La cobertura de los dispositivos IOT con un rango mayor al alcance con WiFi se logra al cambiar o incorporar otra red inalámbrica para implementación, por ejemplo LoRa.
La selección de tecnología LoRa responde al esquema de trabajo de Hardware y Software Abierto, la disponibilidad de componentes, que son la base para plantear esquemas de prueba de concepto, entrenamiento y desarrollo DIY.
De tener en operación la gestión de datos con un servidor MQTT y Home-Assistant, la integración con esta plataforma abierta simplifica los pasos al considerarse una extensión de lo implementado con redes locales con cobertura WiFi.
El uso de una plataforma abierta permite personalizar los dispositivos a requerimientos nuevos.
En el caso de solo realizar la conexión con "pocos" dispositivos, se puede recurrir a una conexión multipunto con LoRa. El esquema de integración simplificado se muestra en al figura.
Esquema LoRa: Dispositivo y Gateway Básico
La comunicación entre dispositivos y broker se simplifica considerando que:
Dispone de módulos Lora y/o Placas de Desarrollo
Implementa prototipos para una etapa inicial, no dispone de un gateway comercial y no requiere acceso directo a internet
Simplifica el esquema de comunicación entre pocos dispositivos, basado en direccionamiento
Interactúa con el Broker mediante MQTT, usando la red Ethernet o Wifi
En las siguientes secciones se describe en detalle los componentes básicos que se van implementando.
Esquema LoRaWAN
En caso de requerir una cobertura mayor se amplia el esquema para usar LoRaWAN e incorporar un LoRa Mini Gateway también en esquema abierto con ChirpStack. como gestor de Gateways-
Para registrar los eventos de un determinado dispositivo para analizar su comportamiento y registrarlo en un archivo txt se puede usar la librería Paho en Python. El proceso de registro desde luego se puede realizar en un gestor de datos como Home Assistant, se supondrá en éste caso que no está disponible..
Se crea un archivo, al que se añade una linea por cada registros de mensajes MQTT.
Para el ejemplo los datos de guardan sin procesar.
# grabando mensajes MQTT# configurar los parámetros para la creacion de archivo de textoimport paho.mqtt.client as mqtt
# INGRESO# Parametros para la conexión
servidormqtt = "192.168.xx.xx"
topicolee = "oficina/+/dispositivo/#"# Para el archivo.txt
cuentamensaje = 0
nombrearchivo = 'unreporte.txt'
archivo = open(nombrearchivo,'w')
archivo.close() # Cierra el archivo# FUNCIONES, para conectar y recibir mensaje MQTT# Al recibir CONNACK desde el servidor.defon_connect(client, userdata, flags, rc):
print("Conexión/código de resultado: "+str(rc))
# Inicio o renovación de subscripción
client.subscribe(topicolee)
return()
# el tópico tiene una publicacióndefon_message(client, userdata, msg):
global cuentamensaje
print(msg.topic+" "+str(msg.payload))
unmensaje = msg.topic+" "+str(msg.payload)
# Archivo en modo añadir 'append'
archivo = open(nombrearchivo,'a')
unalinea = unmensaje + '\n'
archivo.write(unalinea)
cuentamensaje = cuentamensaje + 1
print('\n mensajes recibidos: ', cuentamensaje)
return()
client = mqtt.Client()
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message
client.connect(servidormqtt, 1883, 60)
client.loop_forever()
Archivos py o txt desde PC a Raspberry Pi
Para transferir los archivos de Python o de texto generados se encuentra dispobible la instrucción scp. Luego de ejecutar la instrucción se pedirá la clave de acceso del usuario pi para copiar el archivo en el directorio proyecto/
scp archivo.py pi@192.168.xx.xx:projecto/
Para el caso contrario se usa una instrucción semejante pero con los parametros al contrario, observe que termina en un "."
scp pi@192.168.xx.xx:projecto/archivo.txt .
En el enlace de la referencia se encuentran más instrucciones al respecto
Los mensajes MQTT que se transmiten como texto simple en la red (inalambrica) y podrían ser leidos con algún software de inspección de tráfico de red. Para añadir un nivel de seguridad con los mensajes MQTT se usa TLS.
