モノのインターネット向けインテルゲートウェイ：Pythonを使用したMQTTブローカーへのメッセージの送信

今日は、Pythonスクリプトを使用してMQTTブローカー（サーバー）にメッセージを送信するために、モノのインターネットのゲートウェイを構成します。 メッセージは、ブローカーで関連トピックにサブスクライブしているコンピューターによって受信されます。 購読すると、このトピックで公開されたメッセージがコンピューターに送信されます。 この資料を学習するプロセスでは、次の手順に従います。

• コンピューター上のPythonにMQTTクライアントをインストールします。
• MQTTブローカーのセットアップ。
• Intel Core、Atom、またはQuarkプロセッサーに基づくゲートウェイにMQTTクライアントをインストールします。
• ゲートウェイからブローカーにMQTTメッセージを送信するスクリプトを作成して実行します。ブローカーは最終的にコンピューターに送信されます。

ゲートウェイ、MQTTブローカー、およびコンピューターの相互作用の図を次に示します。


ゲートウェイ、MQTTブローカー、コンピューターの相互作用

MQTT

MQTTは、ゲートウェイからローカルサーバーまたはクラウドサーバーにデータを転送するために使用できるメッセージングプロトコルです。 サーバーは、サブスクライブしたリモートクライアントにデータをリダイレクトします。

ウィキペディアからMQTTについて学ぶことができます。「MQTT（以前のMQ Telemetry Transport）は、TCP / IP上で実行される単純化されたネットワークプロトコルです。 パブリッシャー/サブスクライバーベースでデバイス間のメッセージングに使用されます。 このプロトコルは、コードができるだけスペースをとらないことが重要な場合や、低帯域幅のネットワークで作業する場合に、リモートデバイスとの通信を整理するために設計されています。 パブリッシャー-サブスクライバーインタラクションスキームには、送信側と受信側の仲介者であるブローカーが必要です。 ブローカーは、顧客が発行したメッセージトピックとサブスクリプションに基づいて、これらのメッセージに関心のある顧客にメッセージを配信する責任があります。

MQTTブローカーを作成するためのソフトウェアパッケージがいくつかあります。 それらは一連の機能が異なり、一部の機能では標準のMQTTプロトコルに加えて、追加の機能が実装されています。 これはいくつかのブローカーの比較です。

モスキート

Mosquittoは、MQTTプロトコルバージョン3.1を実装するオープンソースMQTTブローカー（BSDライセンス）です。 および3.1.1。 このガイドでは、Mosquittoを使用してMQTTブローカーをローカルネットワークに展開する方法について説明します。

PythonおよびMQTT

Pythonプログラミング言語を使用して、MQTTメッセージを作成できます。 たとえば、この言語で記述されたコードをアプリケーションに簡単に組み込むことができる場合、または開発者がPythonに精通している場合、選択はPythonで正確に行われます。 この言語は、記述されたプログラムをコンパイルする必要がないため、使いやすい場合があります。 これらは、実行時にゲートウェイで解釈されます。
Pythonインタープリターは、Wind River Linuxを実行するInternet of Things向けのIntel Gatewaysにプリインストールされたソフトウェアの標準セットの一部です。 そのため、作業環境を追加構成せずに、Pythonスクリプトをゲートウェイで実行できます。 したがって、Python 2.7.2はWind River Linux 5およびIntelligent Device Platform XT 2に含まれています。WindRiver Linux 7およびIntelligent Device Platform XT 3.1にはPython 2.7.3および3.3.3が含まれています。

パホ

Paho Pythonクライアントは、Python 2.7および3.1.1でMQTT v3.1およびv3.1.1をサポートするクライアントクラスを提供します。 さらに、MQTTメッセージの発行を大幅に簡素化するヘルパー関数が含まれています。

コンピューターのセットアップ

インターネット上のMQTTブローカーでテスト対象のメッセージをサブスクライブするために使用する予定のコンピューターをセットアップすることを検討してください。 コンピューターがトピックをサブスクライブすると、このトピックで公開されたメッセージが彼に配信されます。

コンピューターをセットアップするには、まずPahoと関連ソフトウェアをインストールし、次にブローカーに接続してシステムをテストする必要があります。

前提条件

• Ubuntu Linux 12.04以降がコンピューターにインストールされている必要があります。
• コンピューターはインターネットに接続されています。
• コンピューターには、MQTTブローカーとの接続が必要です。
• ブローカーは、ローカルネットワークまたはインターネットに配置できます。
• ファイアウォールを使用する場合、コンピューターで開いているポート1883、8883、8884、および8885を使用した双方向の情報交換をブロックしないでください。

パホのインストール

1. eclipse.orgから最新バージョンのPahoを含むtar.gzアーカイブをダウンロードします 。 私たちの場合、それはorg.eclipse.paho.mqtt.python-1.1.tar.gzでした。

