温度や湿度、加速度などのセンサーを設備に取り付け、その値をクラウドに上げて可視化する、といったユースケースは、商業施設や工場など様々なユースケースで求められています。AWS IoTをはじめとする、AWSのサービスを使うことで、そういったユースケースをすばやく実現することが可能です。これはAWS IoTで管理されているデバイスに限った話ではありません。他のデバイス管理ソリューションをお使いの場合においても、クラウドアプリケーションやデータ分析の用途でAWSをシームレスに利用頂くことができます。

この記事では、Arm Pelion Device Management上で管理されているデバイスから、ログデータをAWS IoT にアップロードし、分析・可視化を行う方法について、具体的な構築手順をご紹介します。ここではWi-Fi環境がない設置場所を想定し、通信手段として3G回線を使用します。また施設内のアラートを管理者に伝えるといったシーンを想定し、記事の後半ではデバイスのボタンを押すと管理者にメールが届く仕組みも構築します。最後に、身近なデバイスでクラウド開発のPoCをクイックに進める手段として、Pelion Device Managementで管理されているRaspberry PiでAWS IoT Coreに接続する方法を紹介します。

概要

今回構築する仕組みは、上記のようなアーキテクチャになります。まず、Mbed OSが動作するマイコンが、Pelion Device Managementで管理されています。デバイスは、MQTTプロトコルによって時系列のセンサーデータを3G回線を経由してIoT Coreへアップロードします。IoT Coreのルールエンジンを使って、分析対象のデータのみをIoT Analyticsに送ります。IoT Analyticsでは、収集、処理、保存といった分析の前処理を行いデータセットを作成します。最後に作成したデータセットをQuickSightからアクセスすることでセンサーの時系列データをグラフ描画することが可能になります。

さらに、ここでは触れませんが、AWS IoT Analyticsを用いて作成したデータセットをAmazon SageMakerというAI・MLのサービスにわたすことで、機械学習による高度な予兆保全や、アノマリー検出なども可能になります。
AWS IoTの認証には、2020年5月に追加されたAWS IoT CoreのMulti-Account Registrationの機能を使用します。これによって、Pelion Device Managementで発行された証明書をIoT Coreに設定するだけで、デバイスは1つの証明書を使って接続することができます。

準備

こちらの記事 の4.2章までを実施し、SIMの設定、センサーおよびボタンの接続、Pelion Portal Account の設定を進めてください。以下は、事前に用意していただくハードウェアです。

使用するハードウェア

デバイスの実装

Multi-account Registration

2020年5月に発表されたAWS IoTの新機能である、Multi-Account Registrationを使用し、Pelion Device Managementで発行された証明書をAWS IoTに登録することで、AWS IoTの認証を行うようにします。

まずは、以下のステップでPelion Device Managementから、デバイスの証明書をダウンロードします。

次に、証明書をAWS IoTに登録します。

続いて、登録された証明書に紐付けるモノを作成します。

モノの権限を設定するためのポリシーを作成します。

ここまでで、AWS IoTでデバイスを管理するためのモノと、証明書、ポリシーの設定が終わりました。
最後に、登録された証明書に対して、モノとポリシーを紐付けし、デバイスからアクセス可能な状態にします。

ソースコードの修正

ここまでで、クラウド側の接続するための設定は完了しました。ここではご自身の環境にあわせてエンドポイントを設定します。

const char MQTT_SERVER_HOST_NAME[] = "<prefix>-ats.iot.<region>.amazonaws.com";

なお、MQTT通信で利用する証明書や秘密鍵などの設定は、Pelion Device Managementの設定情報を直接参照するため不要です。

プログラムの実行

プログラムをビルドし、ファームウェアをデバイスに書き込みます。

以上でデバイス側の実装は完了です。定期的に湿度、気圧、温度情報がIoT Coreにパブリッシュされます。
デバイスのトラブルシューティングについては、こちらの記事をご参考ください。