Esta sección consta de dos partes:
- creación de los certificados para CA, broker y dispositivos
- configuración de Mosquitto
1. Creación de Certificados
Son archivos que contienen las "llaves" de encriptación que se deben crear o generar para poder realizar todo el proceso de validación. Esta sección considera que las llaves serán usadas de forma local, por lo que la certificación de las llaves se realiza en el mismo broker (self-signed certificate).
La generación de llaves se realiza con la aplicación "OpenSSL" que se incluye con Raspberry OS y para esta ocasión se ejecuta desde un terminal local o remoto (ssh).
Se requieren llaves y certificados para el broker y para cada cliente
1.1 CA - Certificate authority
Se require una "entidad" para crear los certificados y las llaves usadas en el proceso, concocida como CA. Los archivos creados de guardan en la carpeta:
cd /etc/mosquitto/ca_certificates/
primero se crea la llave, que require establecer una frase para generar el archivo, ejemplo: "mqttasegurado" o alguna que le permita establecer una contraseña para la generación de los todos los siguientes certificados y llaves. Anote la frase en algun lugar a su alcance para los próximos pasos.
sudo openssl genrsa -des3 -out mqtt-ca.key 2048
la instrucción genera la siguiente
Generating RSA private key, 2048 bit long modulus (2 primes)
...........................................+++++
.+++++
e is 65537 (0x010001)
Enter pass phrase for mqtt-ca.key:
Verifying - Enter pass phrase for mqtt-ca.key:
El certificado CA firmado con la llave creada en el paso anterior, requiere añadir información adicional como: país, provincia, ciudad e institución para asociar al certificado.
En CN (Common Name) use el nombre en la red o IP fijo del broker, ejemplo: 192.168.10.40
La información en la parte "-subj" permite disponer de un contacto en caso que sea necesario actualizar el archivo del certificado.
Recuerde revisar los permisos de lectura en el directorio de los archivos para los certificados con la instruccion ls -l. pues se requiere poder leerlos para generar las llaves de clientes. Por ejemplo:
pi@raspberry:/etc/mosquitto/ca_certificates $ ls -l
-rw-r--r-- 1 root root 1196 mar 26 22:46 mqtt-ca.crt
-rw-r--r-- 1 root root 1751 mar 26 22:40 mqtt-ca.key
-rw-r--r-- 1 root root 41 mar 26 23:05 mqtt-ca.srl
-rw-r--r-- 1 root root 73 nov 16 2019 README
pi@raspberry:/etc/mosquitto/certs $
si requiere cambiarlos usar la instrucción: sudo chown usuario archivo, o en otro caso cambiar los permisos de lectura para todos los demás.
sudo chmod g+r mqtt-ca*
1.2 TLS - broker Mqtt
Los certificados del broker y usuarios se crean en el directorio 'certs', por lo que se cambia de directorio con la instrucción:
cd /etc/mosquitto/certs/
se genera la llave para el broker
sudo openssl genrsa -out mqtt-srv.key 2048
Creación del certificado para el Broker usando la llave del paso anterior.
En CN (Common Name) use el nombre o IP del broker, ejemplo: 192.168.10.50. Este valor es el mismo nombre a usar en la conexión del cliente.
Para usar en la programación del archivo.ino del dispositivo.
openssl x509 -noout -in mqtt-srv.crt -fingerprint
Recuerde revisar los permisos de lectura de los certificados, y modifique los que sean necesarios.
Realizar lo mismo de los permisos que para el directorio /etc/mosquitto/ca_certificates
2. Configuración de Mosquitto
La configuración del broker debe contener cuáles son los certificados para la encriptación de los mensajes.
La configuración del broker mosquitto se encuentra en el archivo /etc/mosquitto/mosquitto.conf que se modifica para activar la encriptación con TLS.
