内的智能插座采集，由无线信道传送至数据采集模块，并向采集代理发送串口数据，进行数据处理及格式封装后，完成整个数据采集过程，将数据发送到系统的控制服务器上，经过数据解析将各项数据存储在数据库中。系统将家庭网络与因特网整合，用户可以通过 Web 方式访问系统页面，以远程方式对设备进行能耗查询、配置管理、分时计费、开关控制等操作。同时，系统检测设备的运行状态和环境情况，对异常情况进行智能分析和自动处理，如检测到电流电压异常、温度过高等自动关闭相应设备，实现家庭网络的智能化管理[8]。 - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 3 系统组网图 Figure.3 IHES System Networking 115 120 系统中应用了 CoAP 协议模块，具体的模块设计如图 4 所示。CoAP 模块按照协议中的规定，将发送模块和接收模块分别由两层子模块实现。通过两层的设计来实现同步和异步的事务分发处理。目前系统中应用的 CoAP 通信模块已包含该协议的很多关键功能，例如消息格式、方法码、响应码、选项字段和 URI，但是如异步事务、拥塞控制等重要功能还需要进一步的开发。图 4 CoAP 模块设计 Figure.4 Design of CoAP implementation module 125 3 CoAP 协议性能测试分析为了评估 CoAP 协议对比 HTTP 协议的性能提高，本文做了一个性能比较测试实验，分别在基于 CoAP C/S 通信方式和基于 HTTP C/S 通信方式的智能家居功耗监控系统中，产生一系列 Web 服务请求。作者将实现的 CoAP 服务器模块程序运行在控制服务器上，传输层 - 4 -

130 135 140 145 150 155 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 采用 UDP 协议，应用层采用 CoAP 协议。CoAP 客户模块程序运行在各个数据采集节点上。 HTTP 服务器和客户程序利用.NET 类库中的相关方法实现，相应的分别运行于控制服务器和数据采集节点上。在两个实验中，数据采集节点每 5 分钟向服务器上报一条设备信息，客户发送的请求消息均以目前广泛应用的 XML (Extensible Markup Language)文件格式封装，请求消息的每条信息中可包含多个设备的实时信息。 CoAP 请求使用如下格式：POST coap://[]:/readings，其中 proxy_ip_address 是数据采集节点中代理的 ip 地址，port_number 是它的端口号，readings 是该数据采集节点请求服务器接受的附在请求后面的数据信息（在该实验中即提交的设备实时信息）。 HTTP 请求的格式如下：POST http://[]:/readings，这里的参数含义与使用 CoAP 时相同。控制服务器接收到提交的设备数据信息后，将 XML 文件的各标签内容提取并存入数据库服务器中，供 Web 服务器查询使用。本文使用 wireshark 网络包分析工具监测和抓取智能家居能耗监控系统中数据采集节点和控制服务器间的网络流量，分别获得 CoAP 方式和 HTTP 方式完成每个事务（数据信息提交）所传输的字节数量，数据报文段个数，以及事务处理时间。抓取的包内容如图 5 所示。 Figure.5 Example of package captured results with CoAP and HTTP 图 5 CoAP 和 HTTP 抓包示例图 5 显示的示例为系统完成一次数据上报的设备信息主要数据的抓包结果，上图中可看出基于 CoAP C/S 通信方式时，传输采用的端口为 CoAP 的默认端口(5683)，总包长约为 1250 bytes。而基于 HTTP C/S 通信方式时，数据包总长度约为 4500 bytes。由于 CoAP 使用 4 字节定长报头，所以能够计算出示例中系统上报数据长度为 1203 bytes。表 1 CoAP 和 HTTP 的对比结果 Tab. 1 Comparison between CoAP and HTTP Bytes/transaction Packet Number 1290 6500 2 6 Time/transaction(s) 0.0669 0.2373 - 5 - 协议 CoAP/UDP HTTP/TCP 表 1 阐述了 CoAP 和 HTTP 的对比结果。一个 HTTP 事务的字节长度约是 CoAP 事务字节长度的 5 倍，这是 CoAP 执行了典型的数据报头压缩的结果。如本文第二部分所阐述的，

