Implementar a solução proposta, onde através do sensor instalado no "Arduino" (NodeMCU ESP8266), irá capturar a Temperatura e Umidade e integrar com o AWS IoT Core, para posteriormente ser armazenado em Banco de Dados - NoSQL (DynamoDB), através de uma função Lambda (Pyhton). A linguagem de programação do Arduino utilizada neste contexto é a Linguagem "C"
Os códigos fonte do Arduino e da Função Lambda estão disponíveis na lista de arquivos na parte superior deste Git.
Vale lembrar que, se ainda não possui o NodeMCU ESP8266, você pode executar as demais etapas deste projeto (Relacionadas propriamente à Cloud AWS), inclusive realizar testes reais na Console do Serviço Iot Core com toda parte da AWS integrada (IoT Core + Lambda + DynamoDB).
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Ter uma conta ativa na AWS
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Ter um microcontrolador NodeMCU ESP8266 com WiFi integrado e Sensor de Temperatura/Umidade
Se tiver o Arduino e não tiver o Sensor, poderá simular enviando uma informação hardcoded ou randômica
O Arduino pode ser comprado no mercadolivre ou em casas de robótica. Caso não tenha e for comprar, lembre-se de adquirir o modelo NodeMCU ESP8266, pois o código e bibliotecas citadas nesta projeto são específicas para este modelo. Você irá se surpreender com o que é possível fazer com ele.
Estou usando o termo Arduino, pois é mais comum, mas a placa ESP8266 é de outro fabricante, porém totalmente compatível com a IDE do Arduino
| Biblioteca | Link | Nome do Arquivo .zip |
|---|---|---|
| Arduino MQTT | MQTT | arduino-mqtt-master.zip |
| PubSubClient | PublicSubscriber | pubsubclient-master.zip |
| ArduinoJSON | JSon Arduino | ArduinoJson-6.x.zip |
| DH Sensor | Sensor Temperatura | DHT-sensor-library.zip |
| Adafruit Sensor | Sensor Temperatura | Adafruit_Sensor-master.zip |
Abaixo você verá as etapas necessárias de como realizar a integração do "ESP8266" com o "IoT Core" da AWS
Caso não tenha a IDE do Arduino instalada no seu computador, faça o Download do IDE no link: https://www.arduino.cc/en/software e efetue a instalação
Configurar o Arduino para poder programar o microcontrolador NodeMCU ESP8266.
No menu, selecione Arquivo / Preferências, e cole o link abaixo no item URLs Adicionais para Gerenciadores de Placas, conforme imagem:
http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json
No menu, selecione Ferramentas / Placa / Gerenciador de Placas. No campo para pesquisa procure por ESP8266 e realize a instalação do pacote, selecionando "Instalar”
No menu Ferramentas / Placa / ESP8266 Boards (v 3.0.2), selecione o modelo NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module), conforme imagem abaixo:
Instalar as Bibliotecas necessárias, conforme lista de Bibliotecas. Lembrando que as últimas duas da lista são Bibliotecas para tratar o sensor de Temperatura e sua instalação é opcional dependendo do seu objetivo.
Para realizar a instalação das Bibliotecas, é necessário:
. Baixar os Arquivos Zip das mesmas
. Realizar a instalação, através do menu "Sketch / Incluir Biblioteca / Adicionar Biblioteca.zip", conforme imagem abaixo:
Para facilitar estou disponibilizando os arquivos no github, mas se necessário, poderá obter através dos links do item Bibliotecas utilizadas
. Faça este processo para cada uma das Bibliotecas (.zip)
. Baixar os arquivos IoTCore-AWS-ESP8266.ino e secret.h disponibilizados neste Git.
. No menu do Arduino IDE, selecionar Arquivo / Novo. Será gerado um arquivo "Sketch_XXXXX".
. Basta abrir o arquivo IoTCore-AWS-ESP8266.ino baixado no passo 01 no editor de sua preferência, copiar as linhas e colar no arquivo criado no Arduino IDE.
. No menu, selecione a opção Sketch / Adicionar Arquivo e selecione o arquivo secret.h baixado no passo 01
. Utilizar a opção do menu Arquivo / Salvar Como..." e salvar o projeto com o nome de sua preferência ou o mesmo nome do arquivo disponibilizado (IoTCore-AWS-ESP8266)
Observações:
O arquivo IoTCore-AWS-ESP8266.ino, contem os códigos necessários para conectar com a sua rede WiFi, realizar a integração com o IoT Core AWS, Geração de JSON, Publish, Subscribe, e por aí vai.
