9.6 综合测试
下面我们为微型物联网系统做一轮综合测试，通过综合测试验证功能是否符合设计需求。
9.6.1 启动微型物联网系统
在树莓派启动Web服务器和CoAP服务器，在控制台中输入以下指令：
# 启动Web服务器和CoAP服务器
node app.js
# 控制台输出
Http Server Listening on :0.0.0.0:8090 CoAP Server Listening on :0.0.0.0:5683
9.6.2 增加模拟数据
为了更好地测试微型物联网系统，可以通过test文件夹中的post_sensor_data.js脚本向CoAP服务器插入更多的模拟数据。
9.6.3 访问默认设备
在浏览器地址栏中输入树莓派的IP地址和服务端口号，此处树莓派的IP地址为192.168.0.6，服务端口号为8090，在浏览器中输入“192.168.0.6：8090”，具体结果如图9-11所示。
图9-11 访问默认设备
虽然在URL中并没有指定设备编号，但是HTTP服务器依然返回了默认设备12CD的部分历史记录。
9.6.4 使用分页功能
由于12CD设备的传感器记录较多，所以Bootstrap-table采用分页显示的方式展现历史记录，默认情况下每页显示10条记录，用户可选择网页右下角的页码查看其他历史记录，分页查询结果如图9-12所示。
图9-12 使用分页功能
9.6.5 访问其他设备
选择左侧的设备列表中的其他项可查看其他设备的历史记录，假如选择CD12设备，那么页面将会跳转至/devices/CD12/page。跳转之后的结果如图9-13所示。
图9-13 访问其他设备
9.7 本章小结
开发完整的物联网系统是一个复杂而艰巨的工作，本章试图展现物联网系统的开发流程，更多的实现细节和调试经验仍需要读者在具体实践过程中不断积累。总的来说，物联网系统的开发流程和互联网系统并没有本质的区别，物联网系统同样具备数据库、Web前端和Web后端，此处的微型物联网系统仅仅增加了CoAP接口。CoAP接口相比于HTTP接口显得较为轻量，更适合那些低功耗受限制设备实用。在Web开发领域，同时掌握Web前端和Web后端开发技能的工程师称为“全栈工程师”。但在物联网开发领域，物联网工程师除了要掌握必要的Web前端和后端开发技能之外，还需要掌握良好的嵌入式开发技能，第10章将详细说明如何使一个低功耗受限制设备“接入”微型物联网系统。
第10章 微型物联网系统——设备部分
10.1 本章主要内容
微型物联网系统不仅包括服务器部分的具体实现，也包括设备部分的具体实现。第9章我们已经完成了服务器部分的开发工作，本章我们将继续推进设备部分的开发工作。在物联网系统中，终端设备的开发方式多种多样，可采用Arduino这样的小型MCU设备，也可使用树莓派这样Linux设备。无论如何设备需要具备连接网络的能力才可以实现CoAP客户端功能。CoAP设计的宗旨便是让低功耗受限制设备能够连接网络，所以本章试图在Contiki操作系统的支持下实现一个完整的CoAP应用。本章的主要内容包括：
·SensorTag简介。
·Contiki操作系统的基本使用方法。
·纯IPv6终端节点如何访问IPv4应用。
·SensorTag实现CoAP客户端，并向CoAP服务器推送传感器数据。
经过本章的学习，我们将完成一个较为完整的物联网系统。相比于Web开发，嵌入式设备的开发要更加复杂一些，开发过程的步骤也更多一些，所以对本章的学习需要很大的耐心。
10.2 设备与网络结构说明
10.2.1 设备说明
除了在其他章节多次出现的树莓派之外，本例中还使用了另外两个设备：SensorTag/CC2650和CC2538。SensorTag是德州仪器推出的CC2650开发套件，该套件具有多种不同的传感器，其核心MCU为CC2650。而CC2650是新一代无线SoC，同时具有BLE和IEEE 802.15.4两种无线传输功能，SensorTag是本例的“主角”。
更多关于SensorTag和CC2650的内容请参考德州仪器官方网站：
·SensorTag：http://processors.wiki.ti.com/index.php/CC2650_SensorTag_User's_Guide
·CC2650：http://www.ti.com.cn/product/cn/CC2650
除了“主角”SensorTag之外，本例还包括它的“好帮手”CC2538。CC2538是一款符合IEEE 802.15.4标准的无线SoC，虽然与CC2650型号不同，但在2.4G频段中两者可以进行正常的无线通信。CC2538DK是德州仪器推出的CC2538开发套件之一，但是随着CC2538的流行也可以在其他平台购买到与CC2538DK兼容的CC2538开发套件。
更多关于CC2538和CC2538DK的内容请参考德州仪器官方网站：
·CC2538：http://www.ti.com.cn/product/cn/CC2538
·CC2538DK：http://www.ti.com.cn/tool/cn/cc2538dk
SensorTag与CC2538开发板的实际外观如图10-1所示，CC2538开发板与德州仪器推出的CC2538DK保持兼容。
图10-1 SensorTag与CC2538外观
1.SensorTag/CC2650
