安全工作區(qū)開源分享

描述

什么是安全工作區(qū)

安全工作區(qū)旨在創(chuàng)建一個點對點網(wǎng)絡(luò)，其中一堆AWS IoT EduKit將共享一個通用接口。該接口將由 BLE(Bluetooth LOW ENERGY) UART 協(xié)議創(chuàng)建。這些設(shè)備可以一次在它們之間共享一個消息。

當(dāng)一個設(shè)備（Sender）想要發(fā)送消息時，它會與其他設(shè)備（Recipient）連接并收集它的GATT屬性。這些屬性是由接收設(shè)備提供的服務(wù)和特性。收集這些屬性后，發(fā)送方設(shè)備可以在該接口上讀取/寫入數(shù)據(jù)，接收方設(shè)備將監(jiān)聽這些數(shù)據(jù)。

一個 android 應(yīng)用程序將作為管理設(shè)備也與該界面相關(guān)聯(lián)。如果任何設(shè)備想要向管理應(yīng)用程序發(fā)送消息，它也是可能的。

為什么選擇安全工作區(qū)

近來，自然災(zāi)害的加劇已成為大多數(shù)國家的可怕局面。這些自然災(zāi)害包括地震、暴雨造成的山體滑坡、海嘯對人口地區(qū)造成巨大損失，尤其是附近有工作場所的情況下。此外，我們不能否認與這些事件有關(guān)的死亡對社會造成沉重打擊的事實。

有時辦公室和工作場所不承認情況的嚴(yán)重性。即使是天氣預(yù)報也無法預(yù)測影響的確切時間和情況的嚴(yán)重程度。以下是地震造成可怕情況的一些案例。6.4級地震使建筑物倒塌| 來源。以及因大地震而導(dǎo)致14人死亡的倒塌建筑| 來源。

在大多數(shù)情況下，被困在倒塌建筑物瓦礫下的人可以存活一段時間，但他們無法通知外面的人或他們的代表當(dāng)局他們的存在。雖然救援隊及時趕到并盡了最大努力，但問題是，他們不知道去哪里尋找還活著的人。結(jié)果，那些僅僅幸存下來的人無法從倒塌的建筑物中活著逃脫。

即使不僅是辦公室或工作場所，在 Covid-19 期間，許多員工也不得不在家工作。但它也不安全，因為當(dāng)任何自然災(zāi)害來襲時，住宅區(qū)或住宅區(qū)可能會受到影響。

此外，人為的有缺陷的建筑物和結(jié)構(gòu)故障、建筑物著火而找不到逃生門的問題可能會導(dǎo)致與地震或任何自然災(zāi)害相同的麻煩。拉納廣場事件造成1134人死亡，數(shù)千人受傷| 來源。過去十年以來，采礦作業(yè)中發(fā)生的事故也奪走了很多人的生命| 來源。

這就是 Secure Workspace 發(fā)揮作用的地方。在物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)代時代，藍牙/低功耗藍牙 (BLE) 等高級連接選項使通信選項變得簡單可靠。小型集成設(shè)備，例如：AWS IoT EduKit具有 IoT 云訪問和 BLE UART 通信協(xié)議。因此，可以構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)并將消息從一個設(shè)備傳遞或接收到另一個設(shè)備。

每當(dāng)有人陷入不穩(wěn)定的情況或遇到問題時，他/她可以通過向最近的與 BLE 連接的AWS IoT EduKit設(shè)備發(fā)送 SOS 消息來通知。此外，還將有一個管理員 android 應(yīng)用程序，它可以搜索活動設(shè)備并與之連接并監(jiān)聽響應(yīng)。

安全工作區(qū)的特點

• 個性化注冊：注冊過程包括提供姓名、密碼和信息。
• 每個用戶一臺設(shè)備：Secure Workspace 旨在在工作場所建立一個網(wǎng)絡(luò)，每個員工都有一個AWS IoT EduKit，他/她可以在緊急情況下發(fā)送 SOS 消息。為此，必須為每個用戶提供經(jīng)過身份驗證的登錄名和用戶配置文件。
• 管理應(yīng)用程序和主動搜索：用戶有權(quán)將 SOS 消息直接發(fā)送到管理應(yīng)用程序。此外，在發(fā)生災(zāi)難或威脅事件后，管理員可以搜索活動設(shè)備并與之連接。
• 點對點連接：一個設(shè)備可以使用與管理應(yīng)用程序相同的 BLE UART 協(xié)議向另一臺設(shè)備發(fā)送消息。

