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Tutorial: Conexión de un dispositivo a AWS IoT Core mediante el AWS IoT dispositivo SDK

Este tutorial muestra cómo conectar un dispositivo para que AWS IoT Core pueda enviar y recibir datos desde y hacia AWS IoT. Después de completar este tutorial, el dispositivo se configurará para conectarse AWS IoT Core y comprenderá cómo se comunican los dispositivos con ellos AWS IoT.

Requisitos previos

Antes de empezar este tutorial, asegúrese de que ha:

Prepara tu dispositivo para AWS IoT

En Cómo empezar con AWS IoT Core los tutoriales, preparó su dispositivo y su cuenta AWS para que pudieran comunicarse. En esta sección se analizan los aspectos de esa preparación que se aplican a cualquier dispositivo que se conecte a AWS IoT Core.

Para conectar un dispositivo a AWS IoT Core:

Revise el MQTT protocolo

Antes de hablar de la aplicación de muestra, es útil entender el MQTT protocolo. El MQTT protocolo ofrece algunas ventajas sobre otros protocolos de comunicación de red, por ejemploHTTP, lo que lo convierte en una opción popular para los dispositivos de IoT. En esta sección se revisan los aspectos clave MQTT que se aplican a este tutorial. Para obtener información sobre cómo MQTT se compara conHTTP, consulteElección de un protocolo de aplicación para la comunicación entre dispositivos.

MQTTutiliza un modelo de comunicación de publicación/suscripción

El MQTT protocolo utiliza un publish/subscribe communication model with its host. This model differs from the request/response modelo que HTTP utiliza. ConMQTT, los dispositivos establecen una sesión con el host que se identifica mediante un ID de cliente único. Para enviar datos, los dispositivos publican los mensajes identificados por temas en un agente de mensajes del host. Para recibir mensajes del agente de mensajes, los dispositivos se suscriben a los temas enviando filtros de temas en las solicitudes de suscripción al agente de mensajes.

MQTTadmite sesiones persistentes

El agente de mensajes recibe los mensajes de los dispositivos y los publica en los dispositivos que se han suscrito a ellos. Con las sesiones persistentes (sesiones que permanecen activas incluso cuando el dispositivo de inicio está desconectado), los dispositivos pueden recuperar los mensajes que se publicaron mientras estaban desconectados. Por el lado del dispositivo, MQTT admite niveles de calidad de servicio (QoS) que garantizan que el host reciba los mensajes enviados por el dispositivo.

Revisa la aplicación de SDK ejemplo de dispositivo pubsub.py

En esta sección se analiza la aplicación de pubsub.py ejemplo del AWS IoT dispositivo SDK v2 para Python que se utiliza en este tutorial. Aquí veremos cómo se conecta a los MQTT mensajes AWS IoT Core para publicar y suscribirse a ellos. En la siguiente sección se presentan algunos ejercicios que le ayudarán a explorar cómo se conecta y se comunica un dispositivo con él AWS IoT Core.

Protocolos de comunicación

En el pubsub.py ejemplo se muestra una MQTT conexión mediante los WSS protocolos MQTT and MQTT over. La biblioteca AWS common runtime (AWS CRT) proporciona compatibilidad con el protocolo de comunicación de bajo nivel y se incluye con AWS IoT Device SDK v2 para Python.

MQTT

El pubsub.py ejemplo de llamadas mtls_from_path (que se muestra aquí) es mqtt_connection_builderpara establecer una conexión AWS IoT Core mediante el MQTT protocolo. mtls_from_pathutiliza los certificados X.509 y la TLS versión 1.2 para autenticar el dispositivo. La AWS CRT biblioteca gestiona los detalles de nivel inferior de esa conexión.

mqtt_connection = mqtt_connection_builder.mtls_from_path(
    endpoint=args.endpoint,
    cert_filepath=args.cert,
    pri_key_filepath=args.key,
    ca_filepath=args.ca_file,
    client_bootstrap=client_bootstrap,
    on_connection_interrupted=on_connection_interrupted,
    on_connection_resumed=on_connection_resumed,
    client_id=args.client_id,
    clean_session=False,
    keep_alive_secs=6
)

