W5100S-EVB Pico + AWS IoT Core + MQTT Example

Creating a hands-on project for AWS integration using W5100 pico

COMPONENTS Hardware components

WIZnet - W5100

x 1

Software Apps and online services

microsoft - VS Code

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PROJECT DESCRIPTION

0. 들어가기

✔ W5100S-EVB 피코

개발 보드. 이더넷 연결이 가능함. 자세한 건 홈페이지 참조

W5100S-EVB-Pico는 Raspberry Pi RP2040 마이크로컨트롤러 칩과 완전 유선 TCP/IP 컨트롤러 W5100S 칩을 기반으로 하는 마이크로컨트롤러 평가 보드입니다. W5100S-EVB-Pico는 Raspberry Pi Pico 플랫폼과 동일한 역할을 하며 W5100S를 포함하므로 이더넷 기능이 기본적으로 포함되어 있습니다.

✔ AWS IoT 코어

IoT 디바이스를 다른 디바이스에 연결하는 클라우드 서비스와 AWS 클라우드 서비스를 제공함.
IoT 디바이스를 AWS IoT 기반 솔루션에 통합하는 데 도움이 되는 디바이스 소프트웨어 제공.
지원 프로토콜
- MQTT
- WSS를 통한 MQTT
- HTTPS
- LoRaWAN

✔ MQTT

MQTT(Message Queueing Telemetry Transport)의 약자로, 최소한의 전력과 패킷량으로 통신하는 프로토콜이다.
저전력 배터리나 네트워크 상태가 좋지 않은 제한적인 환경에서 동작하게 하기 위한 용도로 만들어졌다.
⇒ 낮은 전력과 낮은 대역폭 환경에서 사용할 수 있어, IoT Device에서 유용.

1. 개발 환경 구축

참조 문서

1) Toolchain 설치

ARM GCC 컴파일러

링크에서 windows용 exe를 다운받고 설치.
유의할 점은 설치 시에 Add path to environment variable을 선택해준다. 다른 옵션은 이미 선택되어 있지만 저 옵션만 선택되어 있지 않으니 선택해준다.

CMake

링크에서 windows용 installer을 다운받아서 설치.
설치 시에 all users path 관련 옵션 선택.

비주얼 스튜디오

문서에는 2019 버전을 다운로드하라고 되어 있지만 2022 버전을 받아도 잘 돌아감.
C++을 사용한 데스크톱 개발 옵션만 선택해서 설치.

참조

파이썬

문서에는 3.9버전을 설치하라고 되어 있다.
이미 3.9 버전이 설치되어 있어서, 다른 버전이 안되는지는 정확하지 않다.

힘내

git이 설치되어 있어야 한다.

2) 설치 확인

SDK 및 예제 가져오기

원하는 폴더 경로에 가서 아래의 git 명령어를 실행.

C:\[userpath]> git clone -b master https://github.com/raspberrypi/pico-sdk.git
C:\[userpath]> cd pico-sdk
C:\[userpath]\pico-sdk> git submodule update --init
C:\[userpath]\pico-sdk> cd ..
C:\[userpath]> git clone -b master https://github.com/raspberrypi/pico-examples.git

명령줄에서 "Hello World" 빌드

커맨드 창에서 빌드 테스트. 아래 명령어 실행
빌드가 완료되면 hello_world/serial 폴더와 hello_world/usb 디렉토리에 bulid 디렉터리가 생성됨.
생성된 UF2 파일을, 컴퓨터와 연결된 보드에 drag and drop 해주면 실행할 수 있음.

C:\[userpath]> setx PICO_SDK_PATH "..\..\pico-sdk"
C:\[userpath]> cd pico-examples
C:\[userpath]\pico-examples> mkdir build
C:\[userpath]\pico-examples> cd build
C:\[userpath]\pico-examples\build> cmake -G "NMake Makefiles" ..
C:\[userpath]\pico-examples\build> nmake

Visual Studio Code에서 "Hello World" 빌드

위와 똑같은 테스트이지만 VS Code에서 실행.
Developer Command Prompt for VS 2022 에 들어가서 code 입력.

