樹莓派打造根據AWSIoT平臺訊息傳遞系統

透過 AWS IoT 平臺與 MQTT 協定，我們可以建構一個功能完善的 Raspberry Pi 訊息傳遞系統。首先，需在 AWS IoT 平臺上建立一個 IoT 事物，並取得對應的安全憑證，以便後續 Raspberry Pi 與 AWS IoT Core 進行安全連線。接著，在 Raspberry Pi 上撰寫 Python 程式碼，利用 AWSIoTPythonSDK 建立 MQTT 客戶端，並訂閱指定的 MQTT 主題，以便接收來自 AWS IoT Core 的訊息。設定完成後，即可透過 AWS IoT Core 的 MQTT 測試客戶端傳送訊息至 Raspberry Pi，驗證訊息傳遞功能的正常運作。

網站回應

網站會以 JSON 格式回應，內容如下：

{
    "number": 10,
    "people": [
        {
            "craft": "ISS",
            "name": "Mark Vande Hei"
        },
        {
            "craft": "ISS",
            "name": "Pyotr Dubrov"
        },
        {
            "craft": "ISS",
            "name": "Megan McArthur"
        },
        {
            "craft": "Shenzhou 13",
            "name": "Ye Guangfu"
        }
    ]
}

圖表翻譯：

內容解密：

以上程式碼定義了一個 Handler，負責處理「getAstronauts」Intent。當使用者要求太空人數量時，Handler 會先發出進階回應，然後取得網站資料並解析 JSON 格式的回應。最後，Handler 會根據解析的資料回應使用者。

進階回應 - 存取網際網路

在本章中，我們將探討如何使用 asyncio 和 async/await 關鍵字來等待網頁回應的資料。首先，我們需要從 JSON 回應中提取人數，使用 jsonResponse.get('number')。

使用 asyncio 和 async/await 等待網頁回應

為了等待網頁資源回應其資料，我們使用了協程（coroutine）。協程是一個可以暫停其執行的函式，以等待另一個操作完成。在程式碼中，我們使用 asyncio.run() 函式來執行 get(url) 協程。

import asyncio

async def get(url):
    #...

asyncio.run(get(url))

在這裡，我們使用 async def get(url) 來建立一個協程，並使用 await resp.text() 來暫停程式碼的執行，直到網頁回應完成。注意，await 命令只能在 async 函式內使用。

在呼叫協程之前，我們呼叫進階回應處理器，使用 get_progressive_response(handler_input)。

建立樹莓派 IoT 事物

介紹

現在我們知道如何建立和顯示 Alexa 技能後，我們可以轉移到硬體部分。在本章中，我們將建立一個 AWS IoT 事物並取得安全憑證，以啟用 MQTT 發布/訂閱訊息。我們將為 Pi 撰寫程式碼，使其傾聽來自 AWS 主控臺的訊息。我們將從 AWS 主控臺傳送訊息並在 Pi 事物上接收它們。

建立樹莓派 IoT

建立 IoT 的步驟如下：

1. 建立物聯網（IoT）和其憑證和政策。
2. 在 Pi 上建立和執行 Python 程式碼。
3. 向 Pi 傳送 MQTT 訊息。
4. 建立 Alexa 主機技能並測試它與 Pi。
5. 嘗試從 Alexa 裝置使用它。

前置條件：我使用的是 Raspberry Pi 4 和 Raspberry Pi OS Buster（Debian 10）作為作業系統。最新版本是 Debian 11（bullseye），它也應該可以工作。我的 Pi 有一個 explorer HAT I/O 板，控制一個 Pimoroni 機器人，但你不需要它，你可以簡單地切換一個 LED 開關。

使用 US（East Virginia）作為 AWS 伺服器。你需要一個 AWS 帳戶。Pi 將訂閱並傾聽透過我們的 Alexa 語音命令傳送的訊息，這將執行一些 Python lambda 程式碼，該程式碼發布（傳送）訊息（例如，移動）。

