AWSにラズパイを接続！GPIOの信号をクラウドに送信してみた

AWSに入門したくなり、ラズベリーパイで始めてみました。

ラズパイとAWSを接続して、PythonでGPIOの信号をクラウドに送信しています。

無料枠の範囲内で実施出来ますので、AWSを始めてみたい人におすすめします。

AWSにラズパイを接続！GPIOの信号をクラウドに送信してみた
1. AWSに個人で登録する
AWS IoTでラズパイと接続してみる
ラズパイにaws-iot-device-sdk-pythonをインストール
1. AWSIoTPythonSDKをインストール
  1. aws-iot-device-sdk-python-v2もあります
2. 証明書、鍵、ルートCAもラズパイに入れます
ラズパイからAWS IoTにMQTTで通信テスト
ラズパイからAWSにGPIOの信号情報を送るテスト
AWS IoTの料金
1. 画像認識のテストも無料枠内だった
まとめ

AWSにラズパイを接続！GPIOの信号をクラウドに送信してみた

AWS(アマゾン提供のクラウド)にラズベリーパイのGPIO信号を送信してみました。

PythonでラズパイとAWSを接続させています。

ラズパイからのメッセージをMQTTでAWSに通知させることが可能です。

サンプルプログラムを流用して、簡単にテストしてみました。

AWSの登録・設定方法から、テストプログラムまで紹介していきます。

実際にラズパイでAWSと通信させたテストの様子を動画でも紹介しています。

GPIOをONした瞬間にAWS側でメッセージを受け取っていることが良く分かります。

AWSに個人で登録する

最初は下記リンクに従ってAWSの登録を進めます。個人でも自由に登録が可能です。

無料枠も十分にあるので、少しAWSに体験してみる程度ならば無料で試せます。

AWS アカウント作成の流れ【AWS 公式】

日本のお客様にAWSアカウント作成の手順をステップバイステップでご紹介します。アカウントを作成すると、Amazon EC2やAmazon S3をはじめとした 100以上のAWS製品を無料でお試しいただけます。また、AWSの世界中のリージョン...

登録が終了してログインすると、AWSのコンソールの画面が出てきます。

この画面から自由にAWSのサービスを選ぶことが可能です。

今回は「AWS IoT」というサービスを使って、ラズパイでAWSに接続してみます。

AWS IoTでラズパイと接続してみる

AWS IoTでラズパイと接続するためには何点か手順を踏む必要があります。

シンプルな方法の一例を紹介します。

AWS IoTでモノを登録する

最初にAWS IoTで使うデバイス、つまり「モノ」を登録していきます。

今回はラズベリーパイが「モノ」となります。

コンソール上のすべてのサービスの中から「IoT Core」を選びます。

AWS IoTの画面を開いたら、左の一覧から「管理」→「モノ」を選択します。

モノの画面の右上にある「作成」をクリックして進めていきます。

そしてAWS IOTモノを作成する画面で「単一のモノを作成する」を選択します

モノの名前を任意で入力します。(筆者は「raspberry-pi」としました。)

他にタイプ・グループなども選べますが、今回は特に選択せず「次へ」で進みました。

AWS IoTで証明書を作成する

AWSとラズパイで通信させるために必要な証明書を作成していきます。

AWSのコンソール画面で証明書を作り、後ほどラズパイに渡す流れです。

「証明書を作成」を選択します。

このモノの証明書、パブリックキー、プライベートキーを全部ダウンロードします。

またルートCAもダウンロードリンク先から入手します。

ルートCAに関して今回は「RSA 2048 bit key: Amazon Root CA 1」をダウンロードしました。

ダウンロード後に「有効化」を押して、「ポリシーをアタッチ」を選択します

AWS IoTでポリシーをアタッチする

AWS IoTでポリシーを作成していきます。

ポリシーとはざっくりいうと、AWSへのアクセス権限を管理するリストみたいなものです。

今回はテスト用にAWS IoT関連ならば、何でもできるポリシーを作成しています。

「新規ポリシーの作成」を選びます。

ポリシーに名前を付けて、アクションに「iot:*」リソースAPNに「*」を記載します。

あと効果も「許可」にチェックを入れます。

ポリシーが作られましたので証明書にアタッチ(紐づけ)します。

左一覧の「安全性」→「証明書」から先ほど作成した証明書を選択します。

証明書の項目で右上のアクション→ポリシーのアタッチを選択します。

先ほど作成したポリシーをアタッチします。

AWSのエンドポイントのURLを控えておきます

最後にAWSのエンドポイントのURLを控えておきます。

AWS IoTを使う際に必要な情報となります。

左一覧にある「設定」を選ぶと、エンドポイントのURLがあります。

これで一旦AWS側の設定が終了です。次からはラズベリーパイ側の設定をしていきます。

一括でAWSの設定する方法もありますが…

一番最初のコンソール画面に「IoT デバイスを接続する」があります。

ここをクリックするとワークフローに従った形で進めることも可能です。

(SDKのダウンロード・証明書の発行・ポリシーのアタッチなどの手順を一括で進めれます。)