用于安全工作區(qū)的技術(shù)堆棧

• AWS IoT Core：AWS IoT Core 用于偵聽來自設(shè)備的 MQTT 消息并采取相應(yīng)措施。
• AWS DynamoDB：AWS DynamoDB 用于存儲用戶配置文件，例如名稱、密碼和消息。
• AWS Lambda函數(shù)：AWS Lambda 函數(shù)用作與 AWS IoT Core 事件綁定的無服務(wù)器計算機。當(dāng) MQTT 消息到達時，我們可以通過 lambda 函數(shù)觸發(fā)一些事件，例如：從 DynamoDB 獲取數(shù)據(jù)并發(fā)送到設(shè)備。
• BLE UART：通用異步接收器/發(fā)送器 (UART) 是最流行的協(xié)議，用于通過串行端口與計算機設(shè)備通信。我們將使用的是 BLE over UART 協(xié)議。集成和偵聽數(shù)據(jù)更改或通過端口寫入數(shù)據(jù)很容易。

在繼續(xù)之前閱讀

• AWS 賬戶：本項目教程強烈建議擁有一個 AWS 賬戶。我們可以在老師的幫助下使用 AWS Educate 帳戶。或者，我們可以使用 gmail 地址創(chuàng)建自己的地址，就像我使用 rahulmohoto.icpc@gmail.com 創(chuàng)建的一樣，然后啟動AWS 免費套餐包。該項目與 AWS 免費套餐兼容。
• 設(shè)置角色和策略：在使用 AWS 服務(wù)之前，有必要知道我們正在使用它做什么。角色和策略需要根據(jù)我們的需要來設(shè)置。否則，把所有事情都做對不會得到我們想要的結(jié)果。
• 管理員應(yīng)用：通過“關(guān)于管理員應(yīng)用的一些注意事項”部分對應(yīng)用程序有一個簡要的了解。
• 關(guān)于代碼：AWS IoT EduKit 和 Android 應(yīng)用程序的代碼可在附加的 GitHub 存儲庫中找到。

環(huán)境設(shè)置

在我們繼續(xù)之前，我們需要為AWS IoT EduKit設(shè)備設(shè)置環(huán)境。需要關(guān)注的一些關(guān)鍵點：

• 該應(yīng)用程序使用 UIFlow MicroPython 固件 1.12 構(gòu)建。構(gòu)建版本 1.8.1。
• 對于這個項目，我將使用Microsoft Visual Studio Code作為我的代碼編輯器。軟件下載鏈接。
• 我們必須為Microsoft Visual Studio Code 安裝一個插件，它的名稱是vscode-m5stack-mpy。按照此鏈接獲取該插件。
• 我的環(huán)境設(shè)置如何 -

• 為了在AWS IoT EduKit設(shè)備中閃存和燒錄固件，使用了另一個名為M5 Burner的軟件。按照此鏈接獲取該軟件。
• 要了解有關(guān) UIFlow 和 MicroPython 庫的更多信息，請參閱它們的官方文檔。按照這個鏈接將直接到他們的官方文件。

安全工作區(qū)如何工作

為了便于理解，我們可以將系統(tǒng)分為兩部分。

• 如果我們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中不存在用戶數(shù)據(jù) ->注冊過程（第 1.1 節(jié)）
• 如果我們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中存在用戶數(shù)據(jù) -> Dashboard Operations(Section:1.2)

1.1 未找到用戶數(shù)據(jù)時的注冊流程

注冊背后發(fā)生了什么：

• 第 1.1.1 節(jié)：檢查現(xiàn)有用戶數(shù)據(jù)
• 第 1.1.2 節(jié)：在完成鍵盤輸入姓名、密碼和消息后進行注冊

1.1.1 如何檢查用戶數(shù)據(jù)是否存在于 DynamoDB

要檢查 DynamoDB 上是否存在用戶數(shù)據(jù)，我們需要創(chuàng)建一個可以調(diào)用觸發(fā)器的事件。作為回報，我們將獲得來自 DynamoDB 的記錄。對于我們需要執(zhí)行的任務(wù)，沒有可用的操作，例如：在“AWS IoT Core 規(guī)則”部分從 DynamoDB 獲取數(shù)據(jù)。

為此，我們可以做的是創(chuàng)建一個AWS Lambda 函數(shù)。 Lambda 函數(shù)用作無服務(wù)器計算機，它可以在觸發(fā)某種事件時執(zhí)行任務(wù)。對于我們的案例，我們將使用格式化的 MQTT 消息來觸發(fā)事件。在輸出中，我們還將獲得一個 MQTT 響應(yīng)，但加載了我們想要從 DynamoDB 獲得的記錄的 JSON 數(shù)據(jù)。

