AWS IoT 物聯網系列部落格

當前物聯網環境中，裝置型別多種多樣，連線方式不一而足。為了幫助讀者更好的理解並運用 AWS IoT 相關服務，我們提供了一個完整的 IoT 起步指南，包含裝置的註冊及上線、裝置管理、使用者身份及許可權管理以及成本控制，通過這一系列的起步指南，也可以快速瞭解到 AWS IoT 服務如何與 Amazon Alexa 語音助手進行整合。AWS IoT 物聯網系列共4篇，本篇是該系列的第一篇，其他篇連結請在本文結尾處檢視。

背景介紹

在實際的物聯網裝置生產中，一般會量產部署上百萬裝置。這些裝置到達客戶手上，或者部署到生產系統後，如何安全管理裝置，例如遠端升級裝置這些常見操作，會成為一個難題。物聯網裝置往往沒有螢幕，也沒有工作人員在裝置前進行手動管理。升級操作如何觸發？升級失敗後如何回滾，並上報升級狀態？這種場景需要提前設計一套系統，自動化進行裝置管理。

藉助 AWS IoT 裝置管理功能，可以很方便的為裝置接入到物聯網，遠端監控和遠端管理物聯網裝置。AWS IoT 裝置管理中的任務管理允許使用者對裝置進行分組和跟蹤，同時允許快速查詢裝置，排查裝置功能故障，遠端更新裝置韌體，以及遠端重新啟動、修復以及將裝置恢復到出廠設定，並降低管理大型物聯網裝置部署的成本和工作量。本部落格將介紹如何使用 AWS IoT 裝置管理功能幫助您完成裝置生命週期管理，簡化開發和運維部署，進行遠端任務下發。

AWS IoT 任務執行時序圖

使用 AWS IoT 建立 OTA 任務時，根據終端裝置設定的處理流程，AWS 會把任務分別釋出到以下兩個預留的 MQTT 主題：

• $ aws / things / {thingName} / jobs / notify
• $ aws / things / {thingName} / jobs / notify-next

這兩個主題對應兩種不同的裝置處理流程：第一種是由裝置判斷任務優先度，選擇一個需要執行的任務。第二種是完成一個任務之後，自動按順序獲取下一個任務。針對不同的裝置處理流程，裝置需要主動訂閱這兩個MQTT 主題之一。下述會對兩種方法的流程逐步進行介紹。

方法一：獲取需要執行的任務：

1. 裝置連線到 AWS IoT 平臺後，訂閱 $aws/things/ThingName/jobs/notify 以獲取任務通知資訊。（訂閱該 topic 不會實時收到job的推送通知。Job 的獲取需要在下述第二步通過定時輪詢的方法定期獲取訊息通知。但需要注意的是，一定要在 $aws/things/ThingName/jobs/get 請求之前訂閱 $aws/things/ThingName/jobs/notify 主題，否則在後續的第三步無法收到任務列表。）
2. 當終端裝置訂閱 $aws/things/ThingName/jobs/notify 後，硬體裝置主動釋出訊息到 $aws/things/ThingName/jobs/get 獲取待執行的 job 列表。（可以根據需要自定義輪詢時間，例如10分鐘取一次，具體可以根據場景來設定。）
3. 此時裝置會收到 $aws/things/ThingName/jobs/notify 訊息，內容包含有任務列表。如果列表中包含了一個或多個任務，裝置可自行選擇需優先執行的任務。
4. 獲取到任務列表後，我們可以根據 job 的優先順序自行選擇優先需要執行的 job，然後把訊息傳送到 $aws/things/thingName/jobs/jobId/get 獲取該 jobid 詳細的任務資訊。通過訂閱 $aws/things/thingName/jobs/jobId/get/accepted，終端裝置能夠獲取到指定任務文件和任務狀態。
5. 在任務執行過程中，裝置向 $aws/things/thingName/jobs/jobId/update 持續釋出訊息以更新任務狀態，使得 AWS IoT 平臺獲悉裝置當前任務的執行狀況。同時控制端裝置，例如手機端，也可以獲取裝置當前的更新狀態。（在執行 job 的時候，可以定期地把 job 執行的狀況釋出到 update 主題，以便 IoT 服務的提供者知悉 job 的執行狀況。向 update 主題釋出訊息對終端裝置的 Job 執行沒有任何影響，它只是狀態的上報。但如果需要及時知道裝置任務狀態，應該及時通過此主題進行更新。）最後，任務執行過程可以反覆呼叫第[5]步，上報任務狀態，直到任務完成後，更新狀態為“SUCCEEDED”。
6. 裝置完成了一個任務之後，可以重複執行[2]，獲取待執行任務列表，並從任務列表中執行下一個任務。