ただ環境により失敗することも多いので注意が必要です。

おそらく前述した形で「モノ」「証明書」「ポリシー」を作った方が楽かと思います。

筆者も最初に実践してみましたが、結構躓きました。何点か紹介します。

ポリシーなど修正する必要が出てくる

自由にテストしたい場合などは(ポリシーなど)修正する項目が出てきたりします。

一括のフローで作られたデフォルト設定だと、ある程度アクセス権限が絞られています。

そのため、今回紹介するPythonプログラムなどではAWSに接続できませんでした。

※ポリシーを再度修正すればAWSに接続できました。

実際のログは下記形です。AWSに接続できなくタイムアウトしています。

Connect timed out
Traceback (most recent call last):
  File "/home/pi/aws-test.py", line 16, in <module>
    myMQTTClient.connect()
  File "/home/pi/.local/lib/python3.7/site-packages/AWSIoTPythonSDK/MQTTLib.py", line 513, in connect
    return self._mqtt_core.connect(keepAliveIntervalSecond)
  File "/home/pi/.local/lib/python3.7/site-packages/AWSIoTPythonSDK/core/protocol/mqtt_core.py", line 199, in connect
    raise connectTimeoutException()
AWSIoTPythonSDK.exception.AWSIoTExceptions.connectTimeoutException

Connect timed out

Traceback (most recent call last):

File "/home/pi/aws-test.py", line 16, in <module>

myMQTTClient.connect()

File "/home/pi/.local/lib/python3.7/site-packages/AWSIoTPythonSDK/MQTTLib.py", line 513, in connect

return self._mqtt_core.connect(keepAliveIntervalSecond)

File "/home/pi/.local/lib/python3.7/site-packages/AWSIoTPythonSDK/core/protocol/mqtt_core.py", line 199, in connect

raise connectTimeoutException()

AWSIoTPythonSDK.exception.AWSIoTExceptions.connectTimeoutException

古いPython2.7にインストールしようとした

一括のフローで進める場合、PythonのSDKのインストールもしてくれます。

但し、失敗する場合もあります。

筆者の場合は古いPython2.7の方にインストールしようとしていました。

実際のログの一部切り取りが下記です。

実効スクリプトにsudoが無いのか、またPython2.7の方にファイルを作ろうともしていました。

~~
copying AWSIoTPythonSDK/exception/__init__.py -> build/lib.linux-armv7l-2.7/AWSIoTPythonSDK/exception
copying AWSIoTPythonSDK/exception/operationTimeoutException.py -> build/lib.linux-armv7l-2.7/AWSIoTPythonSDK/exception
running install_lib
creating /usr/local/lib/python2.7/dist-packages/AWSIoTPythonSDK
error: could not create '/usr/local/lib/python2.7/dist-packages/AWSIoTPythonSDK': Permission denied

copying AWSIoTPythonSDK/exception/__init__.py -> build/lib.linux-armv7l-2.7/AWSIoTPythonSDK/exception

copying AWSIoTPythonSDK/exception/operationTimeoutException.py -> build/lib.linux-armv7l-2.7/AWSIoTPythonSDK/exception

running install_lib

creating /usr/local/lib/python2.7/dist-packages/AWSIoTPythonSDK

error: could not create '/usr/local/lib/python2.7/dist-packages/AWSIoTPythonSDK': Permission denied

下記原因が考えますが、上手くいくかはラズパイの環境に結構依存しそうです。

筆者のラズパイに古いPythonの環境が残っていた影響？
一括で実行するシェルスクリプトが悪い？

参考にさせていただいた記事

AWSの設定に関しては下記Qiita記事を参考にさせていただきました。

運営者・著者の方にはこの場を借りて深くお礼申し上げます。

https://qiita.com/chigusaweb66/items/2058174713ca833361ff

https://qiita.com/f-daiki/items/3d7b0adba3e457ee48a5

ラズパイにaws-iot-device-sdk-pythonをインストール

AWSと通信できるようにラズパイ側をセットアップしていきます。

今回は「Python」でプログラムを書きますので、SDKもPythonをインストールします。

(他のプログラム言語のJava、Node.jsも選べるようですが、今回は省略します)

