Pico W 기초부터 클라우드 연동까지! - 콘테스트

수행기록

AWS IoT 클라우드를 사용한 LED 컨트롤러

2022. 10. 1 (토) 10:53 최종수정 2022. 11. 17 (목) 21:27 rudals 조회 1036 좋아요 1 스크랩 0 댓글 0

# Raspberry Pi Pico W 아이디어 & 개발계획서 작성

Raspberry Pi Pico W와 대표적인 클라우드 서비스인 아마존 웹 서비스(AWS)의 IOT_Core 서비스의 MQTT 프로토콜을 사용하여 LED 디바이스를 제어할 수 있는 시스템을 계획하였습니다.

이번 콘테스트는 Raspberry Pi Pico W를 사용하여 진행되었는데 보드관련 사양을 알아보았습니다.

□ Raspberry Pi Pico W 보드 사양

- RP2040 microcontroller chip designed by Raspberry Pi in the United Kingdom

- Dual-core ARM Cortex M0+ processor, flexible clock running up to 133 MHz

- 264kB of SRAM, and 2MB of on-board Flash memory

- On-board single-band 2.4GHz wireless interfaces (802.11n)

- Castellated module allows soldering direct to carrier boards

- USB 1.1 Host and Device support

- Low-power sleep and dormant modes

- Drag & drop programming using mass storage over USB

- 26 multi-function GPIO pins

- 2×SPI, 2×I2C, 2×UART, 3×12-bit ADC, 16×controllable PWM channels

- Accurate clock and timer on-chip

- Temperature sensor

- Accelerated floating point libraries on-chip

- 8×Programmable IO (PIO) state machines for custom peripheral support

Pico W 보드는 저렴한 가격에 여러 종류의 인터페이스가 제공되는데 특히나 무선 인터페이스가 제공되어 다양한 애플리케이션 작성 및 활용이 가능한 제품입니다.

□ 개발 툴

Pico W 개발 툴로 PICO C/C++ SDK을 사용했는데 MicroPython의 경우 조금 검색만 해 보더라도 많은 예제 및 게시글을 찾을 수 있을 뿐만 아니라 대부분의 기능들이 OS에 내장되어 있어 사용하기 쉬운 반면에 C/C++ SDK는 검색을 해도 관련 정보를 쉽게 찾을 수 없었고 관련 어플리케이션을 작성하려면 해당 기능들을 하나하나 구현해야 하는 번거로운 점이 있습니다. 아마도 이런 점들 때문에 몇몇 분들이 퀘스트 초창기에는 C/C++ SDK로 개발 계획을 세웠으나 지금은 모두 MicroPython나 Arduino로 전향하신 듯 보입니다.

□ AWS 클라우드

콘테스트 오픈 후에는 다른 클라우드 서비스를 사용할 수 있도록 변경되었지만, 콘테스트 오픈 전에는 Quest3 주제가 ‘AWS 클라우드 연결’이었던 적이 있었습니다.

제가 봤던 당시에는 AWS 클라우드만 있어서 관련정보를 찾아보다 보니 첫 클라우드 서비스로 AWS를 사용하게 되었습니다.

# 개발 과정

□ 하드웨어

WS2812 LED를 사용하여 8x8 매트릭스로 구성하여 아래와 같은 패널을 제작하였습니다.

□ 소프트웨어

아래 그림과 같이 총 4개의 파트로 나눠 구현해 보았습니다.

- Publisher는 윈도우10에서 Python을 사용하여 topic으로 메시지를 송신합니다.

- Broker는 웹상에서 AWS IoT Core Service로 설정되어 동작됩니다.

- Subscriber는 Raspberry Pi Pico W 보드에서 topic의 메시지를 수신합니다.

- LED는 WS2812를 8x8 매트릭스 구성으로 총 64개를 사용하여 수신된 MQTT 메시지를 디스플레이 합니다.