O arquivo secrets.h, conterá os certificados necessários para realização de uma conexão segura com o AWS IoT Core, bem como as informações para conexão no WiFi.
Se for a primeira vez que está desenvolvendo algo no Arduino, vale lembrar as duas principais funções e que sem as mesmas seu programa não funcionará.
Função setup()
É executada apenas uma vez na inicialização ou no reset do microcontrolador, e é nela que você deverá descrever as configurações e instruções gerais para preparar o programa antes que o loop principal seja executado. A função setup() é responsável pelas configurações iniciais da placa.
Função loop()
É a função principal do programa e é executada continuamente enquanto a placa microcontroladora estiver ligada. É nesta função que todos os comandos e operações deverão ser escritos. Literalmente ela fica em LOOP executando seus comandos, portanto, é comum controlar os Delays necessários para a correta execução.
Agora vamos aos passos de criação do IoT na AWS. Posteriormente voltaremos à IDE do Arduino para cmomplementar as informações do programa, conforme o avanço dos próximos passos.
Caso não tenha uma conta na AWS, efetue o cadastramento no site da AWS
Acessar a Console da AWS (AWS Management Console) e escolher a Região de sua preferência (ex: São Paulo é "South America (São Paulo) sa-east-1)"
Para este processo eu utilizei a Região US West (N. California )us-west-1. Caso utilize alguma outra região, podem existir diferenças entre as Consoles, mas de qualquer forma, conseguirá realizar as etapas sem dificuldades :)
Na barra superior pesquisar o serviço IoT Core, conforme imagem abaixo: (Selecionar opção IoT Core)
Selecione a opção "Manage / Things" no menu lateral. Será apresentada a seguinte janela.
Chegou a hora de criar a sua "coisa" (IoT | Internet das coisas | Internet of Things) :)
Para isto, basta Clicar no botão Create things e seguir os passos conforme imagens abaixo:
Digitar o "nome da coisa" Thing name
Clicar em Next
Clicar em Create thing
Perceba que não estamos criando uma Policy neste momento. Faremos isso nos próximos passos, visando compreender melhor o formato da mesma.
Será aberta uma janela para que realize o download dos certificados gerados.
ATENÇÃO, pois este é o ÚNICO momento de realizar esta etapa
Estes certificados é que irão garantir uma conexão segura entre o dispositivo e o IoT AWS
Criar a Shadow do IoT Core, conforme imagens abaixo:
Agora precisaremos copiar o Endpoint do Thing que será utilizado para comunicação entre o ESP8266 e a AWS
Basta selecionar a aba Interact e clicar no botão View Settings, conforme imagens abaixo:
Agora copie o endereço Endpoint apresentado e cole em algum editor pois precisaremos dele nos próximos passos.
Agora vamos criar a Policy e atachar a mesma no certificado. Esta Policy é que irá permitir o uso dos serviços de IoT.
. No menu lateral, clicar em Security, Policies e Create policy
. Preencher as informações solicitadas:
. name IoTSensorPolicy
. Action Iot.*
. Resource ARN *
. Effect Allow
. Clicar em Create
Obs: Perceba que neste caso estamos dando total permissão para uso dos serviços relacionados ao IoT Core. Mas é indicado por melhores práticas de segurança, limitar somente ao que realmente irá executar. (Ex: Permitir somente Subscriber para um determinado Thing/Tópico).
Agora temos que atachar a Policy ao Certificado
. No menu lateral, clicar em Security, Certificates e selecione o Certificado que foi criado no passo 04.
. Selecione a opção Actions / Attach policy
. Selecione a policy criada no passo anterior e clique em Attach
A "primeira parte" de configuração da ASW foi concluída. Chegou a vez de atualizar os arquivos IoTCore-AWS-ESP8266.ino e secret.h diretamente na IDE do Arduino. Lembrando que você realizou a etapa do Passo 06, no item Instalação do Arduino.
No arquivo IoTCore-AWS-ESP8266.ino, alterar as informações de Shadows Publish e Subscribe, com o Thing name que você definiu (no exemplo usamos myespwork). Substituir o "XXXXX" pelo nome do seu Thing.