讓我們關(guān)注列出的 lambda 函數(shù)中的“SendMQTTtoCORE2AWS”函數(shù)。

# SendMQTTtoCORE2AWS Lambda Function
# Python 3.8 
...
# TODO implement
client = boto3.resource("dynamodb")
table = client.Table("Save_User_Data")
data = table.scan()["Items"]
client = boto3.client('iot-data', region_name='us-west-2', endpoint_url='https://a25wmxf9jzsaoa-ats.iot.us-west-2.amazonaws.com')
# Change topic, qos and payload
response = client.publish(
topic='env/core',
qos=0,
payload=json.dumps(data[0]["User_Data"])
)
...

不僅是一個 lambda 函數(shù)，我們還需要一個IoT 規(guī)則，它可以作為觸發(fā)器來調(diào)用該函數(shù)。這是我的 IoT 規(guī)則“Fetch_Data”來調(diào)用“ SendMQTTtoCORE2AWS” lambda 函數(shù)。

“Fetch_Data”規(guī)則是什么：

• 關(guān)于規(guī)則：該規(guī)則的作用是調(diào)用 lambda 函數(shù)“SendMQTTtoCORE2AWS”，從 DynamoDB 中獲取數(shù)據(jù)并作為 MQTT 消息發(fā)送到設(shè)備。
• 事件觸發(fā)：

SELECT Tag FROM 'env/msg' WHERE Tag = "Fetch_Data"

• 行動：調(diào)用 lambda 函數(shù)。

AWS IoT EduKit發(fā)生了什么：

# UiFlow MicroPython 1.12 Firmware
# .. Dictionary["Tag"]="Fetch_Data" this is must otherwise, SQL query won't match
...
aws = AWS(things_name='AWS_CORE2', host='a25wmxf9jzsaoa-ats.iot.us-west-2.amazonaws.com', port=8883, keepalive=60, cert_file_path="/flash/res/certificate.pem.crt", private_key_path="/flash/res/private.pem.key")
aws.start()
aws.publish(str('env/msg'),str((json.dumps((Dictionary)))))
...

**請參閱此處了解如何設(shè)置 DynamoDB 表和存儲設(shè)備數(shù)據(jù)

**請參閱此處了解如何使用 python 創(chuàng)建 Lambda 函數(shù)

**請參閱此處了解如何在 AWS 上發(fā)布和訂閱 MQTT

這樣，我們可以從 dynamoDB 獲取數(shù)據(jù)并將其作為 MQTT 消息發(fā)送到AWS IoT EduKit。

搜索現(xiàn)有數(shù)據(jù)并在設(shè)備部分獲取結(jié)果已完成。現(xiàn)在，我們可以進入下一部分，即將數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫，我們剛剛通過鍵盤提供。

1.1.2 當(dāng)我們完成姓名、密碼和留言的數(shù)據(jù)輸入時

在我們完成名稱、消息和密碼的輸入后，將使用該名稱、消息和密碼創(chuàng)建一個字典[一個保存鍵和值對的 python 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)]。

# Uiflow MicroPython 1.12 Firmware
...
DictionaryOfSendingInfo={"Name_Data":listOfInputs[0],"Password":listOfInputs[1],"Message":listOfInputs[2],"Tag":"Send_Data"}

...

稍后，字典被發(fā)送到 AWS DynamoDB 并作為記錄存儲在表下Save_User_Data.但是，要在 DynamoDB 上存儲數(shù)據(jù)這樣的操作，必須觸發(fā)一些事件。因此，我們需要在AWS IoT Core 中為此制定規(guī)則。

這些是我的物聯(lián)網(wǎng)規(guī)則。目前，我們只關(guān)注“Save_Data”規(guī)則。

什么是“Save_Data”規(guī)則：

• 關(guān)于規(guī)則：此規(guī)則的功能是在 DynamoDB 上插入設(shè)備數(shù)據(jù)（MQTT 消息），從AWS IoT EduKit 發(fā)送。
• 事件觸發(fā)：

SELECT Name_Data, Password, Message, Tag FROM 'env/msg' WHERE Tag = "Send_Data"

• 行動：在 DynamoDB 表中插入一條消息。

**請參閱此處了解如何設(shè)置 DynamoDB 表和存儲設(shè)備數(shù)據(jù)

AWS IoT EduKit發(fā)生了什么：

# UiFlow MicroPython 1.12 Firmware
# .. Dictionary["Tag"]="Send_Data" this is must otherwise, SQL query won't match
...
aws = AWS(things_name='AWS_CORE2', host='a25wmxf9jzsaoa-ats.iot.us-west-2.amazonaws.com', port=8883, keepalive=60, cert_file_path="/flash/res/certificate.pem.crt", private_key_path="/flash/res/private.pem.key")
aws.start()
aws.publish(str('env/msg'),str((json.dumps((Dictionary)))))
...

