工業訓練：使用 Raspberry Pi 與 AWS IoT Core 打造物聯網 (IoT) 應用培訓

模組 0：基礎知識與 AWS IoT 生態系統

• IoT 介紹
  • 2024 年定義 IoT：超越「物體」（邊緣智慧、邊緣 AI/ML、賽博物理系統）。
  • IoT 成長的驅動因素（產業、使用案例）。
  • 關鍵 IoT 趨勢（邊緣計算、永續性、AI/ML 整合、增強的安全性）。
  • AWS IoT 在更廣泛的 AWS 生態系統中的角色（AWS 合作夥伴網絡 - APN 資源）。
• AWS IoT 服務景觀概覽
  • AWS IoT Core (MQTT/Bridge、Jobs、Device Defender)。
  • AWS IoT Device Management (設備接駁、配置管理、OTA 更新)。
  • AWS IoT Analytics (數據處理、豐富化、建模)。
  • AWS IoT Greengrass (邊緣計算、本地執行、安全連線)。
  • AWS IoT Button (簡單設備的概念概覽)。
  • 連線： AWS IoT Core -> Lambda/DynamoDB/OpenSearch/Step Functions/SageMaker。

模組 1：IoT 架構、組件與安全性

• IoT 架構
  • 設備層 (感測器、執行器、如 Raspberry Pi 和 ESP32 等邊緣設備)。
  • 連線層 (MQTT、CoAP、HTTP、LPWAN - LoRaWAN、NB-IoT、Sigfox、Cellular IoT)。
  • 雲端整合層 (AWS IoT Core、API Gateway、Lambda、Step Functions)。
  • 數據處理與分析層 (DynamoDB、Timestream、OpenSearch、S3、Athena、SageMaker)。
  • 應用層 (使用 AWS Amplify 的行動/網頁應用程式、自訂商業應用程式)。
  • 重要性：解釋分散式架構背後的「原因」（延遲、頻寬、計算能力、安全性）。
• 核心 IoT 組件深度解析
  • 硬體：選擇標準 (MCU、連線、感測器)、安全性元件 (可信執行環境 - TEEs)。
  • 邊緣計算 (AWS Greengrass)：優勢 (低延遲、減少雲端流量、本地決策)。
  • 設備管理：接駁 (空中下載 - OTA、預配置)、配置、監控、遠端除錯。
  • 安全性深度解析：設備身份、認證與授權 (X.509 憑證、JSON Web Tokens - JWTs)、數據加密 (靜態與傳輸中)、AWS IoT Device Defender。
  • 安全性標準化：介紹標準 (例如 IEEE P2145、Open Connectivity Foundation - OCF) 和合規性 (ISO/IEC 27001、SOC 2)。
• AWS 專用的 IoT PaaS 功能
  • AWS IoT Core (安全 MQTT/Bridge、用於韌體更新的 Jobs、Device Defender)。
  • AWS Lambda (用於數據預處理和觸發動作的無伺服器計算)。
  • AWS Step Functions (用於複雜設備互動的有狀態工作流)。
  • Amazon DynamoDB (用於快速 IoT 數據攝取的 NoSQL 資料庫)。
  • Amazon OpenSearch Service (搜尋與分析、時間序列數據處理)。
  • Amazon Timestream (專用的時間序列資料庫)。
  • Amazon S3 (原始數據湖儲存)。
  • AWS IoT Device Defender (監控和安全性評估)。
  • AWS IoT Wireless (連線遠端 LPWAN 設備)。

模組 2：IoT 設備通訊協定

• MQTT (MQTT v5 & WebSockets)
  • MQTT 5.0 功能 (Retain、Clean Session 旗標、User Properties、萬用字元主題)。
  • 透過 WebSockets 的 MQTT (標準化)。
  • 品質服務 (QoS) 層級說明。
  • 協定最佳實踐。
• 替代協定
  • 用於受限設備的 CoAP (Constrained Application Protocol)。
  • AMQP / 透過 AMQP 的 MQTT (標準數據交換格式)。
  • HTTP (用於較簡單、較不頻繁的更新)。
  • WebSockets (全雙工通訊)。

模組 3：使用 AWS 建構穩健的 IoT 應用程式

• 設備接駁與安全連線
  • AWS IoT Device Defender 預配置。
  • 安全的空中下載 (OTA) 接駁 (例如，使用 AWS IoT Button 概念)。
  • 管理設備憑證 (ACM/PKI)。
  • 實現帶有 TLS 的 MQTT。
• 數據攝取、儲存與處理
  • 有效率地將數據從設備傳輸至 AWS IoT Core。
  • 選擇正確的目標：Lambda (事件驅動)、Step Functions (編排)、Timestream (時間序列)、OpenSearch (搜尋與分析)、S3 (原始數據)。
  • 使用 AWS IoT Analytics 在儲存前進行數據豐富化和清理。
  • 處理高吞吐量場景 (Kinesis/Firehose)。
• 設備管理與運作
  • 使用 AWS IoT Device Management 進行車隊管理。
  • 實現和管理 OTA 更新 (使用 AWS IoT Jobs)。
  • 遠端監控和配置。
• 建構 IoT 後端
  • 使用 API Gateway 創建 REST/GraphQL API 以與設備和數據互動。
  • 使用 AWS Lambda 處理業務邏輯。
  • 使用 AWS Step Functions 協調分散式元件。
  • 使用 Amazon SQS/SNS 進行非同步訊息傳遞和事件觸發。

模組 4：邊緣計算與進階整合

• AWS IoT Greengrass
  • 概念 (Core、Device、Connector)。
  • 在設備上本地執行 Lambda 函式。
  • 直接在設備上執行程式碼 (C++、Python)。
  • Greengrass Core 與 AWS/IoT 設備之間的安全通訊。
  • 使用案例：本地數據過濾、預處理或邊緣 AI 推論。
• 與 AI/ML 整合
  • 使用 SageMaker 在雲端處理複雜的 ML 模型。
  • 使用 Greengrass ML Accelerator (GMA) 在邊緣執行 ML 推論。
• 數據可視化與使用者介面
  • 使用 AWS IoT SiteWise 進行工業數據可視化。
  • 使用 AWS Amplify (API、UI、認證) 建構網頁應用程式。
  • 使用 Amazon QuickSight 或 OpenSearch Dashboards 建立儀表板。

模組 5：安全性、治理與最佳實踐

• IoT 安全性生命週期
  • 安全設計原則 (縱深防禦)。
  • 安全開發實踐 (OWASP IoT Top 10)。
  • 脆弱性管理。
  • IoT 威脅建模。
• AWS IoT 安全性服務
  • AWS IoT Device Defender (服務與設備 Defender)。
  • AWS Shield、AWS Identity and Access Management (IAM)。
  • 使用 AWS Config 進行合規性檢查。
  • 硬體安全模組 (HSMs) 整合。
• 數據隱私與治理
  • 處理敏感數據 (PII)。
  • 數據保留和刪除政策。
  • 合規性考慮。

模組 6：實作專案與總結專案

• 指導式實作實驗室
  • 設備接駁與 MQTT 通訊。
  • 實現向 AWS 的安全數據攝取。
  • 建構簡單的 IoT 儀表板。
  • OTA 更新模擬。
  • AWS IoT Greengrass 入門。
• 總結專案 (Capstone Project)
  • 建構一個完整的 IoT 解決方案以解決現實世界問題 (例如，智慧家庭自動化、環境監測、工業感測器集線器)。
  • 需求：安全設備、數據攝取、處理、可視化，以及選配的邊緣元件。
  • 使用本課程中涵蓋的 AWS 服務。