1. Publisher

Publisher의 구현은 https://aws.amazon.com/ko/premiumsupport/knowledge-center/iot-core-publish-mqtt-messages-python 내용을 참고하여 작성하였습니다. 전반적인 AWS IoT 환경 설정부터 예제까지 자세히 설명되어 있으니 참고하시면 좋을 것 같습니다. 제공되는 예제를 참고하여 Publisher를 아래와 같이 작성하였습니다.

import sys

from awscrt import io, mqtt, auth, http

from awsiot import mqtt_connection_builder

import time

from aws_secure_data import *

def publish_message(topic, msg):

event_loop_group = io.EventLoopGroup(1)

host_resolver = io.DefaultHostResolver(event_loop_group)

client_bootstrap = io.ClientBootstrap(event_loop_group, host_resolver)

mqtt_connection = mqtt_connection_builder.mtls_from_path(

endpoint=ENDPOINT,

cert_filepath=PATH_TO_CERTIFICATE,

pri_key_filepath=PATH_TO_PRIVATE_KEY,

client_bootstrap=client_bootstrap,

ca_filepath=PATH_TO_AMAZON_ROOT_CA_1,

client_id=CLIENT_ID,

clean_session=False,

keep_alive_secs=6

)

print("Connecting to AWS IoT Server...")

connect_future = mqtt_connection.connect()

connect_future.result()

print("Connected!")

print('Begin Publish')

mqtt_connection.publish(topic=topic, payload=msg, qos=mqtt.QoS.AT_LEAST_ONCE)

print('Publish End')

print("Disconnected!")

param = sys.argv[1]

if param == "demo1":

publish_message('test/pub', "on");

elif param == "demo2":

publish_message('test/pub', "off");

elif param == "demo3":

publish_message('test/pub', b'0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF:0000FF')

2. Broker

Broker 관련 설정은 Quest3의 내용과 동일하니 관련 링크를 참고하시면 됩니다.

3. Subscriber

Subscriber는 Pico C/C++ SDK를 사용하여 구현했는데 먼저 Pico C/C++ SDK 개발환경 설정을 해야 합니다. 기본적이 C/C++ SDK 빌드 관련 내용은 Quest2 게시글의 내용과 동일하니 관련 링크를 참고하시면 됩니다. 우선 AWS를 사용하기 위해서는 mbedtls 라이브러리를 SDK에 추가해 줘야 하는데 아래와 같이 다운로드 받은 후 관련 설정을 해 주면 됩니다.

cd pico-sdk/lib

git clone git@github.com:Mbed-TLS/mbedtls.git -b mbedtls-2.28

cd ../..

vi pico-sdk/src/rp2-common/pico-common/pico_mbedtls/CMakeLists.txt

if (DEFINED ENV{PICO_MBEDTLS_PATH} AND (NOT PICO_MBEDTLS_PATH))

set(PICO_MBEDTLS_PATH $ENV{PICO_MBEDTLS_PATH})

message("Using PICO_MBEDTLS_PATH from environment ('${PICO_MBEDTLS_PATH}')")

endif()

set(MBEDTLS_TEST_PATH "library/aes.c")

if (NOT PICO_MBEDTLS_PATH)

set(PICO_MBEDTLS_PATH ${PROJECT_SOURCE_DIR}/lib/mbedtls)

elseif (NOT EXISTS ${PICO_MBEDTLS_PATH}/${MBEDTLS_TEST_PATH})

message(WARNING "PICO_MBEDTLS_PATH specified but content not present.")

endif()

if (EXISTS ${PICO_MBEDTLS_PATH}/${MBEDTLS_TEST_PATH})

message("mbedtls available at ${PICO_MBEDTLS_PATH}")

set(src_crypto

aes.c

aesni.c

arc4.c

aria.c

asn1parse.c

asn1write.c

base64.c

bignum.c

blowfish.c

camellia.c

ccm.c

chacha20.c

chachapoly.c

cipher.c

cipher_wrap.c

constant_time.c

cmac.c

ctr_drbg.c

des.c

dhm.c

ecdh.c

ecdsa.c

ecjpake.c

ecp.c

ecp_curves.c

entropy.c

entropy_poll.c

error.c

gcm.c

havege.c

hkdf.c

hmac_drbg.c

md.c

md2.c

md4.c

md5.c

memory_buffer_alloc.c

mps_reader.c

mps_trace.c

nist_kw.c

oid.c

padlock.c

pem.c

pk.c

pk_wrap.c

pkcs12.c

pkcs5.c

pkparse.c

pkwrite.c

platform.c

platform_util.c

poly1305.c

psa_crypto.c

psa_crypto_aead.c

psa_crypto_cipher.c

psa_crypto_client.c

psa_crypto_driver_wrappers.c

psa_crypto_ecp.c

psa_crypto_hash.c

psa_crypto_mac.c

psa_crypto_rsa.c

psa_crypto_se.c

psa_crypto_slot_management.c

psa_crypto_storage.c

psa_its_file.c

ripemd160.c

rsa.c

rsa_internal.c

sha1.c

sha256.c

sha512.c

threading.c

timing.c

version.c

version_features.c

xtea.c

)