MQTTterminado WSS

El pubsub.py ejemplo de llamadas websockets_with_default_aws_signing (que se muestra aquí) es mqtt_connection_builderpara establecer una conexión con el AWS IoT Core uso del MQTT protocolo overWSS. websockets_with_default_aws_signingcrea una MQTT conexión WSS mediante Signature V4 para autenticar el dispositivo.

mqtt_connection = mqtt_connection_builder.websockets_with_default_aws_signing(
    endpoint=args.endpoint,
    client_bootstrap=client_bootstrap,
    region=args.signing_region,
    credentials_provider=credentials_provider,
    websocket_proxy_options=proxy_options,
    ca_filepath=args.ca_file,
    on_connection_interrupted=on_connection_interrupted,
    on_connection_resumed=on_connection_resumed,
    client_id=args.client_id,
    clean_session=False,
    keep_alive_secs=6
)

HTTPS

¿Sobre quéHTTPS? AWS IoT Core admite dispositivos que publican HTTPS solicitudes. Desde el punto de vista de la programación, los dispositivos envían HTTPS solicitudes al AWS IoT Core igual que cualquier otra aplicación. Para ver un ejemplo de un programa de Python que envía un HTTP mensaje desde un dispositivo, consulta el ejemplo de HTTPS código con la requests biblioteca de Python. En este ejemplo se envía un mensaje AWS IoT Core a HTTPS un usuario que lo AWS IoT Core interpreta como un MQTT mensaje.

Si bien AWS IoT Core admite HTTPS las solicitudes de los dispositivos, asegúrese de revisar la información al respecto Elección de un protocolo de aplicación para la comunicación entre dispositivos para poder tomar una decisión informada sobre qué protocolo utilizar para las comunicaciones de su dispositivo.

Sesiones persistentes

En la aplicación de ejemplo, si se establece el parámetro clean_session en False indica que la conexión debe ser persistente. En la práctica, esto significa que la conexión abierta por esta llamada se vuelve a conectar a una sesión persistente existente, si existe alguna. De lo contrario, crea una nueva sesión persistente y se conecta a ella.

Con una sesión persistente, el agente de mensajes almacena los mensajes que se envían al dispositivo mientras el dispositivo no está conectado. Cuando un dispositivo se vuelve a conectar a una sesión persistente, el agente de mensajes envía al dispositivo todos los mensajes almacenados a los que se haya suscrito.

Sin una sesión persistente, el dispositivo no recibirá los mensajes que se envíen mientras no esté conectado. La opción que utilices dependerá de la aplicación que utilices y de si es necesario comunicar los mensajes que se produzcan mientras el dispositivo no está conectado. Para obtener más información, consulte Sesiones persistentes de MQTT.

Calidad de servicio

Cuando el dispositivo publica mensajes y se suscribe a ellos, se puede establecer la calidad de servicio (QoS) preferida. AWS IoT admite los niveles de QoS 0 y 1 para las operaciones de publicación y suscripción. Para obtener más información sobre los niveles de QoS en AWS IoT, consulte. Opciones de calidad de servicio (QoS) de MQTT

El AWS CRT tiempo de ejecución de Python define estas constantes para los niveles de QoS que admite:

En la aplicación de ejemplo, las solicitudes de publicación y suscripción se realizan con un nivel de QoS de 1 (mqtt.QoS.AT_LEAST_ONCE).

Publicación de mensajes

Tras establecer correctamente una conexión con AWS IoT Core, los dispositivos pueden publicar mensajes. La muestra pubsub.py lo hace llamando a la operación publish de la cosa mqtt_connection.

mqtt_connection.publish(
    topic=args.topic,
    payload=message,
    qos=mqtt.QoS.AT_LEAST_ONCE
)

Suscripción a mensajes

Para recibir mensajes de otros servicios AWS IoT y dispositivos, los dispositivos se suscriben a esos mensajes por el nombre del tema. Los dispositivos pueden suscribirse a mensajes individuales especificando un nombre de tema y a un grupo de mensajes especificando un filtro de tema, que puede incluir caracteres comodín. En el ejemplo pubsub.py, se utiliza el código que se muestra aquí para suscribirse a los mensajes y registrar las funciones de devolución de llamada para procesar el mensaje una vez recibido.