本章示例中并没有使用SensorTag的所有功能，而仅使用了SensorTag中的温湿度传感器HDC1000、光照传感器OPT3001和UART、LED、按键等基本功能。其中SensorTag的UART功能主要用于调试，LED将指示SensorTag工作状态，按键功能将触发SensorTag执行具体工作，SensorTag的交互能力非常有限，但是对于一个物联网设备来说这些已经足够了。关于HDC1000和OPT3001这两个传感器的更多内容请参考德州仪器官方网站：
·HDC1000：http://www.ti.com.cn/product/cn/HDC1000
·OPT3001：http://www.ti.com.cn/product/cn/OPT3001
SensorTag/CC2650的结构示意图如图10-2所示。
图10-2 SensorTag/CC2650结构示意图
2.CC2538开发板
与SensorTag相似，CC2538开发板也具有多种功能，但是本章示例中CC2538仅作为Slip-Radio使用，也就是说本例仅使用了CC2538的无线功能和串口功能，CC2538将作为SensorTag连接传统网络的重要“桥梁”。CC2538开发板的结构示意图如图10-3所示。
图10-3 CC2538DK结构示意图
10.2 设备与网络结构说明
10.2.1 设备说明
除了在其他章节多次出现的树莓派之外，本例中还使用了另外两个设备：SensorTag/CC2650和CC2538。SensorTag是德州仪器推出的CC2650开发套件，该套件具有多种不同的传感器，其核心MCU为CC2650。而CC2650是新一代无线SoC，同时具有BLE和IEEE 802.15.4两种无线传输功能，SensorTag是本例的“主角”。
更多关于SensorTag和CC2650的内容请参考德州仪器官方网站：
·SensorTag：http://processors.wiki.ti.com/index.php/CC2650_SensorTag_User's_Guide
·CC2650：http://www.ti.com.cn/product/cn/CC2650
除了“主角”SensorTag之外，本例还包括它的“好帮手”CC2538。CC2538是一款符合IEEE 802.15.4标准的无线SoC，虽然与CC2650型号不同，但在2.4G频段中两者可以进行正常的无线通信。CC2538DK是德州仪器推出的CC2538开发套件之一，但是随着CC2538的流行也可以在其他平台购买到与CC2538DK兼容的CC2538开发套件。
更多关于CC2538和CC2538DK的内容请参考德州仪器官方网站：
·CC2538：http://www.ti.com.cn/product/cn/CC2538
·CC2538DK：http://www.ti.com.cn/tool/cn/cc2538dk
SensorTag与CC2538开发板的实际外观如图10-1所示，CC2538开发板与德州仪器推出的CC2538DK保持兼容。
图10-1 SensorTag与CC2538外观
1.SensorTag/CC2650
本章示例中并没有使用SensorTag的所有功能，而仅使用了SensorTag中的温湿度传感器HDC1000、光照传感器OPT3001和UART、LED、按键等基本功能。其中SensorTag的UART功能主要用于调试，LED将指示SensorTag工作状态，按键功能将触发SensorTag执行具体工作，SensorTag的交互能力非常有限，但是对于一个物联网设备来说这些已经足够了。关于HDC1000和OPT3001这两个传感器的更多内容请参考德州仪器官方网站：
·HDC1000：http://www.ti.com.cn/product/cn/HDC1000
·OPT3001：http://www.ti.com.cn/product/cn/OPT3001
SensorTag/CC2650的结构示意图如图10-2所示。
图10-2 SensorTag/CC2650结构示意图
2.CC2538开发板
与SensorTag相似，CC2538开发板也具有多种功能，但是本章示例中CC2538仅作为Slip-Radio使用，也就是说本例仅使用了CC2538的无线功能和串口功能，CC2538将作为SensorTag连接传统网络的重要“桥梁”。CC2538开发板的结构示意图如图10-3所示。
图10-3 CC2538DK结构示意图
10.2.2 网络结构说明
本章的示例中至少包括三个主要设备：SensorTag、CC2538和树莓派。其中SensorTag作为CoAP客户端，SensorTag与专用下载器XDS110相连，XDS110不但可以下载固件至SensorTag中，还可以与SensorTag/CC2650的串口相连，以便在PC中虚拟一个串口设备，通过该串口设备可以方便地查看SensorTag/CC2650的运行情况；另外CC2538将作为Slip-Radio，把经过6LoWPAN压缩的IPv6数据包变为Slip串行数据并通过自身串口传输至树莓派中，由于并没有直接使用树莓派中的物理串口，所以CC2538通过一个USB转串口设备插入树莓派USB端口中，对树莓派来说CC2538是一个名为ttyUSB0的串行设备。