這樣，字典數(shù)據(jù)（名稱、密碼和消息）將作為 MQTT 消息（JSON 有效負載）傳輸并存儲在 DynamoDB 上。如果沒有找到現(xiàn)有數(shù)據(jù)，這就是用戶注冊部分的全部內(nèi)容。

**請參閱此處了解如何在 AWS 上發(fā)布和訂閱 MQTT

1.2 找到用戶數(shù)據(jù)時的儀表板操作

儀表板背后發(fā)生了什么

• Profile view and edit button:

與之前一樣，使用“SendMQTTtoCORE2AWS” Lambda 函數(shù)從 AWS DynamoDB 獲取數(shù)據(jù)。如果按下配置文件視圖按鈕，則可以在“配置文件視圖頁面”上看到輸出。如有必要，我們可以從這里編輯注冊的數(shù)據(jù)。要編輯數(shù)據(jù)，我們需要另一個事件，這與我們之前在 DynamoDB 中所做的插入操作不同。現(xiàn)在，我們將不得不創(chuàng)建另一個規(guī)則，可以編輯之前保存的數(shù)據(jù)。

為了達到我們的目的，我們將使用這個 lambda 函數(shù)“EditFunctionDynamoDB”。

# EditFunctionDynamoDB Lambda Function
# Python 3.8 
...
client = boto3.resource("dynamodb")
table = client.Table("Save_User_Data")
response = table.update_item(
Key={
'Record_Time': data[0]["Record_Time"],
},
UpdateExpression="set User_Data.Name_Data=:n, User_Data.Message=:m, User_Data.Password=:p,  User_Data.Tag=:t",
ExpressionAttributeValues={
':n': event["Name_Data"]
':m': event["Message"],
':p': event["Password"],
':t': event["Tag"]
},
ReturnValues="UPDATED_NEW"
)
...

但要調(diào)用該函數(shù)，必須有一條關(guān)于“AWS IoT Core”的規(guī)則。在這里，我們將使用“Edit_Data”規(guī)則。

什么是“Edit_Data”規(guī)則：

• 關(guān)于規(guī)則：此規(guī)則的功能將更新AWS DynamoDB 上的現(xiàn)有數(shù)據(jù)。
• 事件觸發(fā)：

SELECT Name_Data, Password, Message, Tag FROM 'env/msg' WHERE Tag = "Edit_Data"

• 行動：調(diào)用 lambda 函數(shù)“EditFunctionDynamoDB”。

有了這個，我們可以更新之前保存在 AWS DynamoDB 上的記錄。現(xiàn)在，我們進入下一節(jié)。

• SOS button:

在緊急情況下，我們可以使用此按鈕將之前存儲的 SOS 消息直接發(fā)送到附近的設(shè)備。將使用BLE UART 進行通信。

# UiFlow Micropython 1.12 Firmware

...
uart_ble = ble_uart.init(user_info["Name_Data"])
uart_ble.write(message)
...

等待??！

我們已經(jīng)到了可以向AWS IoT EduKit設(shè)備或管理應(yīng)用程序發(fā)送 SOS 消息的地步。所以，我們分成兩個部分。

• 發(fā)送到另一個AWS IoT EduKit設(shè)備（第 2.1 節(jié)）
• 發(fā)送給管理員android 應(yīng)用程序（第 2.2 節(jié)）

雖然，在這兩種情況下，通過 BLE UART 發(fā)送消息是相同的，但接收設(shè)備不同。這就是為什么區(qū)分它們，將使我們更好地理解。

2.1 兩臺 AWS IoT EduKit 設(shè)備之間的點對點通信

來自發(fā)件人：

# Sample Code Snippet
# UiFlow Micropython 1.12 Firmware
# From Sender

from ble import ble_uart
...
uart_ble = ble_uart.init("Device 1")
uart_ble.write(message)
...