subscribe_future, packet_id = mqtt_connection.subscribe(
    topic=args.topic,
    qos=mqtt.QoS.AT_LEAST_ONCE,
    callback=on_message_received
)
subscribe_result = subscribe_future.result()

La función mqtt_connection.subscribe devuelve un futuro y un ID de paquete. Si la solicitud de suscripción se inició correctamente, el identificador del paquete devuelto es superior a 0. Para asegurarse de que el agente de mensajes recibió y registró la suscripción, debe esperar a que se devuelva el resultado de la operación asíncrona, como se muestra en el ejemplo de código.

Función de devolución de llamada

La devolución de llamada del ejemplo pubsub.py procesa los mensajes suscritos a medida que el dispositivo los recibe.

def on_message_received(topic, payload, **kwargs):
    print("Received message from topic '{}': {}".format(topic, payload))
    global received_count
    received_count += 1
    if received_count == args.count:
        received_all_event.set()

En el ejemplo pubsub.py, on_message_received solo muestra el tema y su carga útil. También cuenta los mensajes recibidos para finalizar el programa una vez alcanzado el límite.

Su aplicación evaluaría el tema y la carga útil para determinar qué acciones debe realizar.

Desconexión y reconexión del dispositivo

El ejemplo pubsub.py incluye funciones de devolución de llamada que se invocan cuando el dispositivo se desconecta y cuando se restablece la conexión. Las acciones que realiza el dispositivo ante estos eventos son específicas de la aplicación.

Cuando un dispositivo se conecta por primera vez, debe suscribirse a los temas para poder recibirlos. Si la sesión de un dispositivo está presente cuando se vuelve a conectar, sus suscripciones se restauran y todos los mensajes almacenados en esas suscripciones se envían al dispositivo una vez que se vuelve a conectar.

Si la sesión de un dispositivo ya no existe cuando se vuelve a conectar, debe volver a suscribirse a sus suscripciones. Las sesiones persistentes tienen una vida útil limitada y pueden caducar si el dispositivo se desconecta durante demasiado tiempo.

Conecta tu dispositivo y comunícate con AWS IoT Core

En esta sección se presentan algunos ejercicios que le ayudarán a explorar diferentes aspectos de la conexión del dispositivo a AWS IoT Core. Para estos ejercicios, utilizarás el cliente de MQTT prueba de la AWS IoT consola para ver lo que publica el dispositivo y publicar los mensajes en el dispositivo. Estos ejercicios utilizan el pubsub.pyejemplo de AWS IoT Device SDK v2 para Python y se basan en su experiencia con Cómo empezar con AWS IoT Core los tutoriales los tutoriales.

Para estos ejercicios, empezará con el programa de ejemplo pubsub.py.

Suscríbase a los filtros de temas comodín

En este ejercicio, modificará la línea de comandos utilizada para llamar a pubsub.py para suscribirse a un filtro de temas comodín y procesará los mensajes recibidos en función del tema del mensaje.

Procedimiento del ejercicio

Para este ejercicio, imagine que su dispositivo contiene un control de temperatura y un control de luz. Utiliza estos nombres de temas para identificar los mensajes sobre ellos.

Resultado del ejercicio

Con esto, pubsub.py, se suscribió a los mensajes mediante un filtro de temas comodín, los recibió y los mostró en la ventana del terminal. Observa cómo te has suscrito a un único filtro de temas y que se ha llamado a la función de devolución de llamada para procesar los mensajes que tienen dos temas distintos.

Procesar suscripciones de filtro de temas

Basándose en el ejercicio anterior, modifique la aplicación de ejemplo pubsub.py para evaluar los temas de los mensajes y procesar los mensajes suscritos en función del tema.

Procedimiento del ejercicio

Debería ver algo similar a esto en la ventana de su terminal.

