亚马逊AWS官方博客

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.thinkwithwp.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。

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:

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:

cd ~/esp

git clone --recursive https://github.com/espressif/esp-idf.git

执行结果如图:

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:
      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。

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:

printenv IDF_PATH

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:

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:

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:

cd ~/esp/aws_iot_demo/

输入命令进入配置界面:

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。

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。

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)。

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。

保存并退出到命令界面后需要等待一下完成配置:

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,

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:

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。

make monitor

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:

也可以推送一个消息到ESP32,编辑或使用默认消息:

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

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。

参考资料

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

本篇作者

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。