致收件人：

# Sample Code Snippet
# UiFlow Micropython 1.12 Firmware
# Receive data on recipient

from ble import ble_uart

label0 = M5Label('Received Data', x=133, y=99, color=0x000, font=FONT_MONT_14, parent=None)
...
def on_recv():
  # global params
  global label0
  # Show the received text and make an alarm
  speaker.playWAV("res/Alarm.wav")
  label0.set_text(str(uart_ble.read()))

...

2.2 向管理應(yīng)用程序發(fā)送 SOS 消息

來自發(fā)件人：

# UiFlow Micropython 1.12 Firmware
# From Sender

from ble import ble_uart
...
uart_ble = ble_uart.init(user_info["Name_Data"])
uart_ble.write(message)
...

致收件人：

// Java 8 Android API - 23
// On recipient
...
if(Read.equals(characteristic.getUuid().toString()))
{
    value = characteristic.getStringValue(0);
    Log.w(TAG, "Value--> "+ value); 
// receives data when GATT characteristics match with device service UUID

...

關(guān)于管理員申請的一些注意事項

• 在儀表板部分，我們可以添加設(shè)備以立即連接和監(jiān)聽數(shù)據(jù)變化。

• 搜索后單擊可用設(shè)備列表中的特定設(shè)備，將彈出一個對話框。在那里可以看到兩個選項。選擇連接：立即連接設(shè)備。添加到收藏夾：這會將設(shè)備添加到收藏夾列表。所有這些數(shù)據(jù)都將存儲在Firebase 實時數(shù)據(jù)庫中。

• 應(yīng)用程序如何與 FireBase 交互：

• 現(xiàn)在，我的AWS IoT EduKit設(shè)備的 GATT 特性 - “READ”已硬編碼在 android 項目中（我們需要為另一臺設(shè)備更改它）。因此，現(xiàn)在只能使用該特定設(shè)備讀取/接收消息。當(dāng)我們想通過 BLE 與某個設(shè)備連接時，我們必須知道該設(shè)備提供了哪些 GATT（通用屬性配置文件）服務(wù)，以及確認了哪些特征。由于現(xiàn)在這是硬編碼的，它將適用于一對一的連接，但對于多個設(shè)備，這種方法必須是動態(tài)的。

視頻演示

在這里，重要的討論主題將是：

• “安全工作區(qū)”應(yīng)用程序如何在AWS IoT EduKit 上運行。
• 管理應(yīng)用程序如何在 Android 設(shè)備上運行。
• BLE over UART 協(xié)議如何建立通信并將消息從AWS IoT EduKit發(fā)送到 android 設(shè)備。

為什么我們?nèi)绱藢Ｗ⒂?BLE 連接

BLE，或者簡單來說，低功耗藍牙連接提供了兩個設(shè)備之間的短距離通信協(xié)議。連接后，兩個設(shè)備都可以共享數(shù)據(jù)。它們中的任何一個都可以充當(dāng)發(fā)送者（服務(wù)器），而另一個可以充當(dāng)接收者（客戶端）。而且它不需要任何集中式服務(wù)器來相互連接。

直到兩個設(shè)備都有足夠的電池來打開它們的 BLE 模塊，它們才能進行通信。當(dāng)任何自然災(zāi)害發(fā)生時，首先斷開的是互聯(lián)網(wǎng)連接。出于這個原因，我們無法與他人交流并告知他們我們正在經(jīng)歷的絕境。但是有了BLE，就可以尋求幫助。

這就是為什么 BLE 是 Secure Workspace 的支柱。

未來的工作

目前，Secure Workspace已通過一對一設(shè)備（與另一臺 AWS IoT EduKit設(shè)備或管理應(yīng)用程序）進行測試和運行，以傳輸 SOS 消息。但是，網(wǎng)絡(luò)范式中會有很多這樣的AWS IoT EduKit設(shè)備。所以，應(yīng)該有一些操作來知道哪一個要發(fā)送數(shù)據(jù)。

因此，構(gòu)建輪詢操作將是成功實施 Secure Workspace 的下一個任務(wù)。

結(jié)論

對于建筑基礎(chǔ)設(shè)施脆弱的第三世界國家來說，像安全工作空間這樣的項目非常需要，以應(yīng)對不斷增加的自然災(zāi)害/災(zāi)難，因為它可以對尋找幸存者產(chǎn)生良好的影響，并且當(dāng)這些災(zāi)難發(fā)生在工作場所或家。

試圖使項目文檔盡可能詳細，并在每個部分之后附加有用的鏈接。希望能幫助到你 ：）

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