El archivo de configuración se abre desde la consola con la instrucción:
sudo nano /etc/mosquitto/mosquitto.conf
Se añaden las instrucciones:
# Port to use for the default listener.
port 8883
# "c_rehash " each time you add/remove a certificate.
#capath
cafile /etc/mosquitto/ca_certificates/mqtt-ca.crt
# Path to the PEM encoded server certificate.
certfile /etc/mosquitto/certs/mqtt-srv.crt
# Path to the PEM encoded keyfile.
keyfile /etc/mosquitto/certs/mqtt-srv.key
# This option defines the version of the TLS protocol to use for this listener.
# The default value allows v1.2, v1.1 and v1.0, if they are all supported by
# the version of openssl that the broker was compiled against. For openssl >=
# 1.0.1 the valid values are tlsv1.2 tlsv1.1 and tlsv1. For openssl < 1.0.1 the
# valid values are tlsv1.
tls_version tlsv1.2
para activar los cambios, deber reiniciar mosquitto con la instrucción:
sudo systemctl restart mosquitto
Verifique el estado del servidor MQTT desde una consola remota con ssh:
systemctl status mosquitto
con lo que se obtiene mensajes semejantes a:
● mosquitto.service - Mosquitto MQTT v3.1/v3.1.1 Broker
Loaded: loaded (/lib/systemd/system/mosquitto.service; enabled; vendor preset: enabled)
Active: active (running) since Sun 2019-08-11 14:16:50 -05; 9min ago
Docs: man:mosquitto.conf(5)
man:mosquitto(8)
Main PID: 394 (mosquitto)
Tasks: 1 (limit: 2200)
Memory: 2.4M
CGroup: /system.slice/mosquitto.service
└─394 /usr/sbin/mosquitto -c /etc/mosquitto/mosquitto.conf
ago 11 14:16:50 raspberrypi mosquitto[394]: 1565551010: Config loaded from /etc/mosquitto/mosquitto.conf.
ago 11 14:16:50 raspberrypi mosquitto[394]: 1565551010: Opening ipv4 listen socket on port 8883.
revise que todo esté funcionando sin inconvenientes, que el puerto 8333 sea el que esté activo.
Para cada dispositivo que se use para enviar o recibir un mensaje Mqtt se define como un cliente. Cada cliente necesita su propia llave que debe ser firmada por la CA para que sea aceptada en las conexiones TLS.
para generar los certificados podemos regresar al directorio:
cd /etc/mosquitto/certs/
En adelante, llamaremos al dispositivo "sensor00" como identificador en cada proceso. Se genera la llave para "sensor00"
sudo openssl genrsa -out sensor00-client.key 2048
se crea una solicitud de forma para la llave. El valor de CN debe ser el nombre del dispositivo FQDN o una dirección IP fija.
Para las pruebas, se puede usar la consola remota o una laptop conectada a la misma red que el broker. Recuerde actualizar los datos en la sección "subj"
al ejecutar la instrucción, se pide la frase del certificado, la ingresa y obtiene:
Enter PEM pass phrase:
Client mosqsub|1557-raspberry sending CONNECT
Client mosqsub|1557-raspberry received CONNACK (0)
Client mosqsub|1557-raspberry sending SUBSCRIBE (Mid: 1, Topic: oficina/mensaje, QoS: 0)
Client mosqsub|1557-raspberry received SUBACK
Subscribed (mid: 1): 0
ON
Puede cambiar el estado con mosquitto_pub se escribe una instrucción semejante añadiendo el mensaje -m 'ON'. Esta instrucción usa otro cliente: sendor01.
Otra opción para probar la conexión es usando un programa desde una PC y con el certificado de cliente, por ejemplo MQTT.FX que lo puede descargar de forma gratuita.
Realice una copia del certificado de cliente en la pc donde instala el programa MQTT.FC en un directorio de trabajo.
Use los parámetros requeridos para la conexión en la ventana del menú "extras/edit/connection profiles" para usuario y clave, TLS, etc
Se presiona conectar a MQTT, luego se suscribe al tópico de interés y se puede publicar en el mismo tópico.
5 Revisar conexión SSL
Sustituir IP_ADDRESS con la dirección IP antes de usar la instrucción.
Para crear un nivel de control de cuáles dispositivos operan con el servidor MQTT, se añaden usuarios y contraseñas.
1. Crear usuarios y contraseñas
Mosquitto dispone de una instrucción para generar un archivo de contraseñas: mosquitto_passwd. La instrucción para crear el usuario requiere escribir una contraseña a ser usada solo para el servicio MQTT:
Para cada usuario se validan las contraseñas, se solicita escribirlas dos veces:
Nota puede usar para el ejemplo : "usuarioprueba" , "usuarioclave", al ejercutar la instrucción anterior tendrá lo siguiente, teniendo que digitar la clave seleccionada.