AWS IoTの設定

ここからは、AWS IoTのコンソールを使って、クラウド側の設定を進めていきます。
まず最初に、このエリアのデバイスから上がってきた温度データを、分析のために収集・保存するためのサービスであるIoT Analyticsに送信するように設定します。これを実現するために、IoT Coreのルールエンジンという機能を用います。

ルールの設定

SELECT parse_time("yyyy-MM-dd'T'HH:mm:sssZ", timestamp()) as timestamp, topic(2) AS area, topic(3) AS device, * FROM 'data/#'

以上により、センサーデータは、IoT Analyticsへと送られ、データはストレージに保存されるようになります。

IoT Analyticsの設定

次にIoT Analyticsの設定を行います。前の手順によって、すでにIoT Analyticsにデータが蓄積されています。これを確認するために、次のような操作を行います。

しばらく待っても届いていない場合は、ルールの設定などを見直します。また、AWS IoTのコンソールに戻り、ログを有効にすることで、原因の調査を行ってください。ログの設定方法については、こちらのドキュメントを確認してください。ここまでの設定により、IoT Analyticsのデータストア mysensor_datastore にログデータが保存され続けるようになりました。続いて、このデータストアのデータから、グラフ表示に使用するデータセットの作成を行います。

このmysensor_datasetを確認すると、SQLクエリは次のようになっています。

select * from MySensor_datastore

データストアに保存されているすべての要素をクエリし、データセットに保存するようになっています。
以下の手順によりこのクエリを実行し、データセットを作成します。

上記のような形でトピック名に記載されていたareaや deviceの情報を含めて、センサーの値が保存されていることがわかります。

QuickSightの設定

データセットに保存されたデータをQuickSightで可視化します。

アカウントの設定

初めてQuickSightを利用する場合には以下の操作で利用開始します。

データのインポート

グラフの表示

以上でセンサーデータを遠隔からモニタリングする環境ができました。今回は使用するデバイスが1台のみですが、複数台デバイスが存在する場合には、PublishするMQTTトピックをdata/area-1/device-2のように変更することで、グラフ上でデバイスごとの差を見ることも可能です。
今回構築した仕組みでは、日、月ごとなど、データを中長期的に収集し分析を行うことを想定としています。この記事では触れませんが、よりリアルタイムでのモニタリングを行いたい場合には、先述のルールエンジンのアクションとして、Amazon EleasticSearch Service を選ぶことで実現が可能となります。

アラート機能の追加

最後に、デバイスに接続されているボタンを押下したときに、指定したメールアドレスにメールを送信する仕組みを構築します。メールの送信にはAmazon SNSを使用します。基本的な流れは以下のとおりです。

新たなルールの追加

SELECT concat("This is the alert from ", topic(3), ". The count is ", count) AS default FROM 'cmd/#'

{"default":"This is the alert from device-1. The count is 1"}

以上により、センサーデータは、SNSへと送られます。

メール送信の設定

次にSNSのコンソールでメール送信の設定を行います。

動作確認

ここまでの設定で、デバイスがボタンを押すと cmd/area-1/device-1のトピックにメッセージが送信され、ルールエンジンによってSNSにメッセージが転送され、指定したユーザーにメールが送信されるようになりました。
青LEDボタンを押すとしばらくして以下のような本文のメールが届きます。

This is the alert from device-1. The count is: 1

このように、どのデバイスが何回ボタンを押したかがメールで通知されるようになりました。
今回はルールエンジンから直接SNSを呼び出すことで、簡単な内容のメールを送りましたが、実際のユースケースではルールのアクションとしてLambdaを指定し、そこでメール文章を作成してSNS を呼び出すやり方も考えられます。

Raspberry Pi での実装例

最後に、このセクションではPelion EdgeがインストールされたRaspberry Piで、Pelion Device Management 発行された証明書を利用してAWS IoT Coreに接続する方法を紹介します。本セクションで紹介する内容をベースにすることで、特にクラウド開発のPoCをクイックに進めることが可能です。Productionに向けた注意事項についてはセクションの最後で説明いたします。