本例中树莓派作为边界路由。在6LoWPAN/IPv6低功耗网络中边界路由的职责与WiFi网络中的路由器非常相似，树莓派把从CC2538获取的无线数据包注入Linux操作系统的网络层，由于SensorTag是一个纯IPv6节点，不能直接访问IPv4应用，所以需要在树莓派中增加一个NAT64网关，通过该网关进行IPv6数据包和IPv4数据包的双向转换。
最后，IPv4地址为192.168.0.3的主机将作为Web和CoAP服务器，在该主机中运行微型物联网系统的Web服务和CoAP服务。本章示例的网络详细结构如图10-4所示。
图10-4 网络结构示意图
10.3 Contiki入门
与其他嵌入式开发不同，Contiki所支持平台的开发工作一般在Linux下进行，常用的Linux发行版如Ubuntu、Debian和Deepin等均可进行Contiki开发。为了简化Contiki的学习门槛，Contiki开发团队提供了一套集成开发环境——Instant Contiki。Instant Contiki是一套已经安装好各种依赖包和工具链的Ubuntu 14.04虚拟机，不需要任何配置便可进行Contiki开发。在Instant Contiki中已经预装了ARM-Cortex M3和MSP430的交叉工具链。Instant Contiki的更多信息请参考Contiki官方网站www.contiki-os.org。
除了Instant Contiki集成开发环境之外，其他Linux发行版也可以进行Contiki开发。在这种情况下用户需要手动安装各种依赖工具和交叉工具链，依赖工具包括curl、git、wget和gcc等，交叉工具链包括gcc-arm-none-eabi和gcc-msp430等。
10.3.1 Contiki初步
下面通过一个完整的“Hello Contiki”示例说明如何在Instant Contiki 3.0中进行Contiki开发工作。本小节的相关步骤也可以在其他Linux发行版中实现。
1.使用Instant Contiki虚拟机
本节使用Contiki团队提供的Instant Contiki 3.0。Instant Contiki是一套基于Ubuntu 14.04的32位虚拟机，为了运行Instant Contiki虚拟机需要在Windows中安装虚拟机软件，常见的虚拟机软件包括VMware Workstation Player、VisualBox和Visual PC等。
实验环境说明如下：
·宿主机：Windows 10
·虚拟机软件：VMware Workstation Player 12.0
·Linux发行版：Instant Contiki 3.0（Ubuntu 14.04 LTS）
打开VMware Workstation 12 Player之后，在开始界面的左侧选择Instant Contiki 3.0，在开始界面的右下角选择“播放虚拟机”。进入Instant Contiki之后需要输入user用户的登录密码，默认情况下Instant Contiki的默认用户为user，登录密码为user。进入Instant Contiki的具体操作过程如图10-5和图10-6所示。
图10-5 选择Instant Contiki虚拟机
2.获取Contiki源代码
在Instant Contiki 3.0中已经预装了Contiki的源代码，但该部分代码并不是最新代码，Contiki源代码位于user用户目录下的contiki文件夹中。若需要与Contiki代码仓库master分支同步，可进入Contiki目录后输入git pull origin以获取最新代码，具体操作如下：
图10-6 Instant Contiki登录界面
# 进入Contiki源代码目录cd ~/contiki
# 拉取最新源代码git pull origin
另外使用git clone指令也可以获取最新的Contiki源代码。
# 复制Contiki源代码到用户目录
cd ~
# 获取Contiki源代码
git clone https://github.com/contiki-os/contiki.git # 获取子模块
git submodule update –init
3.Contiki相关子模块
Contiki代码仓库除了包括Contiki本身之外，还包括多个子模块。这些子模块需要使用git submodule指令初始化并更新。Contiki的相关子模块包括：
·mspsim：MSP430软件仿真组件，该子模块是Contiki仿真环境Cooja的必要组件。
·cc2538-bsl：CC2538平台串口bootload工具，该工具使用Python开发。cc2538-bsl除了适用于CC2538平台之外，也适用CC2630和CC1310等SoC。
·cc26xxware/cc13xx ware：CC2650和CC1310外设驱动库。该子模块是CC2650和CC1310开发的必要组件。
4.Contiki源代码结构
Contiki源代码包含多个目录，这些目录包括apps（应用组件）、core（核心代码）、cpu（移植与驱动）、platform（平台实现）、examples（基础示例）和tools（实用工具）等。Contiki的源代码结构如图10-7所示。
图10-7 Contiki源代码结构
（1）apps
apps文件夹包含Contiki扩展组件，这些组件包括：
