【实战经验】使用B-L475E-IOT01A探索套件连接AWS IOT平台

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zero99 发布时间：2017-5-31 11:22

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使用B-L475E-IOT01A探索套件连接AWS IOT平台

前言
ST新近推出一款物联网套件B-L475E-IOT01A，支持WIFI，蓝牙，SubG, NFC等多种无线连接方式。而且因为它还支持Arduino接口，所以使用者也可以很方便的通过Arduino接口来扩展其他的无线连接模块，比如GSM模块。
这块开发板使用的是ST低功耗MCU系列中的STM32L475这款芯片，拥有1Mbytes的Flash和128Kbytes的SRAM。板上还集成了64Mbits的Quad-SPI Flash。而且板上还搭载了多种传感器，比如温湿度传感器，高性能3轴磁力计，加速度传感器，陀螺仪，接近传感器和压力传感器等。便于开发者用来进行多种应用的演示。
板子上还有两个数字全角度麦克风，所以用这块开发板，还可以实现语音控制的功能。
配合这个套件，ST还推出了基于Cube库的X-CUBE-AWS软件扩展包。提供了连接到AWS IOT平台，进行订阅消息和向云端发布消息的应用例程，远程固件升级的功能等。可以到ST官网下载， http://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/mcus-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32cube-expansion-software/x-cube-aws.html 。
ST官方提供了用户手册对该套件进行了详细介绍，但对于第一次接触物联网和AWS IOT平台的使用者来说，对于某些功能可能还是会不知道怎么下手。
所以笔者经过自己的尝试后，在本文中将一步步介绍如何连接到AWS IOT平台进行消息的发布订阅，和进行远程固件升级。

AWS IOT平台
AWS的IOT平台支持各物联网设备之间通过MQTT，HTTP或者Websocket的方式进行双向的，安全的通信。借助AWS IOT，应用程序可以随时跟踪所有设备并与其通信，即使这些设备不在线。
在安全方面，AWS采取双向认证，除了对服务器的认证，AWS提供X.509数字证书来认证IOT设备。IOT设备可以使用AWS为其生成的证书，也可以用其他证书颁发机构（CA）签署的证书。证书分配和激活后，保存在设备端。

AWS IOT例程
B-L475E-IOT01A对应的STM32 AWS IOT软件扩展包中的例程是基于MQTT的方式与AWS进行连接的，MQTT之下应用了mbedTLS中间件来建立安全连接。
MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)是一个轻量级的通信协议，为资源受限的网络客户端提供一种简单的方式进行消息的交互，在物联网有着广泛的应用。MQTT使用发布/订阅消息的模式，实现一对多消息分发。MQTT运行在TCP之上，基于客户端-服务器架构。在MQTT协议中，有三种角色：发布者（Publisher）,代理（Broker）,订阅者（Subscriber）。发布者和订阅者是客户端，一般的设备节点，手机APP都是客户端。代理是服务器，像AWS IOT，百度IOT等都是服务器。设备节点和手机APP向代理（AWS，百度云等）发送消息或者订阅消息。
STM32 AWS IOT软件扩展包中的例程中，L475IOT探索套件通过MQTT连接到AWS IOT平台，向AWS IOT平台发布传感器数据。我们可以通过AWS IOT提供的网页客户端来订阅L475IOT探索套件发布的消息。在下面，将介绍如何一步步搭建并运行这个例程。
硬件连接方面很简单，将B-L475E-IOT01A板子通过ST-LINK接口连接到PC。PC上安装好一个串口调试工具，推荐用Tera Term。另外需要一个可以连接到外网的无线路由器, B-L475E-IOT01A将通过这个无线路由器上网，连接到AWS IOT平台。串口调试工具用来在首次运行时对B-L475E-IOT01A板子上的WIFI模块进行配网和进行AWS的安全配置等，并输出程序运行信息。具体可以参考ST官方文档UM2178。

创建AWS IOT安全证书
在用L475IOT探索套件连接AWS IOT之前，需要先在AWS IOT平台上创建实例（Things）,策略（Policy）和证书（Certificates）,并且将实例，策略与证书绑定。
Step1：申请一个免费的AWS账户
Step2：登录AWS，进入AWS IoT控制台
选择注册“Registry”---->实例”Things“。在这一步，我们会新注册一个名为L475_Node的实例.

