物联网（IoT）设备开发过程中需要考虑的两个主要因素是 效率和云兼容性。能耗和数据使用效率 对于降低运营和维护成本而言非常重要，特别是对于使用电池的蜂窝设备。节能 是一个复杂的问题，而选择合适的通信协议则是其中一个重要 方面。一般来说，除了设备管理之外，IoT 设备还必须与 能够处理和分析数据以生成有用见解的云平台进行通信。
本博客概述了受限制的应用程序协议 (CoAP)，这是一种具有内置效率的通信协议， 还详细介绍了维护云兼容性的步骤。本博客随后 会提供示例实现序列，该序列使用 1NCE FreeRTOS 蓝图。
受限 IoT 设备中的协议选择
CoAP 采用客户端/服务器通信模型，使用请求/响应模式，并且基于 UDP 协议进行通信。它包括主要的 Web 概念， 例如 统一资源标识符 (URI) 和互联网媒体类型，同时还提供符合 REST 原则的服务， 因而成为针对受限 IoT 设备进行优化的 HTTP 子集。为实现安全通信， CoAP 可以 与数据报传输层安全性 (DTLS) 结合使用。
图 1 &图 2 显示了发送 MQTT 和 CoAP 测试数据包所需的通信阶段。
要使用 MQTT，需要考虑：
- 三次 TCP 握手（186 字节）。
- MQTT 连接&连接确认 (ACK)（253 字节）。
- 包含有效负载（126 字节）的实际发布数据包。
如果连接未通过周期性 PINGREQ 数据包保持活动状态，则必须重复前两个阶段， 对于报告间隔较长的受限 IoT 设备来说，实现这一点可能极具挑战性， 在此期间设备通常需要进入省电模式。不稳定的蜂窝网络覆盖可能会导致 客户端断开连接，并且还需要启动新连接。
图 1：MQTT 通信示例
借助 CoAP 和无连接 UDP 协议，IoT 设备可以直接发送数据，无需 建立连接。在此示例中，可以看到测试数据包需要 59 字节， 如果需要更可靠的通信，可以启用可选的确认功能。这会添加来自服务器的 46 字节 ACK 消息， 总共需要 105 字节。
图 2：CoAP 通信示例
使用无连接协议以及发送更少的数据可以降低 IoT 设备的能耗。 下图来自在 1NCE 进行的实验，显示使用 CoAP 时能耗最多 可降低 47.6%。使用 1NCE 软件平台上的 Energy Saver 工具还可以进一步节约能源，该工具可用于最大限度地减少有效载荷大小。
图 3：能耗比较 (MQTT/CoAP)
使用更高效的 IoT 协议，同时保持云兼容性
CoAP 可能是受限 IoT 设备的合适选择。然而，它在 IoT 云平台中的采用 仍然有限，这使得设计可从不同云平台访问的高效 IoT 解决方案 极具挑战性。
为解决这一问题，1NCE 引入了 IoT Integrator（图 4）。使用此工具，IoT 设备可以 通过 CoAP、UDP 或轻量级机器对机器 (LwM2M) 等协议向 1NCE 端点发送消息。 然后，这些消息可以转发到 AWS IoT Core、Webhook 和其他集成。
图 4：1NCE OS – IoT Integrator
1NCE FreeRTOS 蓝图
1NCE FreeRTOS 蓝图包含多个演示，演示 IoT 设备如何 使用蜂窝连接与 1NCE 的软件平台建立安全高效的通信。
前提条件
- 1NCE SIM 卡。
- B-L475E-IOT01A2 STM32 发现套件 IoT 节点，通过 X-NUCLEO-STMODA1 扩展板连接到 BG96（LTE Cat M1/Cat NB1/EGPRS m 调制解调器）。
- STM32CubeIDE
- STM32 ST-LINK 实用程序
CoAP 演示组件
为了实现安全通信，该蓝图使用 1NCE SDK 集成（如图 5 所示） 从 1NCE OS 设备身份验证端点获取 DTLS 凭据。通过 SIM ICCID 识别设备后， 可以检索凭据。该蓝图还包含使用 PSK 身份验证的 DTLS 的示例 MbedTLS 配置 身份验证。
为获取 DTLS 凭据，应用程序需调用 os_auth() 函数。此函数使用
SDK 中定义的网络接口与 1NCE 设备身份验证端点进行通信， 然后将接收的
凭据添加到 Mbedtls 配置中。
图 5：1NCE SDK 集成 （点击放大）
此外，还需要集成可以创建并处理 CoAP 数据包的第三方库。文件页面
使用开源 Lobaro CoAP 库，其集成如图 6 所示。
要在 CoAP 库和 FreeRTOS Secure Socket API 之间添加网络接口，只需定义函数
CoAP_Send & CoAP_Recv。这些函数使用已配置为 DTLS 通信
并连接到 1NCE 的 CoAP 服务器的套接字句柄。
图 6：CoAP 库集成 （点击放大）
配置
- 设备
要启用 CoAP 演示，应将定义 "CONFIG_COAP_DEMO_ENABLED" 添加到config_files/aws_demo_config.h。
在/aws_demos/config_files/nce_demo_config.h中，可以按如下方式配置演示：PUBLISH_PAYLOAD_FORMAT测试有效载荷COAP_PORT对于 DTLS 通信，应设置为 5684CLIENT_ICCIDSIM 卡 ICCIDCOAP_URI_QUERYCoAP URI 查询选项， 用于在 AWS IoT Core 中配置 MQTT 发布数据包的主题。
- 云
用户需要从 1NCE 门户设置所需的云集成。例如： AWS 集成设置。
运行演示
配置演示并将其闪存到开发板后，设备将向 1NCE OS 注册， 并且以下事件将显示在门户中。
图 7：1NCE OS 设备注册
之后，从设备发送的 CoAP 消息将显示在门户上，如下所示：
图 8：发送到 1NCE OS 的 CoAP 消息
该消息还将转发到配置的云集成 (AWS IoT Core)。
图 9：转发的 MQTT 消息
使用 Energy Saver 工具，应用程序只能发送值更新，无法发送 整个 JSON 对象，如以下示例所示。
图 10：有效载荷尺寸缩小
这有助于降低设备的能耗和数据使用量。要启用此功能，
可以在 /aws_demos/config_files/nce_demo_config.h 中定义 "CONFIG_NCE_ENERGY_SAVER"，
然后使用函数 os_energy_save() 创建有效载荷。
其他演示（UDP & LwM2M）
该蓝图还包含一个用于基本通信的 UDP 演示。此外， LwM2M 演示可用于需要更高级 IoT 设备管理的 应用程序。
小结
使用 CoAP 可以大大减少 IoT 设备的能耗和数据使用量。借助 1NCE OS 中的 IoT Integrator 工具，可以在不影响云兼容性的情况下降低能耗和数据使用量。 1NCE FreeRTOS 蓝图中的 CoAP 演示为有兴趣测试和评估 CoAP 的开发人员提供了一个起点， 并展示了如何将 CoAP 与 FreeRTOS 集成，还包括与 1NCE 软件平台的通信， 以进行设备身份验证以及发送可转发到 配置的云平台的 CoAP 消息。