//Informa os shadows de Publish e Subscribe
const int MQTT_PORT = 8883;
const char MQTT_SUB_TOPIC[] = "$aws/things/XXXXXXX/shadow/name/sensor/get";
const char MQTT_PUB_TOPIC[] = "$aws/things/XXXXXXX/shadow/name/sensor";
Se NÃO FOR UTILIZAR o sensor de Temperatura e enviar dados hardcoded, é necessário comentar todos os códigos abaixo:
#include <DHT.h> //Inclui a biblioteca DHT Sensor Library
#define DHTPIN 5 //Pino digital 5 (pino D1) conectado ao DHT11
#define DHTTYPE DHT11 //DHT 11
//Inicializando o objeto dht do tipo DHT passando como parâmetro o pino (DHTPIN) e o tipo do sensor (DHTTYPE)
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
//captura informações do sensor
vlUmidade = dht.readHumidity(); //lê o valor da umidade e armazena na variável do tipo float (aceita números com casas decimais)
vlTemperatura = dht.readTemperature(); //lê o valor da temperatura e armazena na variável do tipo float (aceita números com casas decimais)
if (isnan(vlUmidade) || isnan(vlTemperatura)) { //Verifica se a umidade ou temperatura são ou não um número
Serial.println("Erro ao obter temperatura");
return; //Caso não seja um número retorna
}
Selecionar o arquivo secret.h que foi incluído no passo 06 da Instalação do Arduino, conforme abaixo:
Alterar as informações conforme abaixo:
. Informar nas variáveis ssid e pass o nome da rede e a senha para conexão com wifi
. Informar na variável THINGNAME o nome da Thing criado no IoT Core
. Informar na variável MQTT_HOST o Endpoint criado para o Thing
. Informar as variáveis de Certificados
. cacert - as informações contidas no certificado "AmazonRootCA1.pem"
. client_cert - informações contidas no certificado "xxxxxxx-certificate.pem"
. private_key - informações contidas no certificado "xxxxxx-private.pem.key"
Basta abrir os arquivos na pasta onde os downloads dos certificados foram realizados, copiar o texto e colar, substituindo o texto **"COLE AQUI OS DADOS/INFORMAÇÕES...."
Agora salve e arquivo e compile o programa IoTCore-AWS-ESP8266.ino
Você já pode carregar o código no microcontrolador, usando a IDE Arduino, mas lembre-se que ainda faltam os passos para o armazenamento das informações.
Osbervação: Os próximos 3 tópicos obrigatórios caso queira que todo Publish seja armazenado em Banco de Dados. Caso contrário, não precisará executar as etapas dos tópicos de Criação de Tabela DynamoDB, Criação da Função Lambda, Criar Trigger / Action - IoT Core com a Função Lambda, que estarão mais adiante.
Na console da AWS, selecione o serviço DynamoDB, conforme imagem abaixo:
Selecionar opção Tables e clicar no botão Create Table
Neste tópico "vamos fazer o básico" e criaremos uma tabela com uma chave primária do tipo numérica que armazenará a data e hora do registro no formato NUMBER, pois armazenaremos a chave com o Ano+Mês+Dia+Hora+Min+Seg (AAAAMMDDHHMMSS).
Não entrarei em detalhes em relação à Sort Keys, Índices, TTL, Etc. Mas dependendo da forma que for tratar as informações (leitura, Exclusão, Atualização) é fundamental que pense nestes pontos antes de criação da tabela, pois com certeza influenciarão em questões de Performance, Custos $$$, Etc. #Fica a Dica!!!
Antes de criar a Função Lambda, vamos criar as permissões, dado que a Função irá acionar um serviço do DynamoDB e para isso é necessário que as permissões seja concedidas.
No Identity and Access Management (IAM), Clicar em Policies e em seguida Create Policy
Opção 01 - Clicar em JSON e colar a Policy abaixo
{
"Version": "2012-10-17",
"Statement": [
{
"Sid": "VisualEditor0",
"Effect": "Allow",
"Action": "dynamodb:*",
"Resource": "*"
}
]
}
Opção 02 - Seguir os passos abaixo:
. Clicar em Choose a service e informar DynamoDB para o filtro e selecione a opção DynamoDB
. Selecionar a opção "All DynamoDB actions (dynamodb:*)"
. Clicar no item Resources e selecione a opção "All Resources"
. Clicar no botão Next: Tags
. Clicar no botão Next: Review
Continua para ambas as opções:
. Informar um nome para a policy (myPolicyDynamoDB)
. Clicar no botão Create policy
Nota: O procedimento acima dá acesso total à todas as tabelas do DynamoDB. Deixei desta forma, visando facilitar caso queiram criar serviços de consulta, etc. Normalmente damos somente os acessos necessários, como por exemplo: "Acesso somente à Putitem de uma determinada tabela e para um determinado recurso" :)
No Identity and Access Management (IAM), Clicar em Roles e em seguida Create role
. Clicar em Lambda e em Next: Permissions
. No campo Filter policies, digite o nome da policy criada no passo anterior (myPolicyDinamoDB)
. Clicar em Next: tags
. Clicar em Next: Review
. Informar um nome para a role (myRoleLambda-Dynamo)
. Clicar no botão Create role
Na console da AWS, selecione o serviço Lambda, conforme imagem abaixo:
Selecionar opção Function e clicar em Create function e preencher as informações conforme imagem abaixo:
A função será gerada e apresentada na Console
Copiar o conteúdo do arquivo RegistroTemperatura.py disponibilizado neste Git e substituir a função padrão criada de forma padrão.