內容解密：

• 我們使用 asyncio 和 async/await 關鍵字來等待網頁回應的資料。
• 建立 IoT 的步驟包括建立物聯網、取得安全憑證、建立 Python 程式碼、傳送 MQTT 訊息、建立 Alexa 主機技能和測試它與 Pi。
• 我們使用 Plantuml 圖表來視覺化建立 IoT 的流程。

圖表翻譯：

此圖表顯示了建立 IoT 的流程。首先，我們建立 IoT 事物，然後取得安全憑證。接下來，我們建立 Python 程式碼，然後傳送 MQTT 訊息。最後，我們建立 Alexa 主機技能並測試它與 Pi。這個流程展示瞭如何使用 AWS IoT 和 Alexa 建立一個完整的 IoT 系統。

建立 Raspberry Pi IoT 物件

在本章中，我們將學習如何建立一個 Raspberry Pi IoT 物件，並將其連線到 AWS IoT 平臺。這個過程涉及建立一個物件、產生憑證、設定 MQTT 通訊協定等步驟。

建立物件和憑證

首先，登入 AWS IoT 平臺，點選「Create things」按鈕，然後選擇「Create a single thing」。命名您的物件（例如 MyThing），然後忽略「Additional Configurations」部分，將「Device Shadow」設為「No shadow」。點選「Next」按鈕，然後您將看到「Attach policies to certificate」的頁面。

點選「Create policy」按鈕，然後命名您的政策（例如 MyThingPolicy）。為了給予 IoT 存取您的物件的許可權，新增「iot:」動作，資源 ARN 為「」，並勾選「Allow」。您可以透過點選 JSON 標籤並複製和貼上以下內容來完成此操作：

{
  "Version": "2012-10-17",
  "Statement": [
    {
      "Effect": "Allow",
      "Action": [
        "iot:*"
      ],
      "Resource": [
        "*"
      ]
    }
  ]
}

點選「Create」按鈕，傳回到之前的視窗，選擇政策並點選「Create Thing」按鈕。現在，您的憑證已經顯示出來。下載並儲存這些憑證，它們將用於驗證您的物件與 AWS IoT 的身份。

取得物件端點

為了讓您的技能與您的物件進行通訊，您需要知道物件的端點地址。點選 IoT > Settings，然後點選設定按鈕。您將看到一個通知，告訴您如何複製端點地址。MQTT 客戶端和 AWS IoT Device SDK 使用此端點地址。

傳輸憑證到 Raspberry Pi

建立一個目錄在您的 Raspberry Pi 上（例如 MyThing），然後在該目錄中建立一個名為「certs」的子目錄。將憑證檔案傳輸到您的 Raspberry Pi 的 MyThing/certs 目錄中。我使用 WinSCP 來完成此操作。

重新命名 xx.private.pem.key 檔案為 MyThing-private.pem.key，重新命名 xx.certificate.pem.crt 檔案為 MyThing-certificate.pem.crt，並使用 AmazonRootCA1.pem。如果您這樣做，您就不需要在程式中更改它們。您的目錄內容應該如下所示：

建立和執行 Python 程式碼

在您的 Raspberry Pi 上安裝 AWSIoTPythonSDK 檔案，使用以下命令：

sudo pip install AWSIoTPythonSDK

我們需要一個監聽程式，這個程式將在終端上列印「hello」當收到「hello」作為 payload[‘directive’] 的 /myPi 主題（稍後會解釋）。輸入程式碼並將其儲存在 MyThing 目錄中，以 listener.py 命名。軟體部分來自第 12.1 節。

重要部分是：

# 建立 MQTT 客戶端和連線

內容解密：

在這個程式碼中，我們建立了一個 MQTT 客戶端和連線到 AWS IoT 平臺。這個程式將監聽 /myPi 主題，並在收到「hello」作為 payload[‘directive’] 時列印「hello」。