입력하면 자동으로 VS Code가 실행된다.
C/C++을 사용하려면 VS Code에서 몇 가지 설정을 해줘야 한다.
1) CMake Tools 설치

2) Settings(설정)에서 Configure Envionment 설정

3) Settings에서 Generator 설정

이제 설정 화면을 닫고, pico-examples 폴더를 열어줍니다.
폴더를 열고, 아래의 build 버튼을 누르거나 F7을 눌러서 빌드합니다.
빌드가 완료되면 build 디렉토리에 있는 uf2 파일을 보드에 넣어서 실행합니다.

2. MQTT를 통해 AWS IoT 연결하기

원본 링크 참조 링크

1) 터미널 프로그램 설치

Tera Term 을 사용했음.
다른 터미널 프로그램을 사용해도 관계없음.

2) 하드웨어 연결

이더넷 케이블을 사용해서 W5100S-EVB-Pico 이더넷 포트에 연결해준다.
연결된 보드를 5pin usb 케이블을 통해서 컴퓨터와 연결해둔다.

3) AWS IoT 설정

IoT Core resource 생성 참조

4) MQTT 예를 통해 Connect AWS IoT 설정

✅ 자식 클론

git clone --recurse-submodules https://github.com/Wiznet/RP2040-HAT-AWS-C.git

✅ SPI 포트 및 핀 설정

'RP2040-HAT-AWS-C/port/ioLibrary_Driver/' 디렉토리에 있는 'w5x00_spi.h' 파일에서 설정.

/* SPI */
#define SPI_PORT spi0

#define PIN_SCK 18
#define PIN_MOSI 19
#define PIN_MISO 16
#define PIN_CS 17
#define PIN_RST 20

✅ 네트워크 구성 설정

'RP2040-HAT-AWS-C/examples/aws_iot_mqtt/' 디렉토리에 있는 'aws_iot_mqtt.c' 파일에서 설정.
보드가 공유기와 연결된 것이라면 알아서 할당되므로 파일을 수정할 필요 없음.

/* Network */
static wiz_NetInfo g_net_info =
    {
        .mac = {0x00, 0x08, 0xDC, 0x12, 0x34, 0x56}, // MAC address
        .ip = {192, 168, 11, 2},                     // IP address
        .sn = {255, 255, 255, 0},                    // Subnet Mask
        .gw = {192, 168, 11, 1},                     // Gateway
        .dns = {8, 8, 8, 8},                         // DNS server
        .dhcp = NETINFO_DHCP                         // DHCP enable/disable
};

✅ AWS IoT 구성 설정

도메인은 AWS IoT data endpoint 이다.
AWS IoT Core에서 설정에 들어가서 복사한 후, 변경 해준다

my_rp2040_thing은 자신이 만든 사물(device) 이름으로 바꾼다.
username과 password는 설정하지 않는다.

/* AWS IoT */
#define MQTT_DOMAIN "account-specific-prefix-ats.iot.ap-northeast-2.amazonaws.com"
#define MQTT_PUB_TOPIC "$aws/things/my_rp2040_thing/shadow/update"
#define MQTT_SUB_TOPIC "$aws/things/my_rp2040_thing/shadow/update/accepted"
#define MQTT_USERNAME NULL
#define MQTT_PASSWORD NULL
#define MQTT_CLIENT_ID "my_rp2040_thing"

✅ 장치 인증서 및 키 설정

'RP2040-HAT-AWS-C/examples/aws_iot_mqtt/' 디렉토리의 mqtt_certificate.h 파일에 설정한다.
AWS에서 사물(Device) 생성 시에 발급받은 인증키를 넣어준다.
root_ca에는 Amazon Root CA1 인증서를 넣어주고,
client_cert에는 Private key를 넣어주고,
private key에는 RSA를 넣어준다.
아래의 입력 형식에 맞춰서 넣어줘야 한다. 각 줄마다 따옴표와 \r\n을 넣어준다.

uint8_t mqtt_root_ca[] =
"-----BEGIN CERTIFICATE-----\r\n"
"...\r\n"
"-----END CERTIFICATE-----\r\n";

uint8_t mqtt_client_cert[] =
"-----BEGIN CERTIFICATE-----\r\n"
"...\r\n"
"-----END CERTIFICATE-----\r\n";

uint8_t mqtt_private_key[] =
"-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----\r\n"
"...\r\n"
"-----END RSA PRIVATE KEY-----\r\n";