Connecting to a3qexamplesffp-ats.iot.us-west-2.amazonaws.com with client ID 'test-af794be0-7542-45a0-b0af-0b0ea7474517'...
Connected!
Subscribing to topic 'device/+/details'...
Subscribed with QoS.AT_LEAST_ONCE
Waiting for all messages to be received...
Received message from topic 'device/light/details': b'{ "desiredLight": 100, "currentLight": 50 }'
Received light request: b'{ "desiredLight": 100, "currentLight": 50 }'
Received message from topic 'device/temp/details': b'{ "desiredTemp": 20, "currentTemp": 15 }'
Received temperature request: b'{ "desiredTemp": 20, "currentTemp": 15 }'
2 message(s) received.
Disconnecting...
Disconnected!

Resultado del ejercicio

En este ejercicio, ha añadido código para que la aplicación de ejemplo reconozca y procese varios mensajes en la función de devolución de llamada. Con ello, su dispositivo podrá recibir mensajes y actuar en consecuencia.

Otra forma de que el dispositivo reciba y procese varios mensajes consiste en suscribirse a distintos mensajes por separado y asignar cada suscripción a su propia función de devolución de llamada.

Publique mensajes desde su dispositivo

Puede utilizar la aplicación de ejemplo pubsub.py para publicar mensajes desde su dispositivo. Si bien publicará los mensajes tal como están, los mensajes no se pueden leer como JSON documentos. Este ejercicio modifica la aplicación de ejemplo para poder publicar JSON documentos en la carga útil de mensajes que se puedan leer con ellos. AWS IoT Core

Procedimiento del ejercicio

En este ejercicio, se enviará el siguiente mensaje con el tema device/data.

{
    "timestamp": 1601048303,
    "sensorId": 28,
    "sensorData": [
        {
        "sensorName": "Wind speed",
        "sensorValue": 34.2211224
        }
    ]
}

De forma predeterminada, pubsub3.py también se suscribe a los mensajes que envía. Debería ver que recibió los mensajes en la salida de la aplicación. La ventana de la terminal debe tener un aspecto similar al siguiente.

Connecting to a3qEXAMPLEsffp-ats.iot.us-west-2.amazonaws.com with client ID 'test-5cff18ae-1e92-4c38-a9d4-7b9771afc52f'...
Connected!
Subscribing to topic 'device/data'...
Subscribed with QoS.AT_LEAST_ONCE
Sending 2 message(s)
Publishing message to topic 'device/data': {"timestamp":1601048303,"sensorId":28,"sensorData":[{"sensorName":"Wind speed","sensorValue":34.2211224}]}
Received message from topic 'device/data': b'{"timestamp":1601048303,"sensorId":28,"sensorData":[{"sensorName":"Wind speed","sensorValue":34.2211224}]}'
Publishing message to topic 'device/data': {"timestamp":1601048303,"sensorId":28,"sensorData":[{"sensorName":"Wind speed","sensorValue":34.2211224}]}
Received message from topic 'device/data': b'{"timestamp":1601048303,"sensorId":28,"sensorData":[{"sensorName":"Wind speed","sensorValue":34.2211224}]}'
2 message(s) received.
Disconnecting...
Disconnected!

Resultado del ejercicio

De este modo, el dispositivo puede generar mensajes para enviarlos AWS IoT Core a fin de probar la conectividad básica y proporcionar mensajes al dispositivo AWS IoT Core para su procesamiento. Por ejemplo, puedes usar esta aplicación para enviar datos de prueba desde tu dispositivo para probar las acciones de las AWS IoT reglas.

Revisión de los resultados.

Los ejemplos de este tutorial le proporcionaron una experiencia práctica sobre los conceptos básicos de cómo los dispositivos pueden comunicarse con ellos AWS IoT Core, una parte fundamental de su AWS IoT solución. Cuando sus dispositivos pueden comunicarse AWS IoT Core, pueden enviar mensajes a los AWS servicios y otros dispositivos desde los que pueden actuar. Del mismo modo, AWS los servicios y otros dispositivos pueden procesar información que resulta en el envío de mensajes a tus dispositivos.

Cuando esté listo para AWS IoT Core seguir explorando, pruebe estos tutoriales: