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IoTLTAdvent Calendar 2018

Day 12
@chinoppy

IoTで出社／退社をワンタッチ化

Last updated at Posted at 2018-12-11

こんにちは！IoTLT Advent Calendar 2018 12日目担当のchinoppyです！

真ん中の日に、日本の真ん中の長野から再び？！お送りします。

会社の出社／退社状態を管理しているWebページ（以下、ホワイトボードと記載）をIoTを使ってワンタッチで状態（出勤／退勤）を変更できるようにしてみました。
これで、1秒でも早く仕事を始めて、1秒でも早く帰宅できるようになりましたｗ

【ホワイトボード】
image.png

きっかけ

  • もともとは、物理ホワイトボードだったものを、社員の有志（ @moonwalkerpoday ）が電子化
  • これによりslackから状態を変更可能にしたりと簡素化する動きがでてきた
  • そんななか、社内のガジェットをあさっていたら・・・

社内にあったガジェット等

ソニー SONY 非接触ICカードリーダー/ライター PaSoRi

image.png

Raspberry Pi 3 Model B + Raspberry Pi Sense HAT 付き

image.png

ちなみに、Sense HatはAstro Piプロジェクトというのために開発されたものなのですね。
なんと、宇宙空間で使うことを想定したものだそうです！夢を感じる。

TP-Link WiFiスマートプラグ

image.png

・・・・・・あっ、会社の入り口はNFCカードで、ひとりひとりにカードが支給されている！
ということで、作成開始

ちなみに

  • エラー処理などは適当なところがあるのでご了承を。。。
  • ぶっちゃけRaspberry Piから直接、ホワイトボードのWeb APIたたけるのですが・・・そこは考えないでくださいｗ
  • （AWS IoT使ったりしてそのあたりの勉強とか、知見も得たかったので。。。）

構成

スクリーンショット 2018-12-10 10.28.25.png
  • タッチするとAWS IoT経由でLambdaを実行しホワイトボード更新、slackへ状態を通知
  • CloudWatchのルールのスケジュール式を使用して、Lambdaを実行して、Shadow経由でRaspberry Piの状態（起動／シャットダウンなど）を制御、結果をslackへ通知
  • ShadowのUpdate結果をslackへ通知
  • TP-Link WiFiスマートプラグ経由でRaspberry Piに電源供給し、スマートプラグのスケジュール機能を使用して電源ON/OFFを行う

実装

タッチ部分

  • Python2系を使用
  • ライブラリはnfcpyを使用
  • 主な処理
    • タッチしたときのIDmを取得、DBへ保存
    • 取得したIDmをSense HATのLEDに表示

nfcpyの情報はたくさんあり、すごく参考になりました！ありがとうございます。
SenseHATもPythonライブラリが提供されていて、超簡単にLEDにメッセージが表示できる！
でも、Python2系のみの対応みたいですね。。。
ソースはこんな感じ。

main2.py
# -*- coding: utf-8 -*-

import nfc
from sense_hat import SenseHat

from models import SqliteDbManager, TouchHistoryModel


class MyCardReader(object):

    idm = None

    def on_connect(self, tag):
        print("touched")
        print(tag)
        self.idm = tag.identifier.encode("hex").upper()
        print(self.idm)
        return True

    def read_id(self):
        clf = nfc.ContactlessFrontend('usb')
        try:
            clf.connect(rdwr={'on-connect': self.on_connect})
        finally:
            clf.close()


def main():

    sense = SenseHat()
    cr = MyCardReader()

    while True:
        print("touch card:")

        cr.read_id()
        print("released")
        print(cr.idm)

        db_manager = SqliteDbManager()
        with db_manager.transaction() as session_pq:

            entry = TouchHistoryModel(idm=cr.idm)
            session_pq.add(entry)

        sense.clear()
        sense.show_message(cr.idm, text_colour=[0, 0, 100])

        cr.idm = None


if __name__ == '__main__':

    main()

そして、IDmをテーブルに保存するようにしました

なぜ保存するようにしたか

  • 基本的にはPython3で実装したい
  • でもnfcpyは2系のみ
  • それなら、タッチ部分は「2系」、それ以外は「3系」で実装しよう
  • DBでやりとりしよう！

ということにしましたｗ
DBはSqlite、ORMはSQLAlchemyを使用

送信部分（タッチ部分以外）

  • Python3系を使用
  • AWS IoTへの送信は「AWS IoT Device SDK for Python」を使用
  • 主な処理
    • ShadowのGet、Update処理
    • タッチ情報をDBから取得、AWS IoTへPublish
    • Subscribeして勤怠の変更後の状態を取得、表示
    • Shadowの値により、Raspberry Piの制御を行う
main3.py
def main(loop):

    sense = SenseHat()

    touch_attendance_shadow = TouchAttendanceShadowData('{}')
    raspberry_pi_shadow = RaspberryPiShadowData('{}')

    count_sec = 0
    while True:

        # AWS IoT Shadow Get, Update
        if is_get_shadow(count_sec):
            # Shadowとの通信開始
            comm_aws_iot_shadow = CommAwsIoTShadow(thing_name)
            result = comm_aws_iot_shadow.connect()
            comm_aws_iot_shadow.create_shadow_handler_with_name(thing_name)

            # Shadowを取得
            shadow_payload = shadow_get(comm_aws_iot_shadow, loop)

            touch_attendance_shadow = TouchAttendanceShadowData(shadow_payload)
            raspberry_pi_shadow = RaspberryPiShadowData(shadow_payload)

            # Shadowを更新（deltaがある場合のみ）
            shadow_buf = BaseShadowData(shadow_payload)
            update_payload = shadow_buf.get_update_payload()
            shadow_update(comm_aws_iot_shadow, update_payload, loop)

            comm_aws_iot_shadow.disconnect()

        db_manager = SqliteDbManager()
        with db_manager.transaction() as session_pq:

            if touch_attendance_shadow.status:
                # AWS IoTへ送信
                touch_history_model = TouchHistoryModel()
                touch_history_entries = touch_history_model.select_all(session_pq)
                ok_ids = sub_pub_touch_histories(touch_history_entries, sense)
                touch_history_model.delete_by_id_list(session_pq, ok_ids)

        if raspberry_pi_shadow.is_reboot(count_sec):
            reboot(sense)

        if raspberry_pi_shadow.is_shutdown():
            shutdown(sense)

        time.sleep(1)
        count_sec += 1

ShadowのGet、Update処理

定期的に、ShadowのGetを行い、情報の取得とdeltaが存在する場合は、Updateを行う（5分間隔）

タッチ情報をDBから取得、AWS IoTへPublish、Subscribe

  • 定期的にDBをselectして、タッチした情報が存在する場合、AWS IoTへPublish
  • Publishが成功した場合は、DBのレコードを削除

Subscribeして勤怠の変更後の状態を取得、表示

  • 更新後の状態をLambdaでpublishしているので、Raspberry Pi側でSubscribe
  • 変更後の状態をSense HATのLEDに表示
  • ちなみに失敗するときがあるので今後の課題・・・

Shadowの値により、Raspberry Piの制御を行う

設定値などは、Shadowにもたせて、Raspberry Pi側はその値をみて状態を制御するようにしました
Shadowの内容はこんな感じ

{
  "desired": {
    "raspberry_pi": {
      "status": false,
      "reboot_interval_hour": 6
    }
  },
  "reported": {
    "raspberry_pi": {
      "status": false,
      "reboot_interval_hour": 6
    }
  }
}
  • 起動後の累計時間が、再起動間隔（reboot_interval_hour）（単位：時）を超えた場合は再起動
    • 再起動処理をします表示をSense HATに表示
    • sudo shutdown -r now
  • statusが「false」になった場合は、Raspberry Piをシャットダウン
    • シャットダウンします表示をSense HATに表示
    • sudo shutdown -h now

AWS

  • serverless frameworkを使用して構築
  • 主な機能
    • Raspberry PiからPublishされたデータはAWS IoTのルールを使用してLambdaを実行し、ホワイトボードの変更などを行う
    • CloudWatchのルールのスケジュール式を使用して定期的にLambdaを実行しShadowをUpdate
    • ShadowのUpdate後にAWS IoTのルールを使用してLambdaを実行し結果をslackに通知

Raspberry PiからPublishされたデータはAWS IoTのルールを使用してLambdaを実行し、ホワイトボードの変更などを行う

こんなかたちで、ルールを登録

serverless.yml
functions:
  update_attendance:
    handler: handler.update_attendance
    role: LambdaAttendanceRole
    events:
      - iot:
          name: "UpdateAttendance"
          sql: "SELECT *, topic(2) AS name FROM 'touch/+/histories'"
          description: "update white borad"
  • Lambda内の処理（Python3）
    • IDmとユーザ情報を管理するテーブルからユーザ情報を取得
      • ない場合は、そのIDmの登録を行う
      • slackにその旨通知されるので、AWSコンソールから手動でユーザ情報を登録するｗ
    • ※以降はIDmに紐づくユーザ情報がある場合
    • 取得したユーザ情報をもとに、ホワイトボードから現在の状態を取得
      • Pythonのrequestsライブラリを使用
    • 取得した状態を反転しホワイトボードを更新
    • 更新した状態をslackへ通知
      • Pythonのslackwebライブラリを使用
    • 更新後の状態をPublish

slack通知例：

handler.py
import ssl
from urllib.error import URLError, HTTPError
import slackweb
・
・
・
    def notify([webhookのURL], message):

        ssl._create_default_https_context = ssl._create_unverified_context
        slack = slackweb.Slack(url=[webhookのURL])

        try:
            slack.notify(text=message, username="attendance-bot", icon_emoji=":chinoppy:")
        except HTTPError as e:
            [エラー処理]
        except URLError as e:
            [エラー処理]

Publish 例：

handler.py
# AWS IoTエンドポイント
endpoint = '[エンドポイント]'
# IoTDataPlaneクライアント
iot_data = boto3.client('iot-data', endpoint_url=endpoint)
・
・
・
    response = iot_data.publish(
        topic='touch/' + thing_name + '/histories/res',
        qos=1,
        payload=json.dumps({
            "更新後の状態": 更新後の状態（出勤／退社）,
        })
    )

CloudWatchのルールのスケジュール式を使用して定期的にLambdaを実行しShadowをUpdate

今のところは、Raspberry Piを

  • 6時（JST）に起動指示
  • 22時（JSL）にシャットダウン指示
serverless.yml
functions:
  start_attendance:
    handler: handler.start_attendance
    description: start attendance
    role: LambdaAttendanceRole
    events:
      - schedule: cron(0 21 ? * * *)
  stop_attendance:
    handler: handler.stop_attendance
    description: stop attendance
    role: LambdaAttendanceRole
    events:
      - schedule: cron(0 13 ? * * *)

ShadowのUpdate例：

handler.py
def _shadow_update(thing_name, update_payload):

    # Thing Shadowの有無を取得
    is_shadow = _is_shadow(thing_name)
    # shadowが存在する場合、updateする
    if not is_shadow:
        return

    iot_data.update_thing_shadow(
        thingName=thing_name,
        payload=update_payload
    )

def _is_shadow(thing_name):
    try:
        response = iot_data.get_thing_shadow(
            thingName=thing_name
        )
        payload = response['payload']
    except Exception as e:
        print(e.args)
        return False

    return True

ShadowのUpdate後にAWS IoTのルールを使用してLambdaを実行し結果をslackに通知

ShadowがUpdateされたかを、予約されたMQTTトピックを使用して確認

serverless.yml
functions:
  notification_shadow_update_accepted:
    handler: handler.notification_shadow_update_accepted
    role: LambdaAttendanceRole
    events:
      - iot:
          name: "NotificationShadowUpdateAccepted"
          sql: "SELECT *, topic(3)  AS name FROM '$aws/things/+/shadow/update/accepted'"
          description: "shadow update accepted"
  notification_shadow_update_rejected:
    handler: handler.notification_shadow_update_rejected
    role: LambdaAttendanceRole
    events:
      - iot:
          name: "NotificationShadowUpdateRejected"
          sql: "SELECT *, topic(3) AS name FROM '$aws/things/+/shadow/update/rejected'"
          description: "shadow update rejected"
  notification_shadow_get_rejected:
    handler: handler.notification_shadow_get_rejected
    role: LambdaAttendanceRole
    events:
      - iot:
          name: "NotificationShadowGetRejected"
          sql: "SELECT *, topic(3) AS name FROM '$aws/things/+/shadow/get/rejected'"
          description: "shadow get rejected"