事前準備

ブートストラップ証明書のコピー

scp raspberrypi.crt root@<Raspberry PiのIPアドレス>:./
scp raspberrypi.key root@<Raspberry PiのIPアドレス>:./

SDK とルートCA証明書のダウンロード

ターミナルで Raspberry Pi にログインし、以下のコマンドを実行して、AWS IoT Device SDK Python と AWS IoT のルートCA証明書のダウンロードを行います。

cd
git clone https://github.com/aws/aws-iot-device-sdk-python.git
wget https://www.amazontrust.com/repository/AmazonRootCA1.pem

ファイルを作成

以下のファイルを ~/aws-iot-device-sdk-python/demo.py として保存します。なお、<YOUR-ENDPOINT> の部分はご自身の AWS IoT Core のエンドポイントのURLに変更します。

#!/usr/bin/env python3
import time

from AWSIoTPythonSDK.MQTTLib import AWSIoTMQTTClient

IOT_ENDPOINT = "<YOUR-ENDPOINT>"
CLIENT_ID = "RaspberryPi"
ROOT_CA_CERT = "/home/root/AmazonRootCA1.pem"
PRIVATE_KEY = "/home/root/raspberrypi.key"
CERTIFICATE = "/home/root/raspberrypi.crt"


client = AWSIoTMQTTClient(CLIENT_ID)
client.configureEndpoint(IOT_ENDPOINT, 443)
client.configureCredentials(ROOT_CA_CERT, PRIVATE_KEY, CERTIFICATE)

client.configureAutoReconnectBackoffTime(1, 32, 20)
client.configureDrainingFrequency(2)
client.configureConnectDisconnectTimeout(10)
client.configureMQTTOperationTimeout(5)
client.configureOfflinePublishQueueing(1)

client.connect()
print("connect MQTT")

while True:
    client.publish("/data/RaspberryPi", "hello world", 0)
    time.sleep(10)

実行

Raspberry Pi のターミナルで以下のコマンドを実行すると、10秒おきに AWS IoT Core にメッセージが Publish されます。

unset PYTHONHOME
unset PYTHONPATH
python3 ~/aws-iot-device-sdk-python/demo.py

本セクションでは、Raspberry Pi に Pelion Device Management のダッシュボードから開発者証明書や秘密鍵をダウンロードし、AWS IoT Device SDK Python でそれらのファイルを読み込んで AWS IoT Core に接続する方法を紹介しました。一方で Production に向けては、デバイス生産時に秘密鍵をセキュアな領域に埋め込み、証明書を Pelion Device Management や AWS IoT Core に登録することで、デバイスのクレデンシャルのセキュリティを高めるといった方法が取られます。上記で PoC として実装した方法をベースに、AWS IoT Device SDK Embedded C や C++ などにセキュアエレメントへのアクセス用のライブラリなどを組み合わせる方法をご検討ください。

まとめ

この仕組みを実践頂くことで、Pelion Device Management管理下のデバイスにおいても、センサーデータを収集し分析・可視化を行うPoCを開始することが可能となります。さらに、記事の後半でお伝えしたボタンをトリガーにしてメールを通知する仕組みを応用することで、工場などの現場で緊急用のボタンを設置してそれを関係者に伝えるといったことも簡単に導入ができます。今回お伝えした仕組みでは、3G回線を使用しているため、施設内にWi-Fiなどのインターネット環境の準備をする必要なくすぐに設置できることも、PoCを高速に行う上でのメリットになるかと思います。

著書について

飯田 起弘

AWS プロトタイピングソリューションアーキテクト
電機メーカーでソフトウェアエンジニアとしてIoT関連の新規事業の立ち上げを経験の後、AWSにてプロトタイピングソリューションアーキテクトとして、IoT関連案件のPoC, 本番導入などの支援に携わる。

三平 悠磨

AWS IoT スペシャリストソリューションアーキテクト
ソフトウェアエンジニアとして会話AIやロボット開発を経験しました。AWS では IoT スペシャリストソリューションアーキテクトとして、お客様の IoT 関連案件を支援しています。