使用 AWS IoT Device Shadow 服务和 AWS IoT Greengrass 管理 IoT 设备状态
关键要点
在这篇文章中，我们将学习如何使用 AWS IoT Device Shadow 服务和 AWS IoT Greengrass 来本地或远程管理 IoT 设备的状态。带您逐步完成创建和测试智能家居电暖器的过程，您将能够通过 Raspberry Pi 和 Sense HAT 硬件来实现这项功能。
引言
物联网 (IoT) 开发者经常需要实现一种强大的机制，以便本地或远程管理 IoT 设备状态。典型的例子是智能家居电暖器，用户可以使用内置控制面板调整温度设备状态，或通过在云中运行的软件应用程序触发温度调整消息。
您可以通过使用 AWS IoT Device Shadow 服务 快速构建这种机制。AWS IoT Device Shadow 服务可以让设备的状态对于您的业务逻辑可用，即使在网络连接不稳定的情况下。
此外，为了有效管理设备的软件生命周期并加快开发速度，您可以使用AWS IoT Greengrass及其预构建的组件。AWS IoT Greengrass 是一个开源边缘运行时和云服务，用于构建、部署和管理设备软件。AWS IoT Greengrass 的一个组件是 shadow manager，它在您的核心设备上启用本地影子服务。本地影子服务允许组件使用进程间通信 (IPC) 与 本地影子进行交互。影子管理组件管理本地影子文档的存储，并处理本地影子状态与 AWS IoT Device Shadow 服务的同步。
在本博客中，我将使用 AWS IoT Device Shadow 服务和 AWS IoT Greengrass，以及 Raspberry Pi 和 Sense HAT 硬件来模拟智能家居电暖器。本示例使用单一数字09来模拟输出功率，这个数字是我们希望从任何地方本地和远程管理的设备状态。用户可以通过本地硬件开关Sense HAT 上的内置摇杆或通过基于云的应用程序远程更改此数字。
Raspberry Pi 将在 Sense HAT LED 显示屏上显示数字，指示电暖器的输出功率。用户可以通过在 Sense HAT 上推动摇杆来增加数字或向下推以减少。
图 1 Raspberry Pi 模拟家庭电暖器
图 2 架构概述
通过遵循这篇博客，您可以快速启动并测试您的 IoT 解决方案，以管理设备的状态。
前置条件
为了遵循本文，您需要：
硬件：
一台 Raspberry Pi本演示使用 Raspberry Pi 3B一块 Raspberry Pi Sense HAT软件：
安装在 Raspberry Pi 上的 Raspberry Pi OS (64 位)请参阅 此链接 获取安装说明安装在 Raspberry Pi 上的 Sense HAT SDK一个 AWS 账户 以及访问 AWS IoT Core 和 AWS IoT Greengrass 的权限操作步骤
第一步：在 Raspberry Pi 上安装和配置 AWS IoT Greengrass 核心软件
为了将您的 Raspberry Pi 设置为 AWS IoT Greengrass 核心设备，请遵循 AWS IoT Greengrass 开始使用文档中的步骤 1 到步骤 3。我使用以下配置创建设备：
核心设备名称：PiWithSenseHat设备组：RaspberryPiGroup现在您应该能够在 AWS 控制台中看到此设备。
图 3 AWS IoT Greengrass 核心设备在控制台中的显示
第二步：将预构建的 AWS IoT Greengrass 组件部署到设备
下一步是将 预构建的 AWS IoT Greengrass 组件 部署到设备。AWS IoT Greengrass 提供并维护一组预构建组件，可以加速我们的开发。在这个演示中，我将部署以下组件：
加速器ios免费greengrassCli：提供本地命令行界面，您可以在核心设备上使用它来本地开发和调试组件
greengrassShadowManager：在您的核心设备上启用本地影子服务，并处理本地影子状态与 AWS IoT Device Shadow 服务的同步
greengrassLocalDebugConsole可选：提供本地仪表板，显示有关您的 AWS IoT Greengrass 核心设备及其组件的信息
步骤：访问 AWS IoT Greengrass 控制台在 Greengrass 设备 中导航到 部署，创建新部署部署目标 可以是 设备组 RaspberryPiGroup，或 核心设备从 公共组件 中选择这三个组件图 4 选择预构建组件
配置 awsgreengrassShadowManager 组件在 配置组件 步骤中，选择 awsgreengrassShadowManager，然后点击 配置组件。
图 5 配置 awsgreengrassShadowManager
设置 awsgreengrassShadowManager 的组件版本和配置 json图 6 配置 awsgreengrassShadowManager 详细信息