160 165 170 175 180 185 190 195 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn CoAP 使用一个 4 字节的定长紧凑型二进制数据报头，一个典型的请求的总数据报头长度大约有 10-20 字节。经 UDP、IP 和 MAC 层的封装，一个 CoAP 包可以转换成单独的 MAC 帧。在本次测试试验中，CoAP 采用 UDP 作为传输层协议，利用自身的 CON 方法（需要确认）来确保信息不会中途丢失，因此完成每个事务只需要 2 个数据报。而 HTTP 采用 TCP 作为下层协议，完成每次事务都要进行 TCP 的连接确认和关闭等程序，每完成一次事务都需要传送 6 个报文段。从而数据处理需要的时间较长，由表 1 可以看出，HTTP 完成每次事务的平均处理时间约为 CoAP 的 3.5 倍。每次提交的 XML 格式设备数据信息长度平均约为 1200 bytes，很明显采用 HTTP 协议所产生的开销要高得多。另外，由于发送 HTTP 事务的字节数大，这意味着以 HTTP 方式通信，数据采集节点的收发器和服务器的 CPU 工作的强度要更高，由此也导致了更高的功率损耗。 CoAP 协议中采用 UDP 为底层协议和头压缩改善了智能家庭网络中采集节点的数据传输效率，并减少了功率损耗。HTTP 协议的开销对于短期处理来说过高，不支持组通信，同时，其传输层 TCP 协议的流量控制机制也并不适合于这种低功耗的网络。 4 结论本文给出了一种智能家庭网络通信机制，它应用了 IETF 提出的 CoAP 协议，使家庭网络与 Web 更好的融合。CoAP 协议提供了一种适合于低功耗有损网络的 REST 形式的通信方式，它提供与 HTTP 协议相同的资源操控方法，另外，还支持物联网和 M2M 应用的典型功能，例如多播、异步通信和订阅功能。本文还给出了基于该机制的智能家庭网络功耗监控系统的组网方式，该应用案例允许用户通过 Web 浏览器智能化的管理家庭网络设备、查询独立设备能耗信息和运行状况。本文在此实际功耗监控系统平台的基础上通过实验进行 CoAP 与 HTTP 的性能对比测试。与 HTTP 不同，CoAP 建立在 UDP 传输层协议之上，数据包开销很小，处理时间较短。本文说明了通过 UDP 的底层协议支持及包开销的压缩，系统的数据传输效率有了显著的提高，同时功率损耗也随之降低。 [参考文献] (References) [1] 孙其博，刘杰，黎羴，范春晓，孙娟娟. 物联网：概念、构架与关键技术研究综述[J]. 北京邮电大学学报，2010,33（3）：1-9. [2] 张云勇，房秉毅. 基于物联网的智能家居技术标准化现状及发展建议[J]. 移动通信，2010,34（15）：25-29. [3] Zach Shelby, K Hartke, C Bormann. Constrained Application Protocol (CoAP) draft-ietf-core-coap-07[OL]. [2011-7-8].draft-ietf-core-coap-07 [4] Matthias Kovatsch. Demo Abstract: Human-CoAP Interaction with Copper[A]. The 7th IEEE International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS2011)[C]. Barcelona, Spain. June 27-29, 2011. 1-2. [5] Zach Shelby. Embedded Web Services[J]. IEEE Wireless Communications, 2010, 17(6): 52-57. [6] Zach Shelby. CoRE Link Format[OL].[2011-7-25]. draft-ietf-core-link-format-07 [7] M Porcius, C Fortuna, G Kandus, M Mohorcic. Integrating Custom Hardware into Sensor Web[A]. 2010 International Conference on Software, Telecommunications and Computer (SoftCOM)[C]. Bolivia. 2010. 346-350. [8] 北京邮电大学.智能表计平台实验系统阶段报告[R]. 北京：北京邮电大学，2011. - 6 -

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