Atentar para substituir o nome da tabela com o nome da tabela que foi criada
Clicar em Deploy
Para realizar um teste, acesse a aba Test, preencha as informações do JSON de entrada (exemplo abaixo), informe o name do Test (qualquer nome) e clique em Test
{
"Temperatura": "28.80",
"Umidade": "60.00"
}
Verificar resultado
Retornando Status code 200, vale conferir no DynamoDB se o item foi incluído.
Agora que temos nossa Function Lambda criada, é necessário realizar a configuração para que, ao receber um Publish, o IoT Core acione a função Lambda que incluirá o item no DynamoDB, conforme proposta do Desenho de Solução.
Na Console da AWS, selecionar o serviço IoT Core, e no menu lateral selecionar a opção Things. Selecione o Thing criado anteriormente clicando sobre o nome do mesmo. (ex: myespwork)
Acesse a aba Shadow e copie o conteúdo da coluna MQTT topic prefix, conforme imagem abaixo:
No menu lateral selecionar a opção Act / Rules, em seguida clicar no botão Create a rule
Preencher as informações conforme detalhes e imagem abaixo:
. Preencher o nome da rule (Exemplo: IoTInvokeLambdaRule)
. No campo Rule query statement, preencher com o conteúdo com base na informação copiada do item shadow (MQTT topic prefix). Se o nome do seu Thing for myespwork e o nome do seu shadow for sensor, ficará exatamente igual ao exemplo abaixo. Caso contrário, basta substituir o texto "myespwork" pelo nome do seu Thing e o texto "sensor" pelo nome do seu shadow.
. Neste caso, estamos indicando que para cada Publish recebido no tópico, ele irá acionar a função Lambda enviando as informações recebidas, mas você pode reestruturar a sua query da "forma que quiser", ou seja, consegue filtrar em qual condição você quer se seja acionada a função Lambda.
Exemplo:
SELECT * FROM '$aws/things/myespwork/shadow/name/sensor'
Clicar no botão Add action do item Set one or more actions
. Irá aparecer a lista de serviços que podemos triggar.
. Para a finalidade proposta, selecione a opção Send a message to a Lambda function e clique em Configure action
. Agora você irá escolher o qual função será invokada quando o IoT Core for acionado. Selecionar a função a criada e em seguida clicar em Add action.
. Para finalizar a criação da rule, clique no botão Create rule
Irá aparecer a tela abaixo:
Você também pode ir no menu do Lambda function, selecionar a função criada e perceber que o trigger foi criado com sucesso, conforme imagem abaixo:
Agora é só testar..
Você pode começar a testar diretamente pela console da AWS, efetuando os Publish e Subscribe no tópico criado.
Lembrando que se foram utilizados os nomes conforme os exemplos, você utilizará para esse propósito os seguintes shadows. Basta realizar os testes e verificar se os itens estão sendo gravados no DynamoDB.
Shadows
$aws/things/myespwork/shadow/name/sensor
$aws/things/myespwork/shadow/name/sensor/get
JSON
{
"Temperatura": "28.80",
"Umidade": "60.00"
}
Obs 01: Se você estiver com o Arduino conectado ao cabo USB ou Bateria (ou seja ligado), ele já estará executando os comandos que foram programados. Para isso, basta acessar a Console do Arduino, no menu Ferramentas / Monitor Serial" e acompanhar:
obs: existem diversos shadows que podem ser utilizados conforme a sua necessidade. Para conhecer maiores detalhes, vale a pena conferir a documentação na AWS
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Marcelo Nardi (Sal)
Arquiteto de Soluções
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