版本：231配置合并：json{ synchronize { coreThing { classic true namedShadows [ NumberLEDNamedShadow ] } shadowDocuments [] direction betweenDeviceAndCloud } rateLimits { maxOutboundSyncUpdatesPerSecond 100 maxTotalLocalRequestsRate 200 maxLocalRequestsPerSecondPerThing 20 } shadowDocumentSizeLimitBytes 8192}
该 json 配置在两个方向上同步名为 NumberLEDNamedShadow 的 命名影子，选项为 betweenDeviceAndCloud。在您的实际应用中，您可以使用多个命名影子，并选择单向或双向同步。有关 awsgreengrassShadowManager 的详细信息，请查看 其文档。
完成 创建部署 向导以完成部署。完成步骤 2 后，Raspberry Pi 准备好通过使用 AWS IoT Greengrass 核心软件和预构建组件在设备和云之间同步命名影子 NumberLEDNamedShadow。
第三步：创建 AWS IoT Greengrass 组件以模拟智能家居电暖器并支持本地控制
现在创建两个 AWS IoT Greengrass 组件，以模拟具有本地控制的智能家居电暖器。我们可以利用 进程间通信 (IPC) 在组件之间进行内部通信。如果您不熟悉如何构建自定义 AWS IoT Greengrass 组件，请遵循 开始使用文档 中的步骤 4。本博客中，我们将其本地创建和测试。
组件 examplesensehatjoystick：捕获摇杆的事件并将事件发布到 IPC 主题 “ipc/joystick”在食谱中定义为变量。组件 examplesensehatled：订阅 IPC 主题 “ipc/joystick”，更新本地影子和 Sense HAT LED 显示屏。31 创建组件 comexamplesensehatjoystick此组件将内置摇杆的事件发布到 AWS IoT Greengrass 核心 IPC。事件格式如下：
json{ timemillis1669202845134 directiondown actionreleased}
您可以在 组件食谱 和 工件 中找到该组件的信息，并可以在 博客源代码仓库 中获得。为了避免将 IPC 主题硬编码在源代码中，已在 食谱中定义 其为变量。
32 创建组件 comexamplesensehatled
现在创建第二个名为 comexamplesensehatled 的组件。您可以在 组件食谱 和 工件 中找到该组件的信息。在食谱中，它 定义 了对 IPC 和影子文档的访问权限。
该组件： 维护一个数字作为设备状态，并在 LED 上显示 通过 IPC 订阅摇杆事件主题 基于接收到的摇杆事件，增加/减少数字 定期检查影子。如果影子文档中有新数字，则用该数字更新设备。
图 7 comexamplesensehatled 组件工作流
演示：设备状态实时管理
现在 Raspberry Pi 作为模拟器已准备就绪。
它响应两种类型的事件： 新的摇杆事件：本地控制设备 新的云影子文档：远程控制设备
图 8：本地或远程控制设备的逻辑
要查看设备影子的实时效果：1 访问 AWS IoT Greengrass 控制台2 导航到 Things，选择 PiWithSenseHat3 在 Device Shadows 中，您可以找到 NumberLEDNamedShadow。请注意，如果设备首次反馈影子时此影子不存在，它将自动为您创建。
图 9 在 AWS 控制台中查找设备影子
演示 1：使用摇杆本地更新设备
使用摇杆本地增加/减少数字最初数字为 6。我首先将其减少到 0，然后增加到 2。观察设备影子文档实时更新在 AWS 控制台中的变化。更改实时同步到云影子。
状态更改为“由本地设备更新”
数字更改为本地的新值图 10 使用摇杆更新数字，并实时上报新值到云
演示 2：通过更新云中的设备影子文档远程更新设备
在此演示开始时，设备 LED 显示 0，设备影子文档如下：json{ state { desired { number 0 } reported { status device is updated by local number 0 } }}
在 AWS IoT Core 控制台中，编辑影子文档，使用以下 Json可以跳过“报告”部分，然后点击 更新：json{ state { desired { number 9 } }}
观察 Raspberry Pi LED 更新数字。从云到本地设备的变化被推送。现在设备显示数字 9：
状态更改为“由影子更新的设备”数字从 0 更改为 9。图 11 通过更新云中的设备影子文档远程更新设备
由于显示数字可以通过本地摇杆或 AWS 控制台远程更新，因此最新的更新会优先处理。因此，当本地更新完成时，必须 将“期望”值 设置回云中的远程影子，以便远程影子知道新的“期望”值，并且不会在下次影子同步周期中更新它。有关详细信息，请参阅文档 [deviceshadowemptyfields