方法二：自動獲取下一個任務：

方法二的實現原理和方法一極其相似，但有微小的區別：

1. 當裝置線上時，訂閱 $aws/things/ThingName/jobs/notify-next 主題以獲取裝置任務資訊。
2. 釋出訊息到 $aws/things/thingName/jobs/jobId/get 主題獲取待執行列表，注意這裡 jobId 應該為 $next。（注意：這裡的 $next 並非一個變數名，而是一個真實的引數值。因此在 get 的時候，應該傳送的 topic 為 $aws/things/thingName/jobs/$next/get。同樣地，裝置也要定期輪詢以獲取下一個任務。訂閱 $aws/things/thingName/jobs/jobId/get/accepted 獲得任務的返回值。）
3. Job被建立後通過notify-next主題下發Job 文件。
4. 在執行過程中裝置通過釋出訊息到 $aws/things/thingName/jobs/jobId/update 持續更新任務狀態。
5. 任務執行過程可以反覆呼叫第[4]步，上報任務狀態，直到任務完成後，更新狀態為 “SUCCEEDED”。
6. 裝置完成了一個任務後，通過重複執行[2]，自動獲取下一個任務並相應執行。

相比於方法一，方法二能夠自動執行下一個Job，操作更加簡單。但方法二無法在終端裝置自定義Job的執行順序，它只能按照Job提交的順序往下執行。因此如果Job需要按照優先順序（而不是提交順序）執行，方法一會更加靈活。方法一能夠允許終端裝置根據自身設定的程式碼邏輯，例如任務文件中設定的優先順序欄位，讓裝置執行優先度高的任務。

AWS IoT 任務執行時序圖

在說完整體流程之後，我們通過實際操作，從建立升級任務到執行任務，一步步的完成整個流程。

1. 使用AWS IoT 找出需要控制的裝置

首先需要在 AWS IoT 從海量裝置中找出需要執行 Job 的裝置。AWS IoT 提供了裝置狀態索引服務，此服務可以幫助我們在 IoT 平臺索引和搜尋登錄檔和裝置影子資料。開啟 AWS IoT 控制檯，點選左邊設定，選擇佇列索引設定，開啟索引：

同樣地，也可以使用 AWSCLI 所示開啟裝置索引。命令如下

 aws iot update-indexing-configuration --thing-indexing-configuration thingIndexingMode=REGISTRY_AND_SHADOW

開啟索引之後，我們就可以使用索引查詢我們的目標裝置，假設裝置當前已經註冊到 AWS IoT 平臺，並且通過 MQTT 把裝置狀態更新到裝置影子上。下述展示如何在AWS控制檯查詢系統版本號為“bc78fd46f845”的裝置。後續我們將向這些裝置推送升級任務，升級到新的韌體系統：

同樣的，我們也可以使用 AWS Cli 去查詢裝置影子，以獲得系統版本號為 bc78fd46f845 的裝置：

aws iot search-index  --query-string "shadow.reported.ver:( bc78fd46f845)"

查詢完畢之後我們把這些裝置加入一個裝置組裡面，這裡我們把這些裝置都加入名為 “jobdemo” 組裡面，稍後我們將向這個組裡面的裝置傳送升級任務。

2. 在控制檯建立任務

建立任務前我們需要定義一個任務文件，這個任務文件將使用 json 形式描述了裝置需要執行的遠端操作，任務文件可能還包括了需要下載的韌體升級包地址，以下是一個示例任務文件，我把這個任務文件儲存到 S3 儲存桶上。

[
  {
     "operation":"install",
     "packageName":"uniquePackageName",
     "autoStart":"true",
    "workingDirectory":"./root/directory/for/files/and/launch/command/execution",
     "launchCommand":"command to pass to child_process exec in order to launch executable package",
     "files":[
        {
           "fileName":"destinationFileName",
           "fileSource":{
              "url":"https://s3-example-bucket-name.s3.amazonaws.com/exampleFileName"
           }
        }
     ]
  }
]