AWSIoTPythonSDKをインストール

ラズパイのコンソールの画面でインストール作業を進めていきます。

今回は下記コマンドを入力しています。

git clone https://github.com/aws/aws-iot-device-sdk-python.git

cd aws-iot-device-sdk-python/

sudo python3 setup.py install

ダウンロード先のAWSのGithubのリンク先は下記となっています。

今回のPythonのプログラム含めて参考にさせていただいています。

https://github.com/aws/aws-iot-device-sdk-python

aws-iot-device-sdk-python-v2もあります

今回インストールしたSDKの次のVerの「aws-iot-device-sdk-python-v2」も出ているようです。

もし興味ある方は試してみて下さい。Githubのリンク先は下記です。

https://github.com/aws/aws-iot-device-sdk-python-v2

証明書、鍵、ルートCAもラズパイに入れます

またAWSで発行した証明書、鍵(プライベートキー)、ルートCAもラズパイに入れておきます。

今回は動かすプログラムと同じ階層(/home/pi)にフォルダ(/cert)を作り、そこに入れています。

ラズパイからAWS IoTにMQTTで通信テスト

最初にAWS IoTに正常に通信できるか通信テストを行います。

Pythonでプログラムを作成していきます。

ラズパイにはデフォルトでPythonがインストールされており、誰でも簡単に使用できます。

初心者の方でも大丈夫です。下記記事で使い方を紹介しています。(リンク先はこちら)

ラズベリーパイでプログラミング入門！Pythonの簡単な始め方

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プログラミングを始めたい方にラズベリーパイを使った簡単な入門方法を紹介します。プログラミング言語の中でも初心者にもやさしく、人気なPythonがラズパイならば簡単にスタートできます。ラズベリーパイでプログラミング入門！Pythonの簡単...

Pythonで通信テストのプログラムを作成

実際にAWSと通信テストしたプログラムは下記です。

Github先のサンプルを簡単に修正したレベルのものです。

ラズパイのデフォルトのホームディレクトリ「/home/pi」上にプログラムを置いています。

内容としてはMQTTと呼ばれるプロトコルでAWSに「myPayload」とメッセージを送っています。

# Import SDK packages
from AWSIoTPythonSDK.MQTTLib import AWSIoTMQTTClient

# For certificate based connection
myMQTTClient = AWSIoTMQTTClient("myClientID")
# For Websocket connection
# myMQTTClient = AWSIoTMQTTClient("myClientID", useWebsocket=True)
# Configurations
# For TLS mutual authentication
myMQTTClient.configureEndpoint("YOUR.ENDPOINT", 8883)
# For Websocket
# myMQTTClient.configureEndpoint("YOUR.ENDPOINT", 443)
# For TLS mutual authentication with TLS ALPN extension
# myMQTTClient.configureEndpoint("YOUR.ENDPOINT", 443)
myMQTTClient.configureCredentials("YOUR/ROOT/CA/PATH", "PRIVATE/KEY/PATH", "CERTIFICATE/PATH")
# For Websocket, we only need to configure the root CA
# myMQTTClient.configureCredentials("YOUR/ROOT/CA/PATH")
myMQTTClient.configureOfflinePublishQueueing(-1)  # Infinite offline Publish queueing
myMQTTClient.configureDrainingFrequency(2)  # Draining: 2 Hz
myMQTTClient.configureConnectDisconnectTimeout(10)  # 10 sec
myMQTTClient.configureMQTTOperationTimeout(5)  # 5 sec

myMQTTClient.connect()
myMQTTClient.publish("myTopic", "myPayload", 0)
#myMQTTClient.subscribe("myTopic", 1, customCallback)
#myMQTTClient.unsubscribe("myTopic")
#myMQTTClient.disconnect()

# Import SDK packages

from AWSIoTPythonSDK.MQTTLib import AWSIoTMQTTClient

# For certificate based connection

myMQTTClient = AWSIoTMQTTClient("myClientID")

# For Websocket connection

# myMQTTClient = AWSIoTMQTTClient("myClientID", useWebsocket=True)

# Configurations

# For TLS mutual authentication

myMQTTClient.configureEndpoint("YOUR.ENDPOINT", 8883)

# For Websocket

# myMQTTClient.configureEndpoint("YOUR.ENDPOINT", 443)

# For TLS mutual authentication with TLS ALPN extension

# myMQTTClient.configureEndpoint("YOUR.ENDPOINT", 443)

myMQTTClient.configureCredentials("YOUR/ROOT/CA/PATH", "PRIVATE/KEY/PATH", "CERTIFICATE/PATH")

