远程控制（云端）

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智能硬件的真正优势在于通过联网对设备进行远程控制或监测，或者将联网功能集成于其他云服务。当集成联网功能与其他云服务时，需要用到云平台。在本章中，我们将智能插座连接到云平台，来实现对设备的远程控制和监测。

通常，我们可以通过图中所示的任一场景来实现对设备的远程控制和监测。

Value of Cloud Connectivity

云连接价值所在

在大多数情况下，一旦设备连接到云，云平台就会通过 Web API 公开设备的控制和监控权限。通过身份验证的客户端（如智能手机应用）可以使用这些 API 远程访问设备。

此外，通过集成其他云服务也能够实现许多有价值的用途。例如，设备可以与天气信息系统连接，根据天气情况进行自动调节，或者连接到语音助理云界面（如 Alexa 或 谷歌语音助手），通过语音来进行控制。

安全性第一

在详细介绍云连接之前，让我们先了解一下安全性的重要知识。

连接远程云基础架构时，我们必须使用传输层安全性协议 (Transport Layer Security, TLS)。TLS 是一种安全标准，负责确保通信安全。同时，TLS 作为一种传输层协议，任何更高级别的协议（如 HTTP 或 MQTT）都可以将该协议用于底层传输。大多数云供应商都通过 TLS 提供设备服务。

CA 证书

TLS 协议内容之一是使用 CA 证书进行服务器验证，因此 TLS 层将使用 CA 证书来验证您是否在跟正确的服务器进行通信。要进行此验证，设备必须预先嵌入一个或多个有效且受信任的 CA 证书。TLS 层将这些证书视为可信证书，之后根据可信证书验证服务器。请参考 在固件中嵌入文件 章节，查看如何将 CA 证书嵌入固件。

在固件中嵌入文件

固件有时需要直接使用某些文件。比如，我们经常需要将 CA 证书嵌入固件中以进行服务器验证。

但问题是如何将这些文件的内容全部嵌入固件中并进行访问？

ESP-IDF 提供了一个很好的实现方法，即使用 CMakeLists.txt 文件告诉构建系统哪些文件的内容需要嵌入到固件映像中。只要将下面的代码添加到 CMakeLists.txt 文件中即可。

target_add_binary_data(${COMPONENT_TARGET} "cloud_cfg/server.cert" TEXT)

如果你使用的是 Legacy GNU 构建系统，而非 CMake 构建系统，向您应用中的 component.mk 文件加入如下行同样可以使能该功能。

COMPONENT_EMBED_TXTFILES := cloud_cfg/server.cert

在上面的示例中，构建系统将 cloud_cfg/server.cert 文件嵌入到固件中，文件内容存放在固件地址空间内，可通过如下方式直接访问：

extern const uint8_t certificate_pem_crt_start[] asm("_binary_server_cert_start");
extern const uint8_t certificate_pem_crt_end[] asm("_binary_server_cert_end");

然后我们可以使用开始和结束指针访问该文件。

亚马逊 AWS IoT

在本节中，我们将以亚马逊 AWS IoT 为例，将设备连接到该云端。

快速设置

如果您已经拥有云平台的注册帐户，您可以跳过此部分。

为了方便您试用该功能，我们创建了一个网页，该网页允许您快速将设备连接到 AWS IoT 云平台，这个网页为您的设备创建一组证书，设备可以使用这些证书进行身份验证。证书有效期为 14 天，您将有足够的时间来尝试本章和后续章节中演示的远程控制和 OTA 升级功能。试用期限过后，请自行在 AWS IoT 注册云帐户即可。

您可以通过以下方式为设备创建证书：

  1. 点击 证书创建页面
  2. 输入接收证书的电子邮件地址
  3. 您会收到一封电子邮件，里面包含您将用到的设备证书。

演示

现在，您应该已经准备好了以下文件，可以将设备连接到 AWS IoT 平台了：

  1. 设备私钥（文件）
  2. 设备证书（文件）
  3. 设备 ID（文件）
  4. AWS IoT 域名的 CA 证书（文件）
  5. 端点 URL（文件）