把任務文件上傳到 S3 之後，就可以使用 AWS IoT 控制檯點開左側管理，選擇任務，到下一屏之後選擇建立新任務，在此我選擇的是“建立自定義作業”：

您會看到需要輸入任務 ID、描述等，這些自定義即可：

然後在“選擇要更新的裝置”在之前步驟建立的 jobdemo：

“新增任務檔案”選擇您存放上述 job 檔案的 S3 儲存桶位置：

建立完任務作業後，就可以向指定的裝置下發任務指令。我們使用上述建立的任務文件，向 jobdemo 推送這個任務，其他配置預設即可。

同樣地，也可以使用AWSCLI完成整個Job建立流程：

aws iot create-job --job-id 020 --targets arn:aws:iot:us-west-2:123456789012:thinggroup/jobdemo --document-source https://s3-us-west-2.amazonaws.com/{iotjobsbuckets}/jobtest.json 

3. 裝置訂閱任務並執行

如概述所述，裝置為了接收新的任務，需要主動訂閱這兩個MQTT 主題，兩個主題分別對應不同的執行方法。以下展示兩個主題訂閱和執行任務資訊的差異。

在方法一中，訂閱$ aws / things / {thingName} / jobs / notify 將得到待執行的任務列表。注意：返回的任務列表中沒有具體Job的任務文件。

{
  "timestamp": unixtime,
  "jobs": {
    "IN_PROGRESS": [
      {
        "jobId": "jobdemo",
        "queuedAt": unixtime,
        "lastUpdatedAt": unixtime,
        "startedAt": unixtime,
        "executionNumber": 1,
        "versionNumber": 3
      }
    ],
    "QUEUED": [
      {
        "jobId": "jobdemo",
        "queuedAt": unixtime,
        "lastUpdatedAt": unixtime,
        "startedAt": unixtime,
        "executionNumber": 1,
        "versionNumber": 1
      }
    ]
  }
}

在方法二中，裝置只有在空閒時才會收到 $ aws / things / {thingName} / jobs / notify-next 通知。（也就是說，如果裝置正在處理 Job，那麼裝置是不會同時收到其他 Job 的通知，直到裝置完成當前 Job 任務）這個訊息的內容中包含了任務文件：

{
  "timestamp": unixtime,
  "execution": {
    "jobId": "jobdemo",
    "status": "QUEUED",
    "queuedAt": unixtime,
    "lastUpdatedAt": unixtime,
    "versionNumber": 1,
    "executionNumber": 1,
    "jobDocument": {
      "operation": "install",
    	"packageName": "uniquePackageName",
    	"autoStart": "true",
	……
    }
  }
}

注意：再次強調，在方法二中，任務總是以佇列的形式存在裝置執行佇列裡面，如果裝置存在之前的任務還沒有處理完， 則不會發出 notify-next。

裝置可以在接受任務之後，可以向 AWS IoT 特定 MQTT 主題：$ aws / things / thingName / jobs / jobId /update，報告裝置當前任務狀態：

{
  "status": ["IN_PROGRESS", "FAILED", "SUCCEEDED", "REJECTED"],
  "statusDetails": {
    "progress": "0%"
  },
  "expectedVersion":"",
  "clientToken":""
}

裝置更新狀態需要指定四種狀態（”IN_PROGRESS”、”FAILED”、”SUCCEEDED”、”REJECTED”）的一種。如上所述，在方法二中，如果任務下發通知時存在 “IN_PROGRESS” 狀態的目標裝置，則不會發出 notify-next。直到任務變成 “SUCCEEDED” 狀態，目標裝置才會接收到 notify-next 主題的訊息。這樣裝置在執行完一個任務之後就可以有序地執行下一個任務。

讀者可以自由地描述 statusDetails 內容，這裡以處理進度為例進行描述。當裝置通知 AWS IoT 完成任務“jobdemo”後，AWS IoT 會通過 $ aws / things / {thingName} / jobs / notify-next 主題釋出下一個任務通知。

至此，就完成一個任務的執行。

結束語

在實際生產中，我們會從方法一和方法二中選擇一種裝置處理任務方法，把其編碼在硬體裝置上。管理員通過 AWS  IoT 平臺就能夠下發任務並自動化進行處理。

需要注意的是，當前僅有 AWS 的 JavaScript Device SDK 包含了對 job 處理的封裝。python 等其他語言 SDK 包還沒有實現，需要客戶按照本文內容的邏輯實現對 job topic 的訂閱。

本篇作者