list(TRANSFORM src_crypto PREPEND ${PICO_MBEDTLS_PATH}/library/)

add_library(pico_mbedtls_crypto INTERFACE)

target_sources(pico_mbedtls_crypto INTERFACE ${src_crypto})

set(src_x509

certs.c

pkcs11.c

x509.c

x509_create.c

x509_crl.c

x509_crt.c

x509_csr.c

x509write_crt.c

x509write_csr.c

)

list(TRANSFORM src_x509 PREPEND ${PICO_MBEDTLS_PATH}/library/)

add_library(pico_mbedtls_x509 INTERFACE)

target_sources(pico_mbedtls_x509 INTERFACE ${src_x509})

set(src_tls

debug.c

net_sockets.c

ssl_cache.c

ssl_ciphersuites.c

ssl_cli.c

ssl_cookie.c

ssl_msg.c

ssl_srv.c

ssl_ticket.c

ssl_tls.c

ssl_tls13_keys.c

)

list(TRANSFORM src_tls PREPEND ${PICO_MBEDTLS_PATH}/library/)

add_library(pico_mbedtls_tls INTERFACE)

target_sources(pico_mbedtls_tls INTERFACE ${src_tls})

add_library(pico_mbedtls INTERFACE)

target_link_libraries(pico_mbedtls INTERFACE pico_mbedtls_crypto pico_mbedtls_x509 pico_mbedtls_tls)

target_compile_definitions(pico_mbedtls INTERFACE MBEDTLS_CONFIG_FILE="mbedtls_config.h")

target_include_directories(pico_mbedtls INTERFACE ${PICO_MBEDTLS_PATH}/include/ ${PICO_MBEDTLS_PATH}/library/)

function(suppress_mbedtls_warnings)

set_source_files_properties(

${PICO_MBEDTLS_PATH}/library/ecdsa.c

${PICO_MBEDTLS_PATH}/library/ecp.c

${PICO_MBEDTLS_PATH}/library/ecp_curves.c

${PICO_MBEDTLS_PATH}/library/pk_wrap.c

${PICO_MBEDTLS_PATH}/library/pkparse.c

${PICO_MBEDTLS_PATH}/library/x509_crt.c

${PICO_MBEDTLS_PATH}/library/ssl_cli.c

PROPERTIES

COMPILE_OPTIONS "-Wno-cast-qual"

)

set_source_files_properties(

${PICO_MBEDTLS_PATH}/library/psa_crypto_client.c

${PICO_MBEDTLS_PATH}/library/psa_crypto_driver_wrappers.c

PROPERTIES

COMPILE_OPTIONS "-Wno-redundant-decls"

)

endfunction()

endif()

다음은 mbedtls가 빌드되어지도록 아래 diff 파일을 참고하여 CMakeLists 파일을 수정합니다.

diff --git a/src/rp2_common/CMakeLists.txt b/src/rp2_common/CMakeLists.txt

index 0d0f9b9..ff8df7c 100644

--- a/src/rp2_common/CMakeLists.txt

+++ b/src/rp2_common/CMakeLists.txt

@@ -61,6 +61,7 @@ if (NOT PICO_BARE_METAL)

pico_add_subdirectory(cyw43_driver)

pico_add_subdirectory(pico_lwip)

pico_add_subdirectory(pico_cyw43_arch)

+ pico_add_subdirectory(pico_mbedtls)

pico_add_subdirectory(pico_stdlib)

그런 다음 첨부된 애플리케이션 파일을 pico-examples/pico_w 디렉터리에 넣은 후 빌드하면 aws_mqtt_sub 애플리케이션이 빌드됩니다.

4. LED

WS2812 LED를 구동 시키기 위해 https://github.com/ForsakenNGS/Pico_WS2812를 참고하여 작성하였습니다. Publisher로부터 받은 메시지로부터 LED출력용 데이터를 구한 후 디스플레이 됩니다.

# 데모영상

아래 유투브 영상을 참고하시기 바랍니다.

# 첨부파일

관련 소스코드를 ZIP파일로 첨부하였습니다.

첨부파일: picow_quest4_rudals.zip 다운로드

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