Añadir el control de usuarios requiere modificar el archivo de configuración para indicar la ubicación del archivo de contraseñas de cada usuario registrado.
Como comprobación, intente enviar un mensaje con usuario cambiado con clave errada.
En las nuevas versiones, en modo "localhost" es decir desde un terminal del servidor, se aceptan todos los mensajes sin restricción como un modo de prueba de operación. Par comprobar otro tipo de conexión se debe realizar desde otro programa o computador. por ejemplo: mqtt.fx
el parámetro de broker puede ser también la dirección IP del servidor mosquitto.
Al reiniciar Home-Assistant, debería iniciar con la configuración propuesta.
5. MQTT con TLS
Para aumentar el nivel de seguridad de los mensajes MQTT, se añade encriptado TLS a los mensajes. El tema se desarrolla en la siguiente página de publicación.
Como protocolo para comunicar el broker con los dispositivos será MQTT.
La versión seleccionada es Mosquitto, disponible en el enlace mostrado.
1. Instalar Mosquitto en Raspberry Pi
La forma simplificada de instalar mosquitto es desde una ventana de terminal, que instala e inicia el servicio. Recuerde actualizar Raspbian antes de éste proceso, notas en la sección de RaspberryPi-Actualizar.
Si aparece el estado en la ventana del numeral 2.2, MQTT se encuentra funcionando correctamente.
Para iniciar una prueba, también puede usar el programa cliente MQTT.fx, requiere descargar y configurar los parámetros de MQTT.
Esta es una instalación básica, procesa cualquier suscripción o publicación de mensajes. Tiene utilidad para probar los primeros mensajes de un dispositivo básico en construcción.
Para añadir un nivel de seguridad mediante usuario y contraseña, se requieren algunos pasos adicionales descritos en otra entrada del blog.
3. Puertos de conexión
A partir de la versión 2, la configuración predeterminada se restringe a los mensajes enviados desde la dirección"local" (127.0.0.1). Para abrir la recepción mensajes desde otras direcciones, se actualiza el archivo
Para conectar Home-Assistant al broker Mosquitto, se requiere configurar los parámetros de conexión.
La forma más simple de configurar MQTT es usando la página web en el menú de configuración/Integraciones.
Se usa el botón "+ añadir integración" para indicar los parámetros del servidor MQTT tal com "agente:" dirección ip o "localhost", el puerto es el mismo, se añade de ser el caso el usuario y la contraseña.
Al completar la configuración, deberá aparecer entre la lista de integraciones:
Como una introducción para desarrollo IoT, Internet of Things, se usa un esquema que agrupa los componentes en secciones y capas. Cada una de las secciones se encarga de una parte de todo el proceso, simplificando los pasos para tener componentes funcionales que interactúen como un todo.
El esquema básico presentado empieza con lo más tangible, las "cosas" ("Things" en inglés) presentado en el bloque inferior en color gris.
El "usuario" observa, controla y se beneficia del estado de las cosas representando una sección importante en el esquema en los bloques en azul.
1. Las cosas (Things)
Las "cosas" representan el artefacto que se desea conocer o controlar su estado.
Para conocer el estado por ejemplo abierto/cerrado, 0/1, se usan sensores.
Para controlar el estado de las cosas, por ejemplo un foco, se usan actuadores.
2. Usuario
El "usuario" observa, controla, se beneficia del estado de las cosas y accede a ellas en forma "presencial" o "virtual".
Para que usuario llegue hasta las cosas, se crea un camino con algunos componentes tecnológicos intermedios que son los que se tratan en cada página del blog.
3. Componentes o Capas
Cada componente añade una función específica a la infraestructura IoT.
Algunos componentes son de uso cotidiano y los dispone en el hogar, la oficina, el aula.
Por ejemplo, un teléfono móvil, tablets, PC, un «router Wifi», son componentes que se actualmente se encuentran muy difundidos.
La extensa adopción de estos componentes facilita el despliegue del Internet de las cosas (IoT).