在详细了解代码之前，让我们先尝试一下设备远程控制。您可以参考 esp-jumpstart 项下 5_cloud/ 目录。

请按照以下步骤，设置 AWS IoT 应用示例：

  1. 进入 5_cloud/ 程序
  2. 复制如下文件，覆盖以前的所有文件。请注意，有些电子邮件客户端会将这些文件自动重命名，并为其添加 .txt 扩展名。请确保下载文件的名称与下列一致：
    • 复制 AWS CA 到 5_cloud/main/cloud_cfg/server.cert
    • 复制设备私钥到 5_cloud/main/cloud_cfg/device.key
    • 复制设备证书到 5_cloud/main/cloud_cfg/device.cert
    • 复制设备 ID 到 5_cloud/main/cloud_cfg/deviceid.txt
    • 复制端点文件到 5_cloud/main/cloud_cfg/endpoint.txt
  3. 构建、烧录、上载固件至设备

现在，设备已经连接到 AWS IoT 云平台，并会在状态更改时通知云端。固件也将从云端获取所有状态更新，并应用到本地。

远程控制

AWS IoT 为连接到它的所有设备提供了 Web API，用以实现远程控制。手机应用程序可以与此 Web API 交互以控制和监测设备。在这里我们使用命令行工具 cURL 来模拟手机应用程序。

使用 cURL，然后在 Linux/Windows/Mac 控制台执行以下命令，就可以读取设备的当前状态：

curl --tlsv1.2 --cert cloud_cfg/device.cert \
       --key cloud_cfg/device.key   \
       https://a3orti3lw2padm-ats.iot.us-east-1.amazonaws.com:8443/things/<contents-of-deviceid.txt-file>/shadow \
       | python -mjson.tool

在上面的命令中，请复制粘贴 deviceid.txt 的文件内容替换 things 和 shadow 之间的 <contents-of-deviceid.txt-file>。

注意：AWS 仅允许获得授权的实体访问设备状态。因此，在上面的命令中，我们用到了 device.cert 和 device.key，与我们在固件中配置的文件相同，可以确保我们有权访问设备状态。但在生产中，必须要在云端为客户端（如该 cURL 和手机应用程序）创建单独的身份验证密钥，以访问/修改设备状态。

设备状态可以修改为：

curl -d '{"state":{"desired":{"output":false}}}' \
     --tlsv1.2 --cert cloud_cfg/device.cert \
     --key cloud_cfg/device.key \
     https://a3orti3lw2padm-ats.iot.us-east-1.amazonaws.com:8443/things/<contents-of-deviceid.txt-file>/shadow \
     | python -mjson.tool

此 cURL 命令将生成 HTTP POST 请求，并在 POST 主体中发送 JSON 数据（如上所示）。此 JSON 数据指导 AWS IoT 将设备状态更新为 false。

每当您将设备状态从 cURL 端更改为 true 或 false 时，您都可以观察设备上相应的状态更改。

这就是远程控制的实现方式。现在让我们来快速探讨一下代码。

代码

所有云通信的代码都已整合到 cloud_aws.c 文件中。此文件的结构与 AWS IoT SDK 所要求的结构标准相似。

该文件使用我们的驱动程序 API：app_driver_get_state() 和 app_driver_toggle_state()，分别用于获取设备状态和反转设备状态。

AWS IoT 需要在您的固件中嵌入以下 3 个文件：

  • AWS CA 证书文件：5_cloud/main/cloud_cfg/server.cert
  • 设备私钥文件：5_cloud/main/cloud_cfg/device.key
  • 设备证书文件：5_cloud/main/cloud_cfg/device.cert

应用程序使用 在固件中嵌入文件 章节中所描述的机制将以上文件嵌入到固件中。

未完待续

通过这个应用程序，我们终于将插座自身的功能（插座电源的切换）与网络连接功能结合到了一起。设备连接到云端后，我们现在可以通过网络对其进行控制和监控。我们还提到了在连接到任何远程/云服务之前必须考虑的安全性问题。

下一章，我们会探讨连网设备的一个常见需求：空中（OTA）固件升级。