TP-Link WiFiスマートプラグ

  • Wifiに接続しておけばどこからでも、アプリで電源のON/OFFができる
  • スケジュール機能がある

Raspberry Pi側は

  • 6時に起動指示
  • 22時にシャットダウン指示

なので、TP-Link WiFiスマートプラグ側を

  • 7時に電源ON
  • 22時10分に電源OFF（Shadowの状態を5分間隔でチェックしているので余裕をもたせて）
  • 電源のON/OFFは平日のみ

にするように設定

IMG_2668.png

これで、すべての実装、設定が完了！と思ったのですが、Systemdで自動起動するようにしておきます

start2.sh
#!/bin/bash

source /home/pi/touch_attendance/env2/bin/activate
cd /home/pi/touch_attendance
sudo python /home/pi/touch_attendance/main2.py
touch_attendance2.service（タッチ部分）
[Unit]
Description=touch attendance Python2

[Service]
Type=simple
WorkingDirectory=/home/pi/touch_attendance/
ExecStart=/home/pi/touch_attendance/start2.sh
Restart=always

[Install]
WantedBy = multi-user.target
start3.sh
#!/bin/bash

source /home/pi/touch_attendance/env3/bin/activate
cd /home/pi/touch_attendance
python /home/pi/touch_attendance/main3.py
touch_attendance3.service（タッチ部分以外）
[Unit]
Description=touch attendance Python3

[Service]
Type=simple
WorkingDirectory=/home/pi/touch_attendance/
ExecStart=/home/pi/touch_attendance/start3.sh
Restart=always

[Install]
WantedBy = multi-user.target

# シンボリックリンクをはる
$ sudo ln -s /home/pi/touch_attendance/touch_attendance2.service /etc/systemd/system/touch_attendance2.service
$ sudo ln -s /home/pi/touch_attendance/touch_attendance3.service /etc/systemd/system/touch_attendance3.service
# 自動起動設定
$ sudo systemctl enable touch_attendance2
$ sudo systemctl enable touch_attendance3

準備完了！

さぁ試してみよう！

タッチ！

PaSoRiにカードをタッチするとLEDにIDmと、変更後の状態が表示される

【出社だよー！】

ezgif.com-video-to-gif (1).gif

  • slackに通知される
スクリーンショット_2018-12-10_1_10_09.png

【退社だよー！】

ezgif.com-video-to-gif (2).gif

  • slackに通知される
スクリーンショット_2018-12-10_1_10_23.png

Shadowの状態がUpdateされたときにslackへ通知

Lambdaからの起動指示／シャットダウン指示がslackへ通知される

時間も想定どおり！
スクリーンショット_2018-12-10_1_17_19.png

Raspberry PiがUpdateしたときにslackへ通知

「・・・起動します」〜「・・・シャットダウンします」までは、ホワイトボードの変更が可能
これでRaspberry Piの状態（起動中or停止中）がわかる！

スクリーンショット_2018-12-10_1_19_20.png スクリーンショット_2018-12-10_1_10_09.png ・・・ スクリーンショット_2018-12-10_1_10_23.png スクリーンショット_2018-12-10_1_19_37.png

想定外だったこと

IDmがタッチするたびにかわった？！

後輩ちゃん：「chinoppyさん、スマフォでもできるんですよね？」
chinoppy：「オフコース！」

後輩ちゃんがPaSoRiにタッチしたので、
DynamoDBのIDmとユーザ情報を保持しているテーブルにユーザ情報を登録

chinoppy：「これでできるよー」
後輩ちゃん：「最高ですね！」

もう一度、後輩ちゃんがタッチ

chinoppy：・・・「あれ？ホワイトボードかわらないなぁ・・・」

DynamoDBのIDmとユーザ情報を保持しているテーブルをみると
また別のIDmが登録されている・・・

もう一度、後輩ちゃんにタッチしてもらうと、また別のIDmが登録された・・・
今後の課題となりました・・・orz

最後に

今後は、勤怠もWeb化してあるので、タッチで時間がはいるようにしたい！
それでは、シャットダウンしますー

ezgif.com-video-to-gif.gif

明日は、_rio_さんです！

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