4. Esquemas Abiertos de Hardware y Software
La infraestructura IoT se conforma de Hardware y Software, ambos se pueden desarrollar e implementar con herramientas de esquema abierto conocidos como,
Open Hardware
Open Software
Para lo presentado en Girni IoT, se tiene preferencia en los esquemas abiertos.
Para explorar el esquema abierto IOT se revisa un ejemplo base, simplificado para incorporar un dispositivo sensor/actuador. El primer ejemplo a desarrollar es un sensor de estado de Puerta-Ventana.
El estado de la "cosa", puerta o ventana es cerrado o abierto. El estado se representa por un 1 o 0, ON/OFF, es también conocido como un estado binario.
Se usa un sensor tipo "interruptor magnético" con estados: abierto o cerrado, que permite determinar el estado de la puerta.
Un dispositivo registra el estado o lectura del sensor magnético, y genera un mensaje de estado de "ON/OFF" para enviarlo a un punto central de gestión de la información (servidor o broker).
El dispositivo realiza las operaciones de revisión de sensor y envío de mensajes usando un "microcontrolador", como Arduino, ESP8266, ESP32, etc.
El dispositivo usa una red de datos alámbrica o inalámbrica para enviar el mensaje al broker, por ejemplo WiFi.
El broker registra, gestiona y muestra el estado de la "puerta" al usuario. El broker realiza las funciones de servidor de mensajes y de página web, semejante a Twitter, facebook, etc.
El broker puede ser un servidor en la nube, o puede ser implementado de forma local con una PC o Raspberry Pi, lo que se tenga disponible.
Para que el mensaje del estado de la puerta se gestione en el broker, es necesario enviarlo por medio de una red de datos disponible.
La red de datos en la actualidad es muy común en su forma inalámbrica WiFi o cableada Ethernet, el uso de estas redes genera un escenario donde se facilita la implementación del internet de las cosas IoT.
El usuario puede revisar el estado de la "puerta" desde una página web, como un texto o símbolo, mostrado en la figura anterior.
Esquema por componentes y proceso por Bloques
La implementación e integración de éstos componentes se desarrolla paso a paso, empezando por los componentes más elementales y luego incorporando otros elementos que hacen de IoT un tema fascinante.
Un dispositivo IoT con Wifi puede ser implementado con una placa de desarrollo con ESP8266/ESP32, inicialmente el proceso varía en detalles con la placa de desarrollo que tenga disponible. Las placas en la actualidad ya no presentan una diferencia muy grande en costos, por lo que el modelo depende más de la placa que tenga disponible para un primer ejercicio.
El proceso general para conectar un dispositivo IoT tiene varias fases o bloques:
Conexión al router de una red WiFi.
Envío de un mensaje de estado/acción de un sensor o actuador a un Gestor de mensajes (Broker) MQTT, por ejemplo Mosquitto.
Registro el estado/acción de un sensor o actuador con un Gestor de dispositivos, entre ellos Home Assistant.
La configuración de MQTT se realiza para: la conexión a MQTT y la revisión de mensajes de los dispositivos.
Mosquitto en Home Assistant
Para conectar Home-Assistant al broker Mosquitto, se requiere configurar los parámetros de conexión.
3. Mosquitto en Home Assistant
Para conectar Home-Assistant al broker Mosquitto, se requiere configurar los parámetros de conexión.
La forma más simple de configurar MQTT es usando la págine web en el menu de configuración/Integraciones.
Se usa el botón "+ añadir integración" para indicar los parámetros del servidor MQTT tal com "agente:" dirección ip o "localhost", el puerto es el mismo, se añade de ser el caso el usuario y la contraseña.
Al completar la configuración, deberá aparecer entre la lista de integraciones:
Al reiniciar Home-Assistant, debería iniciar con la configuración propuesta.
El reinicio se puede realizar desde la página en el menú Configuración/Controles del Servidor. Recuerde siempre validar el cambio de configuración antes de reiniciar Home-Assistant.
Home Assistant es una aplicación abierta, tipo local con la gestión básica para iniciar un proyecto de IOT para el hogar u oficina.
