通过乐鑫原生 SDK-ESP IDF 连接 AWS IoT 平台

阅读数:83 2019 年 10 月 10 日 14:20

通过乐鑫原生 SDK-ESP IDF 连接 AWS IoT 平台

背景介绍

在智能家居,可穿戴设备,消费电子产品领域。越来越多的客户需要选择一款具有 Wi-Fi 功能的 MCU 或 SoC 通过连接到云平台对消息进行处理和设备交互与管理。设备如何安全的连接到云平台上是实现物联网的第一步,也是非常重要的一步。
这篇 Blog 主要介绍如何使用 ESP32-DevKit 结合乐鑫原生的 ESP-IDF SDK 快速安全的链接 AWS 物联网 (IoT) 应用。

AWS IoT 服务介绍
AWS IoT 是一种托管的云平台,使互联设备可以轻松安全地与云应用程序及其他设备交互。AWS IoT 可以支持数十亿台设备和数万亿条消息,并且可以对这些消息进行处理并将其安全可靠地路由至 AWS 终端节点和其他设备。

乐鑫 ESP32 介绍
ESP32 是一套 Wi-Fi (2.4 GHz) 和蓝牙 (4.2) 双模解决方案,集成了高性能的 CPU 内核、超低功耗协处理器和丰富的外设。ESP32 采用 40 nm 工艺制成,具有最佳的功耗性能、射频性能、稳定性、通用性和可靠性,适用于各种应用和不同功耗需求。

部署方法

1.AWS IoT 配置(证书,终端节点)
2.ESP-IDF 开发环境搭建
3.ESP32-DevKit USB to VCP Driver 驱动安装
4. 配置和使用 ESP-IDF 创建一个 AWS IoT 项目
5. 编译和烧录
6.AWS 平台消息测试

1. AWS IoT 配置

1.1 证书生成与下载
这一步骤就是在 AWS 创建一个 things,然后生成并下载证书。不再赘述:
具体参考 https://docs.aws.amazon.com/zh_cn/iot/latest/developerguide/iot-console-signin.html,步骤从登录 AWS IoT 控制台到将证书附加到事物。

然后我们会有 4 个证书。设备证书,公钥,私钥,CA 证书(这里 CA 证书就是我们看到证书内容),对证书需要做以下操作:

  • CA 证书保存:
    将 CA 证书内容复制并保存为 aws-root-ca.pem 的文件。

  • 设备证书和私钥:
    将 XXXX-private.pem.key 重命名为 private.pem.key
    将 XXXX-certificate.pem.crt 重命名为 certificate.pem.crt

保存好这 3 个证书,后面我们在烧录固件之前会用到。

1.2 终端节点
终端节点用于设备端连接 AWS IoT 平台,请记录终端节点。在 AWS IoT 控制台的设置中找到。

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2. ESP-IDF 开发环境搭建

我们下面开始 ESP-IDF 开发环境的搭建,需要准备如下:

  • 工具链:用于编译 ESP32 应用程序。
  • ESP-IDF:包含 ESP32 API 和用于操作工具链的脚本。
  • 编译器:编写 C 语言的程序。
  • ESP32 开发板
    2.1 Windows 安装工具链(Toolchain)
    下载 Toolchain for Windows, https://dl.espressif.com/dl/esp32_win32_msys2_environment_and_toolchain-20181001.zip 将 zip 压缩文件解压到 C:\,它会使用预先准备的环境创建一个 msys32 目录。运行 C:\msys32\mingw32.exe 打开一个 MSYS2 的终端窗口。该窗口的环境是一个 bash shell。创建一个 esp 目录作为开发 ESP32 应用的默认地址,运行命令:
复制代码
mkdir -p ~/esp

2.2 为 ESP32 设置开发环境 ESP-IDF
先进入到 esp 目录下,然后通过 GitHub 获取,运行命令,大概 5 分钟左右(取决于你的网速),运行命令:

复制代码
cd ~/esp
git clone --recursive https://github.com/espressif/esp-idf.git

执行结果如图:
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2.3 设置 ESP-IDF 环境变量(Windows)
工具链程序使用环境变量 IDF_PATH 来访问 ESP-IDF。将用户配置文件脚本存放在 C:/msys32/etc/profile.d/ 目录中。目的是每次打开 MSYS2 窗口时,系统都执行这些脚本。

  • 在 C:/msys32/etc/profile.d/ 目录下创建一个新的脚本文件。将其命名为 export_idf_path.sh。
  • 确定 ESP-IDF 目录的路径。路径与系统配置有关,例如 C:\msys32\home\user-name\esp\esp-idf。
  • 在脚本中文件 export_idf_path.sh 加入 export 命令,例如:
复制代码
export IDF_PATH="C:/msys32/home/user-name/esp/esp-idf"

这里注意的是,将原始 Windows 路径中将反斜杠替换为正斜杠。

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保存脚本。关闭 MSYS2 窗口并再次打开。输入以下命令检查是否设置了 IDF_PATH:

复制代码
printenv IDF_PATH

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2.4 安装 Python 依赖包
ESP-IDF 所依赖的 Python 软件包位于 $IDF_PATH/requirements.txt 文件中,您可以通过运行以下命令来安装它们:

复制代码
python -m pip install --user -r $IDF_PATH/requirements.txt

3. ESP32-DevKit USB to VCP Driver 驱动安装

在创建 AWS IoT 项目之前我们需要确认 ESP32 的 CP210X USB to VCP Driver 是否安装。如果没有,请安装: https://www.silabs.com/products/development-tools/software/usb-to-uart-bridge-vcp-drivers,当然 你的 ESP32 也有可能是 CH340 或者其他 Driver,请自行安装驱动。安装成功后,我们将开发版的接入到计算机,通过设备管理器可以看到 COM3:

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4. 配置和使用 ESP-IDF 创建一个 AWS IoT 项目,方法如下:

示例项目 aws_iot_demo
串口配置
endpoint 设置
WIFI 与 IoT Client ID 设置
4.1 复制 subscribe_publish 项目到 esp 目录并重命名为 aws_iot_demo,subscribe_publish 所在目录在:
C:\msys32\home\user-name\esp\esp-idf\examples\protocols\aws_iot\subscribe_publish

将 Esp32 连接电脑,回到 MSYS2 命令界面到 aws_iot_demo 目录下:

复制代码
cd ~/esp/aws_iot_demo/

输入命令进入配置界面:

复制代码
make menuconfig

PS:第一次运行需要反映 5-10 秒钟的时间,不要关闭命令窗口。

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4.2 串口配置
在菜单中,进入 Serial flasher config > Default serial port 配置串口(工程将会加载到该串口上)。输入自己的串口名称并回车确认选择,选择 < Save > 保存配置,然后选择 < Exit > 退出应用程序。

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比如我的是 COM3,就输入 COM3。

4.3 下一步我们来做 AWS IoT Endpoint Hostname 设置,
Componet config > Amazon Web Service IoT Platform > 复制 aws iot endpoint 并保存(在步骤 1.2 保存的终端节点 URL)。
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4.4 然后做 WIFI 与 IoT Client ID 的配置
在 Example Configuration 设置有效的 WiFi SSID,WiFi Password 与 AWS IoT Client ID。

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保存并退出到命令界面后需要等待一下完成配置:

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5. 编译和烧录:

在烧录程序之前将以下证书,private.pem.key,certificate.pem.crt,aws-root-ca.pem (步骤 1.1)复制到 C:\msys32\home\user-name\esp\aws_iot_demo\main\certs 中(替换掉已有的 aws-root-ca.pem)

cd 到 aws_iot_demo 的目录下运行,

复制代码
make flash

在界面上出现 Connecting…字样时候(ESP32 led 信号灯闪)按住 boot 或 FLASH 按钮(ESP 的开发板右下角有一个 BOOT 或 FLASH 的按键),等到出现烧录的时候就可以松开了. 烧录成功后如图:
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烧录成功后通过 make monitor 命令来查看 “aws_iot_demo” 程序是否真的在运行, 并是否成功打印消息。比如建立握手和连接的过程以及消息的打印。

复制代码
make monitor

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6. AWS 平台消息测试

回到 AWS IoT 的控制台中,选择测试,订阅主题:test_topic/esp32,控制台下方会显示 ESP32 发送过来的消息:
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也可以推送一个消息到 ESP32,编辑或使用默认消息:

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回到 MSYS2 命令窗口,会收到一个 message 为 Hello from AWS IoT console.

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小结

在本篇博文中,着重介绍了如何通过 ESP 原生的软件开发环境 ESP-IDF 帮助用户快速开发物联网 (IoT) 应用。实现了基于 ESP32 的智能家居或智能设备连接到云平台的第一步。无论国内的用户还是海外的用户都可以通过上述的方法连接到 AWS 的 IoT 平台上。

AWS IoT 平台拥有着十分丰富的功能,比如对消息加工处理的规则引擎功能,比如与设备端集成的 Alexa 智能音箱为我们的智能设备赋能。还有 AWS IoT Device Management,您可以轻松安全地大规模载入、组织、监控和远程管理 IoT 设备等等。限于篇幅,我们会持续更新。

相关文章:
《ESP-IDF Programming Guide》 https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/index.html

作者介绍:

李强
AWS 解决方案架构师,负责基于 AWS 的云计算方案架构的咨询和设计,同时致力于 AWS 云服务在国内的应用和推广,在物联网和微软的技术栈有着广泛的设计和实践经验。在加入 AWS 之前,曾在东芝中国负责系统开发和运维工作,在微软中国负责中小企业的技术咨询和方案设计工作。

本文转载自 AWS 技术博客。

原文链接:
https://amazonaws-china.com/cn/blogs/china/sdk-esp-idf-aws-iot-connection/

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