·antelope组件，适用于嵌入式设备的超精简型数据库系统，可在嵌入式Flash文件系统的支持下实现简单的增删改查功能。
·er-coap组件和rest-engine组件，该组件同时支持CoAP客户端和服务器功能，与CoAP有关的组件还包括ipso-object[1]组件和oma-lwm2m[2]组件。
·shell和serial-shell组件，该组件可实现简单的串口控制台功能，shell组件提供诸如设备重启、base64处理和CRC计算等基础功能，除了这些基础功能之外，用户还可以根据需要增加自定义功能。
·webserver组件，该组件提供一个非常简单的Web功能，该组件可以帮助设备实现一些简单的预定义网页。
（2）core
core文件夹包含Contiki的所有核心代码，这些核心功能代码包括：
·protothread任务调度功能，Contiki采用事件触发机制，其核心为protothread任务调度机制，该机制和多数抢占式的操作系统存在明显区别，在protothread机制下任务没有私有堆栈，任务进行切换时操作系统仅保留C文件中的行号作为上下文切换的依据，protothread的实现部分位于sys目录中。
·网络功能，Contiki网络功能包括精简的IPv4和IPv6协议栈，支持UDP、TCP和部分HTTP功能，与其他具备IP功能的嵌入式操作系统不同，Contiki网络部分还包括低功耗无线传感网相关的IEEE
802.15.4支持层、6LoWPAN头压缩层和RPL[3]路由功能等；
·cfs文件系统，cfs文件系统也是Contiki操作系统的一部分，该文件系统可在CPU内部的Flash中创建和使用，在cfs文件系统的帮助下嵌入式设备可以方便地保存数据或读取历史记录。
（3）cpu
Contiki支持的CPU种类较多并且依然在不断扩充，Contiki支持的CPU包括STM32F 152系列、CC2538系列、CC1310/CC2650系列、MSP430F1/F2/F5系列、nRF52系列。Contiki操作系统完全由C语言实现并不包括任何汇编代码，简单来说Contiki操作系统仅需实现一个系统时钟便可完成移植，对于绝大多数ARM-Cortex CPU而言，Systick时钟是一个非常合适的系统时间载体。总而言之，Contiki操作系统几乎可以移植到任何CPU中。cpu目录中有一个特殊的cpu——native，该cpu可以理解为把Contiki操作系统“移植”到Linux系统中，那么Contiki的部分功能也可以在Linux平台下实现并验证。
（4）platform
platform文件夹包含Contiki操作系统所支持的各类平台，这些平台包括CC2538DK平台、SRF06-CC26xx（CC1310/CC2650）平台，STM32 NUCLEO平台等。在CPU移植的基础上，这些平台还增加了各种外设、传感器和执行器。每个平台下都包含contiki-main.c和contiki-conf.h，contiki-main.c中包含main函数，实现了绝大多数初始化工作，如操作系统初始化、网络组件初始化、辅助功能初始化和低功耗实现等功能，在platform的帮助下用户仅需要关心具体功能实现便可；contiki-conf.h包含与平台相关的默认Contiki配置，熟悉Contiki的所有配置并不是一件容易的事情。用户也可以参考相似的平台创建符合自身要求的platform。
（5）examples
examples文件夹包括大量基础示例，这些示例包括不同平台下的UDP客户端服务器示例、传感器示例、任务调度示例、定时器组件（etimer、ctimer和rtimer）示例；除了具体平台的示例之外，examples平台还包括边界路由示例、Slip-Radio示例等实用功能。
（6）tools
tools文件夹中包含很多使用Contiki过程中的实用工具，这些实用工具包括：
·CC2538-bsl工具：使用该工具可以通过串口下载固件，CC2538-bsl支持CC2538、CC2650和CC1310等。
·cooja仿真工具：cooja仿真工具是Contiki的一个特色工具，借助该工具可以在纯软件环境下模拟无线传感网络，cooja仿真工具既可支持多个终端节点，也可以支持边界路由，但cooja仿真工具仅支持MSP430相关平台。并不能仿真ARM Cortex系列平台。
·tools目录中tunslip6是一个常用工具，在Contiki应用系统中低功耗无线传感网络一般存在一个边界路由，该边界路由实现RPL Root功能，该路由设备将把低功耗传感网中需要转发的IP数据包重新组装为slip格式并通过串口发送至Linux主机，tunslip6工具侦听指定的串口，并把需要转发的IPv6数据包注入到Linux网络层驱动中。
（7）makefile.include
makefile.include是Contiki的核心makefile文件，阅读或学习makefile.include的细节可不是一件容易的事情。
[1] https://www.ipso-alliance.org/。[2 ] http://openmobilealliance.org/iot/。
[3] https://datatracker.ietf.org/doc/rfc6550/。
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