Permite acceder a la información y control de los dispositivos mediante una página web de configuración simplificada, personalizada, facilitando la instalación básica para iniciar con los conceptos básicos.
Ésta sección muestra notas tomadas como documentación simplificada al realizar un proyecto básico de IOT.
La forma de implementarla para este proyecto es un Raspberry Pi, por tener un servidor dedicado y de bajo consumo energético, aunque puede inslalarse en otras plataformas.
Para la implementación de un broker simplificado que gestione las conexiones con cada dispositivo se usa un Raspberry Pi con su sistema operativo "Raspberry pi OS" a partir del año 2020, antes conocido como"Raspbian". Dado que la documentación se inició en el 2018, se mantienen ambos nombres para la documentación.
En adelante, se considera que el Raspbian ya se encuentra instalado, actualizado, operativo y con dirección IP fija, de no ser así puede seguir las instrucciones de la sección Raspberry Pi OS-Instalar
A partir de aquí se resumen los pasos para la instalación de Home Assistant
Para la instalación se recomienda actualizar Rasbian a la fecha, puede usar las indicaciones en la sección correspondiente Raspbian-Actualizar
cd /srv
sudo mkdir homeassistant
sudo chown homeassistant:homeassistant homeassistant
Configurar un entorno virtual, ajustar la versión de Python acorde a la disponible y que se encuentre probada. El resto de instrucciones se mantienen iguales.
El programa se puede iniciar usando la instrucción. Esperar con paciencia, toma tiempo la primera ejecución.
hass
Durante el proceso de instalación, (o esperado al menos 5 minutos) una vez que se ha llegado al proceso de:
[homeassistant.bootstrap] Home Assistant initialized in 525.83s
[homeassistant.core] Starting Home Assistant
(MainThread) [homeassistant.core] Timer:starting
o en otro caso, observe los tiempos:
2021-07-23 06:06:09 WARNING (Recorder) [homeassistant.components.recorder.util] The system could not validate that the sqlite3 database at //home/homeassistant/.homeassistant/home-assistant_v2.db was shutdown cleanly
2021-07-23 06:08:15 WARNING (MainThread) [homeassistant.bootstrap] Waiting on integrations to complete setup: cloud
2021-07-23 06:11:38 WARNING (MainThread) [homeassistant.bootstrap] Waiting on integrations to complete setup: zeroconf
se debe ingresar vía web para ingresar los datos de usuario, palabra clave, ubicación geográfica y así completar la instalación.
Para el ejemplo mostrado debería ingresar desde un navegador de internet a la dirección asignada en el proceso de instalación:
192.168.10.100:8123
Cuando se termine el proceso de instalación en la página web, será necesario configurar el inicio automático, así al reiniciar el Raspberry Pi, todo continúe funcionando normalmente.
- se debe salir del proceso de la consola con las teclas Ctrl-C
- regresar al usuario básico con la instrucción: exit
4. Configura el inicio automático
Crear un archivo de servicio con nombre semejante al mostrado en la instrucción:
Para probar que todo funciona bién se reinicia el Raspberry Pi con la instruccion sudo reboot
5. Modo avanzado para administrador
Para comprobar que las configuraciones sean las correctas u otras opciones de administrador, se puede activar las opciones de modo avanzado para el usuario administrador desde la sección "administrador/modo avanzado"
Se activan y muestran los botones en "configuración/controles de servidor"
Periódicamente se publican actualizaciones para Home Asssistant en el sitio web. La versión instalada se puede revisar en el sitio web local, sección de "Configuración/información".
Las instrucciones para actualizar Home Assistant se realizan mediante una conexión terminal ssh que consiste en:
Si la instalación fue realizada con Docker, se usan las siguientes instrucciones:
# if this returns "Image is up to date" then you can stop here
docker pull ghcr.io/home-assistant/home-assistant:stable
# stop the running container
docker stop homeassistant
# remove it from Docker's list of containers
docker rm homeassistant
sudo docker run -d \
--name homeassistant \
--restart=unless-stopped \
--privileged \
-e TZ=Americas/Guayaquil \
-v /home/girni/homeassistant:/config \
--network=host \
ghcr.io/home-assistant/home-assistant:stable
https://www.semtech.com/lora/why-lora