圖表翻譯：

以下是 MQTT 通訊協定的簡化流程圖：

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title 樹莓派打造根據AWSIoT平臺訊息傳遞系統

package "安全架構" {
    package "網路安全" {
        component [防火牆] as firewall
        component [WAF] as waf
        component [DDoS 防護] as ddos
    }

    package "身份認證" {
        component [OAuth 2.0] as oauth
        component [JWT Token] as jwt
        component [MFA] as mfa
    }

    package "資料安全" {
        component [加密傳輸 TLS] as tls
        component [資料加密] as encrypt
        component [金鑰管理] as kms
    }

    package "監控審計" {
        component [日誌收集] as log
        component [威脅偵測] as threat
        component [合規審計] as audit
    }
}

firewall --> waf : 過濾流量
waf --> oauth : 驗證身份
oauth --> jwt : 簽發憑證
jwt --> tls : 加密傳輸
tls --> encrypt : 資料保護
log --> threat : 異常分析
threat --> audit : 報告生成

@enduml

這個流程圖展示了 MQTT 客戶端如何連線到 AWS IoT 平臺，監聽 /myPi 主題，並在收到「hello」作為 payload[‘directive’] 時列印「hello」。

建立 Raspberry Pi 的 IoT 連線

要建立 Raspberry Pi 的 IoT 連線，我們需要使用 AWS IoT Core 服務。首先，讓我們建立一個 MQTT 客戶端，連線到 AWS IoT Core。

import AWSIoTPyMQTT

# 建立 MQTT 客戶端
createMQTTClient = AWSIoTPyMQTT.AWSIoTMQTTClient("MyThing")

# 設定連線引數
createMQTTClient.configureEndpoint("你的端點", 443)

# 設定憑證
createMQTTClient.configureCredentials(
    "/home/pi/MyThing/certs/MyThing-certificate.pem.crt",
    "/home/pi/MyThing/certs/MyThing-private.pem.key",
    "/home/pi/MyThing/certs/MyThing-certificate.pem.crt"
)

# 訂閱主題
createMQTTClient.subscribe("/myPi", 1, driveCallback)

print("Listening on /myPi")

接下來，我們需要定義 driveCallback 函式，處理收到的 MQTT 訊息。

import json

def driveCallback(client, userdata, message):
    print(f"Received {message.payload} from {message.topic}")

    # 解析 JSON 訊息
    payload = json.loads(message.payload)

    # 取得指令
    command = payload['directive']

    print(f"Processing command: {command}")

    if command == "hello":
        print("hello")
    else:
        print("Command not found")

現在，你可以使用 AWS IoT Core 的 MQTT 測試客戶端傳送訊息給你的 Raspberry Pi。

傳送 MQTT 訊息給 Raspberry Pi

1. 登入 AWS 管理主控臺，前往 IoT Core > 測試 > 裝置顧問 > MQTT 測試客戶端。
2. 訂閱主題 /myPi。
3. 選擇「釋出到主題」，輸入以下 JSON 訊息到訊息Payload欄位：

{
    "directive": "hello"
}

4. 確保你的 Raspberry Pi 還在等待訊息，然後點選「釋出」。

如果一切順利，你的 Raspberry Pi 應該會收到訊息並執行指令。

建立一個 Raspberry Pi IoT 裝置

在本章中，我們將探討如何建立一個 Raspberry Pi IoT 訊息傳遞系統。首先，讓我們確保您已經成功地將訊息傳遞給您的 Raspberry Pi。

從技術架構視角來看，本章節闡述了構建根據AWS IoT平臺與Raspberry Pi的物聯網訊息傳遞系統的關鍵步驟。透過MQTT協定，實作了雲端與裝置間的雙向通訊。我們深入剖析了從建立IoT事物、取得安全憑證、撰寫Python程式碼到傳送與接收MQTT訊息的完整流程，並輔以流程圖和程式碼範例，有效降低了讀者理解門檻。然而，系統的安全性仍需考量，例如憑證的儲存方式以及MQTT訊息的加密傳輸。此外，程式碼的錯誤處理機制也需強化，以提升系統的穩定性。展望未來，整合更多感測器與致動器，並結合機器學習技術，將能賦予此係統更豐富的應用場景，例如智慧家庭控制、環境監控等。對於想要入門物聯網開發的讀者，建議深入研究AWS IoT平臺提供的安全機制與進階功能，並探索更多根據MQTT協定的應用案例。玄貓認為，此架構展現了物聯網技術的應用潛力，值得開發者深入學習與實踐。