# For Websocket, we only need to configure the root CA

# myMQTTClient.configureCredentials("YOUR/ROOT/CA/PATH")

myMQTTClient.configureOfflinePublishQueueing(-1) # Infinite offline Publish queueing

myMQTTClient.configureDrainingFrequency(2) # Draining: 2 Hz

myMQTTClient.configureConnectDisconnectTimeout(10) # 10 sec

myMQTTClient.configureMQTTOperationTimeout(5) # 5 sec

myMQTTClient.connect()

myMQTTClient.publish("myTopic", "myPayload", 0)

#myMQTTClient.subscribe("myTopic", 1, customCallback)

#myMQTTClient.unsubscribe("myTopic")

#myMQTTClient.disconnect()

実際に使う場合はID、エンドポイント,証明書、鍵、ルートCAを適宜修正してください。

筆者の場合は下記のように修正しています。

(***箇所は各自のファイルの名前を確認して修正をお願いします。)

"myClientID" → "raspberry-pi"
"YOUR.ENDPOINT" → "***.amazonaws.com"
"YOUR/ROOT/CA/PATH" → "cert/AmazonRootCA1.pem"
"PRIVATE/KEY/PATH" → "cert/***-private.pem.key"
"CERTIFICATE/PATH" → "cert/***-certificate.pem.crt"

AWSでMQTTクライアントを動かす

AWS IoTの画面で左の一覧から「テスト」を選択します。

MQTTクライアントの画面が出てきます。

今回はトピックのサブスクリプションの箇所に「myTopic」と入力します。

そして「トピックへのサブスクライブ」をクリックします。

入力内容はPythonのプログラムの最後の方にある下記箇所と合わせています。

myMQTTClient.publish("myTopic", "myPayload", 0)

MQTTでメッセージの通信テスト

AWSの準備が終わりましたら、ラズパイのPythonのプログラムを起動します。

プログラム起動前はAWSの下記赤枠のMQTTによるメッセージはないはずです。

プログラム起動後はAWSの画面でMQTTのメッセージが表示されています。

ラズパイからAWSに「myPayload」のメッセージが受け取れました。

通信ポートに関しては8883でなくても443でも動作は出来ました。

AWSのMQTTクライアントのデフォルト設定はJSONという表示形式です。

ただし、JSON形式でなくともAWS側でUTF-8文字列として表示してくれました。

ラズパイからAWSにGPIOの信号情報を送るテスト

折角なので少し応用して、ラズベリーパイのGPIOの信号をAWSに送信したいと思います。

具体的にはスイッチが押されたらラズパイからAWSにメッセージを送る形にします。

冒頭にも紹介しましたが、実際のテストの様子を動画でも紹介しています。

ラズパイのGPIOをONした瞬間にAWS側でメッセージを受け取れています。

ラズベリーパイのGPIOの配線

ラズパイのGPIO17に「スイッチ」と「プルダウン10kΩ抵抗」を接続します。

ブレットボードとジャンパー線で簡単に配線できます。

Pythonのプログラム

ラズパイのプログラムも修正します。

3秒間隔でGPIOの信号を読み取り、ONの場合はAWSにMQTTでメッセージを送る内容です。

実際に使ったPythonのプログラムは下記です。

# Import SDK packages
from AWSIoTPythonSDK.MQTTLib import AWSIoTMQTTClient
import RPi.GPIO as GPIO
import time

GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(17,GPIO.IN)

# For certificate based connection
myMQTTClient = AWSIoTMQTTClient("myClientID")
# For Websocket connection
# myMQTTClient = AWSIoTMQTTClient("myClientID", useWebsocket=True)
# Configurations
# For TLS mutual authentication
myMQTTClient.configureEndpoint("YOUR.ENDPOINT", 8883)
# For Websocket
# myMQTTClient.configureEndpoint("YOUR.ENDPOINT", 443)
# For TLS mutual authentication with TLS ALPN extension
# myMQTTClient.configureEndpoint("YOUR.ENDPOINT", 443)
myMQTTClient.configureCredentials("YOUR/ROOT/CA/PATH", "PRIVATE/KEY/PATH", "CERTIFICATE/PATH")
# For Websocket, we only need to configure the root CA
# myMQTTClient.configureCredentials("YOUR/ROOT/CA/PATH")
myMQTTClient.configureOfflinePublishQueueing(-1)  # Infinite offline Publish queueing
myMQTTClient.configureDrainingFrequency(2)  # Draining: 2 Hz
myMQTTClient.configureConnectDisconnectTimeout(10)  # 10 sec
myMQTTClient.configureMQTTOperationTimeout(5)  # 5 sec

myMQTTClient.connect()

while True:
    if GPIO.input(17):
        myMQTTClient.publish("myTopic", "GPIO17_ON", 0)
    time.sleep(3)

#myMQTTClient.subscribe("myTopic", 1, customCallback)
#myMQTTClient.unsubscribe("myTopic")
#myMQTTClient.disconnect()