L475_Node已经注册完成，接下来需要创建设备证书。
Step3: 在实例（Thing）L475_Node下，选择安全(Security)。按照下面的步骤创建并激活设备证书。

AWS IOT平台会产生一个设备证书和一组密钥对，在设备认证时使用。另外还需要下载AWS IOT的根证书（root CA）来进行对服务器的认证。所以这里需要将设备证书，密钥对，AWS IOT的根证书下载并保存在一个安全的地方（第3步）。
最后点击Active激活设备证书。
Step4：接下来创建一个Policy并绑定到前面建立的证书。再将证书绑定到前面创建好的实例L475_Node。

Policy的内容规定了对哪些资源可以做哪些操作。可以填写Action和Resource ARN来一条一条的输入，也可以选择Advance mode一次性输入。如下图，

将下面的policy输入到上图5所指的位置。

创建好Policy后，接下来将其与前面创建的Certificate绑定。

将证书绑定到实例L475_Node,

Step5:完成上面的操作后，在Registry--->Things-->L475_Node下的Interact页面里可以看到服务器的地址。这个就是设备要连接的服务器的地址。需要通过串口助手写到Flash中。

运行AWS IOT例程
现在在云端的设置已经完成，接下来我们打开X-CUBE-AWS软件包中的B-L475E-IOT01对应的AWS例程（\Projects\B-L475E-IOT01\Applications\Cloud\AWS）。
Step1:编译工程，下载到L475探索套件。

Step2: 复位运行程序，通过串口给WIFI模块配网。串口配置为：115200波特率，8位数据位，无奇偶校验，1位停止位。串口调试工具的具体配置见UM2178.

输入无线路由器的SSID和密码

Step3：输入AWS安全配置
按照串口提示，依次输入AWS的根证书，设备证书，设备私钥，服务器地址（在上一章节“创建AWS IOT安全证书”的Step5中记录下来的服务器地址）和设备名称(L745_Node)等。
如果网络连接没有问题，B-L475E-IOT01板子就会自动连接到AWS IOT平台，并发送消息了。在该例程里，设备的状态信息（板上的传感器数据）是发送到AWS的影子设备的主题：“$aws/things/L475_Node/shadow/update”。 “$”开头的主题是AWS IOT平台的系统保留主题。你也可以发送到自己定义的主题。

Step4: 运行AWS网页版客户端来订阅消息。按照下面的步骤打开网页版客户端。

这个网页版的客户端连接到服务器的时候，自动订阅了实例的影子设备的主题“$aws/things/L475_Node/shadow/update/accepted”。只要设备有上传信息，这里都可以自动收到。

Step5: 通过网页版客户端控制板子上的LED灯。
在发布消息区，填写主题和发布的消息内容（JSON格式）

控制LED灯的消息内容如下，修改”LED_value”的值，就可以控制板子上的LED灯亮灭了。

远程固件升级
在X-CUBE-AWS软件包里，B-L475E-IOT01的工程里面包括一个远程固件升级的例程，是用HTTP实现的。使用该例程中，升级文件以2K字节的大小下载烧写到Flash。所以要求HTTP服务器支持http/1.1和分段式下载（Progressive http download）。升级文件要求是IAR的sim（simple code file）格式,使用IAR可以直接生成。在软件包里并没有具体说明怎么将升级文件放到http server。这里我们利用AWS的S3来保存升级文件，然后用B-L475E-IOT01板子来测试远程升级的功能。
在AWS的S3里新建一个bucket，上传升级文件到这个bucket下，如下图（具体操作参考AWS的S3使用说明）

点击文件名，获取文件在服务器上的路径，见下图：
这里显示的是https的链接地址，但S3支持http，只需要将地址中的https改为http就可以用了。

在设备端操作，进行远程固件升级：
复位板子，根据串口的提示。在“Firmware version management”阶段，根据提示，选择下载固件，并输入升级文件的URL地址。

前面介绍的是升级文件放在AWS的S3存储服务器上进行升级测试的方法。你也可以通过HTTP File Server来在本地模拟一个HTTP服务器来进行远程固件升级的测试。

参考文档
1. UM2178—Getting started with X-CUBE-AWS Amazon web services IoT software expansion for STM32Cube
2. UM2153-Discovery kit for IoT node, multi-channel communication with STM32L4
3. AWS IoT Developer Guide.