SpringBoot與Californium整合，實現物聯網設備低功耗通信系統

作者：Java知識日歷 2025-03-26 01:55:00

物聯網

CoAP是一種專門為物聯網設備設計的輕量級協議，特別適用于資源受限的環境。它通過簡單的二進制消息格式、高效的傳輸機制和RESTful架構，使得在低帶寬、高延遲和不可靠網絡條件下進行通信變得容易。

哪些公司使用Californium？

Intel Corporation在其 IoT 平臺和開發工具中集成 Californium 以支持 CoAP 協議。
IBM利用 Californium 在其 IoT 和邊緣計算解決方案中實現高效的數據傳輸。
西門子使用 Californium 在其 IoT 解決方案中實現低功耗設備的通信。
Bosch Rexroth利用 Californium 支持其工業 IoT 應用程序中的 CoAP 通信。
Infineon Technologies 在其嵌入式系統和 IoT 解決方案中集成 Californium 以支持 CoAP 協議。
愛立信在其 IoT 平臺中使用 Californium 實現高效的設備間通信。
Texas Instruments Inc.提供基于 Californium 的開發套件和示例代碼，助力開發者構建 IoT 應用。
ABB Ltd.在其智能制造解決方案中利用 Californium 實現高效的數據交換和控制。
Cisco Systems, Inc.在其 IoT 平臺上使用 Californium 實現低延遲和可靠的設備通信。

Californium的特點

輕量級: 適合資源受限的設備。
可靠傳輸: 支持確認消息（CON）、非確認消息（NON）和重置消息（RST）。
多播支持: 允許向一組設備發送請求。
觀察機制: 客戶端可以訂閱資源變化，實時接收更新。
安全性: 支持DTLS（Datagram Transport Layer Security）加密。
RESTful架構: 使用HTTP方法（GET, POST, PUT, DELETE），便于與現有Web服務集成。

Californium的核心組件

CoapClient: 用于創建CoAP客戶端，發送請求并處理響應。
CoapServer: 用于創建CoAP服務器，處理來自客戶端的請求。
CoapResource: 定義CoAP資源，處理特定路徑上的請求。
CoapExchange: 提供請求和響應的上下文，便于處理具體業務邏輯。

代碼實操

<!-- Spring Boot Web Dependency -->
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    </dependency>

    <!-- Californium Spring Boot Starter -->
    <dependency>
        <groupId>org.eclipse.californium</groupId>
        <artifactId>californium-spring-boot-starter-server</artifactId>
        <version>2.6.0</version>
    </dependency>

    <!-- Spring Data JPA for database operations -->
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-data-jpa</artifactId>
    </dependency>

    <!-- MySQL Driver -->
    <dependency>
        <groupId>mysql</groupId>
        <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
        <scope>runtime</scope>
    </dependency>

application.properties

# MySQL 數據庫配置
spring.datasource.url=jdbc:mysql://localhost:3306/iot_db?useSSL=false&serverTimezone=UTC
spring.datasource.username=root
spring.datasource.password=rootpassword
spring.datasource.driver-class-name=com.mysql.cj.jdbc.Driver

# Hibernate 配置
spring.jpa.hibernate.ddl-auto=update
spring.jpa.show-sql=true
spring.jpa.properties.hibernate.dialect=org.hibernate.dialect.MySQL8Dialect

Device實體類

package com.example.coapserver.entity;

import javax.persistence.Entity;
import javax.persistence.GeneratedValue;
import javax.persistence.GenerationType;
import javax.persistence.Id;

@Entity
publicclass Device {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)
    private Long id; // 設備ID，自增主鍵
    private String deviceId; // 設備唯一標識符
    private String type; // 設備類型
    privatedouble temperature; // 溫度數據
    privateboolean active; // 設備是否激活

    // Getter 和 Setter 方法

    public Long getId() {
        return id;
    }

    public void setId(Long id) {
        this.id = id;
    }

    public String getDeviceId() {
        return deviceId;
    }

    public void setDeviceId(String deviceId) {
        this.deviceId = deviceId;
    }

    public String getType() {
        return type;
    }

    public void setType(String type) {
        this.type = type;
    }

    public double getTemperature() {
        return temperature;
    }

    public void setTemperature(double temperature) {
        this.temperature = temperature;
    }

    public boolean isActive() {
        return active;
    }

    public void setActive(boolean active) {
        this.active = active;
    }
}

倉庫接口

package com.example.coapserver.repository;

import com.example.coapserver.entity.Device;
import org.springframework.data.jpa.repository.JpaRepository;

public interface DeviceRepository extends JpaRepository<Device, Long> {
    Device findByDeviceId(String deviceId); // 根據設備ID查找設備
}

Controller

package com.example.coapserver.controller;

import com.example.coapserver.entity.Device;
import com.example.coapserver.repository.DeviceRepository;
import org.eclipse.californium.core.CoapHandler;
import org.eclipse.californium.core.CoapResponse;
import org.eclipse.californium.spring.annotation.CoapController;
import org.eclipse.californium.spring.annotation.CoapGetMapping;
import org.eclipse.californium.spring.annotation.CoapObserveRelation;
import org.eclipse.californium.spring.annotation.CoapPutMapping;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.http.HttpStatus;
import org.springframework.http.ResponseEntity;
import org.springframework.web.bind.annotation.*;

import java.util.List;
import java.util.Optional;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

@RestController
@CoapController
@RequestMapping("/api")
publicclass SensorDataController {

    privatestaticfinal Logger logger = LoggerFactory.getLogger(SensorDataController.class);

    @Autowired
    private DeviceRepository deviceRepository; // 注入設備倉庫

    // 存儲傳感器數據的并發哈希映射
    private ConcurrentHashMap<String, Double> sensorDataMap = new ConcurrentHashMap<>();
    private AtomicInteger observeCounter = new AtomicInteger(0); // 觀察計數器

    /**
     * 注冊新設備
     *
     * @param device 要注冊的設備對象
     * @return 注冊結果
     */
    @PostMapping("/register")
    public ResponseEntity<String> registerDevice(@RequestBody Device device) {
        if (deviceRepository.findByDeviceId(device.getDeviceId()) != null) {
            returnnew ResponseEntity<>("設備已注冊", HttpStatus.BAD_REQUEST);
        }
        device.setActive(true);
        deviceRepository.save(device);
        logger.info("注冊設備: {}", device.getDeviceId());
        returnnew ResponseEntity<>("設備注冊成功", HttpStatus.CREATED);
    }

    /**
     * 更新傳感器數據
     *
     * @param sensorId 傳感器ID
     * @param payload  數據負載（溫度值）
     */
    @CoapPutMapping("/sensors/{sensorId}")
    public void updateSensorData(@PathVariable String sensorId, byte[] payload) {
        String dataStr = new String(payload);
        try {
            double data = Double.parseDouble(dataStr);
            Optional<Device> deviceOpt = Optional.ofNullable(deviceRepository.findByDeviceId(sensorId));
            if (deviceOpt.isPresent()) {
                Device device = deviceOpt.get();
                device.setTemperature(data);
                deviceRepository.save(device);
                sensorDataMap.put(sensorId, data);
                logger.info("收到傳感器 {} 的數據: {}", sensorId, data);
                checkAndAlert(sensorId, data);
                observeCounter.incrementAndGet();  // 觸發觀察者通知
            } else {
                logger.warn("未知的傳感器ID: {}", sensorId);
            }
        } catch (NumberFormatException e) {
            logger.error("傳感器 {} 的數據格式無效: {}", sensorId, dataStr);
        }
    }

    /**
     * 獲取傳感器數據
     *
     * @param sensorId 傳感器ID
     * @return 傳感器數據
     */
    @CoapGetMapping("/sensors/{sensorId}")
    public String getSensorData(@PathVariable String sensorId) {
        return sensorDataMap.getOrDefault(sensorId, "無數據").toString();
    }

    /**
     * 提供一個可觀察的資源，用于實時訂閱傳感器狀態的變化
     *
     * @return 觀察計數器值
     */
    @CoapObserveRelation
    @CoapGetMapping("/observe")
    public String observeSensors() {
        int count = observeCounter.get();
        logger.info("觀察傳感器，計數器: {}", count);
        return String.valueOf(count);  // 返回計數器值以觸發觀察者通知
    }

    /**
     * 獲取所有已注冊的設備信息
     *
     * @return 設備列表
     */
    @GetMapping("/devices")
    public List<Device> getAllDevices() {
        return deviceRepository.findAll();
    }

    /**
     * 檢查溫度并觸發警報
     *
     * @param sensorId 傳感器ID
     * @param temperature 溫度值
     */
    private void checkAndAlert(String sensorId, double temperature) {
        if (temperature > 30.0) {
            logger.warn("高溫警報：傳感器 {} 的溫度為 {}°C", sensorId, temperature);
            // 在這里可以添加發送警報的通知邏輯
        }
    }
}

Application

package com.example.coapserver;

import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;

@SpringBootApplication
public class CoapServerApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(CoapServerApplication.class, args);
    }
}

測試

為了測試CoAP協議，我們可以使用Californium提供的命令行工具來發送CoAP請求。

我已經安裝Californium CLI工具。你也可以從Californium GitHub倉庫 (https://github.com/eclipse/californium)下載并編譯。很簡單的！

更新傳感器數據

cf-cli put coap://localhost:5683/api/sensors/sensor1 --payload "25.5"

輸出：

Sending PUT request to coap://localhost:5683/api/sensors/sensor1
Response from coap://localhost:5683/api/sensors/sensor1:
Code: 2.04 Changed
Payload:

獲取傳感器數據

cf-cli get coap://localhost:5683/api/sensors/sensor1

輸出：

Sending GET request to coap://localhost:5683/api/sensors/sensor1
Response from coap://localhost:5683/api/sensors/sensor1:
Code: 2.05 Content
Options: [Content-Format:text/plain]
Payload: 25.5

責任編輯：武曉燕來源： Java知識日歷

Spring 協議物聯網