2.このファイルを選択したディレクトリに配置します。

3.アーカイブを解凍します。 たとえば、次のコマンドでは：

 tar -xf org.eclipse.paho.mqtt.python-1.1.tar.gz 

4.アーカイブの内容は、名前が名前と一致するフォルダーにあります。 このフォルダーに移動し、必要に応じて名前を変更します。

 cd org.eclipse.paho.mqtt.python-1.1 

5.次のPythonコマンドを実行します。

 python setup.py install 

これで、Pahoがコンピューターにインストールされました。

パホ試験

Pahoを使用してPythonスクリプトをテストし、同時にアクティブなトピックにサブスクライブしてMQTTブローカーに接続します。 たとえば、インターネット上にあるブローカーに興味がある場合は、ブローカーtest.mosquitto.orgを使用してテストできます。 これにより、ネットワーク接続とソフトウェアの動作の両方を確認できます。

1. Pahoのサンプルがあるディレクトリに移動します。

 cd org.eclipse.paho.mqtt.python/examples 

2. mqttc.connectおよびmqttc.subscribe編集して、 sub.pyスクリプトを変更しmqttc.subscribe 。

 mqttc.connect("test.mosquitto.org", 1883, 60) mqttc.subscribe("#", 0) 

次のコマンドを検討してください。

 Mqttc.connect — test.mosquitto.org:  MQTT-,     . — 1883: ,    MQTT-. — 60: -   

 Mqttc.subscribe — #:  ,    ,       . — 0:     (Quality of Service, QoS). 

3.スクリプトを実行します。

 python sub.py 

ネットワーク接続とプログラムが正常に機能する場合、MQTTブローカーtest.mosquitto.orgからのメッセージが到着し始めます。 彼らのコンテンツは今私たちには興味がありません。 何も表示されない場合は、インターネット接続とsub.pyスクリプトの編集された行を確認してください。

4.スクリプトを停止するには、キーボード Ctrl-C使用します。

MQTTブローカーとサブスクリプションを構成する

前のセクションでは、Pahoをコンピューターにインストールし、その動作をテストしました。 次に、MQTTブローカーの機能を検討します。 私たちの目標は、パブリッシャーからメッセージを受信し、サブスクライバーに送信できるワーキングブローカーです。 ブローカーとのやり取りを整理するためのオプションがいくつかありますが、それらはすべて、以下で説明する内容を再現するのに適しています。

• ローカルネットワーク上またはインターネット（クラウド内）にある構成済みのブローカー。 このアプローチにより、既存のブローカーを使用できます。 このブローカーは、メッセージを送受信する準備ができているはずです。 同時に、まだ作成していない場合は、必要なトピックを作成できるはずです。
  
  
• Pahoを使用して作成されたローカルネットワーク上の新しいブローカー。 このブローカーはコンピューター上で動作します。 この場合、ゲートウェイからメッセージを受信するのが同じコンピューターであろうと、別のコンピューターであろうと、特別な役割は果たしません。 ブローカーを作成するには、Python用の適切なPahoライブラリを使用できます。
  
  
• Mosquittoを使用して作成されたローカルネットワーク上の新しいブローカー。 このようなブローカーはコンピューターでも動作しますが、作成するにはMosquittoを使用する必要があります。
  

ローカルネットワークに接続された既存のブローカーを使用する

何よりも、MQTTブローカーを既にお持ちの場合は、アプリケーションを使用する準備ができています。 選択したネットワークに配置され、アプリケーションのメッセージを送受信する準備ができている必要があります。設定できる必要があります。 既にブローカーを使用する準備ができている場合は、この資料のゲートウェイの構成に関するセクションにすぐに進むことができます。

ブローカーをまだセットアップしていない場合、簡単なMQTTブローカーを取得してアプリケーションをテストする方法がいくつかあります。 ここでそれらを検討します。 ここでは、サーバーまたはネットワークのセットアップの問題に対処していないことに注意してください。 さらに、既存のブローカーと連携するための以下のオプションまたは新しいブローカーを設定する方法から、必要なものは1つだけです。 したがって、それを選択してシステムをセットアップし、ゲートウェイの構成に関するセクションに進むこともできます。

Paho：インターネット経由で利用可能な既存のブローカーとの連携

インターネットでは、テストに適したいくつかのMQTTブローカーを見つけることができます。 ここでは、 http：//test.mosquitto.org/で入手可能なブローカーを使用します。 トピックやメッセージに注意を払わずに、システムの正しい動作をテストして、すでにそれについて話しました。 今、私たちはそれを両方のより有意義な仕事に使用しています。

このブローカーと対話する手順は、「Pahoのテスト」セクションで既におなじみです。 ただし、ここでは、 mqttc.subscribe("#", 0)コマンドmqttc.subscribe("#", 0)ですべてのトピックをサブスクライブする代わりに、 mqttc.subscribe("mytopic", 0)コマンドmqttc.subscribe("mytopic", 0)特定のトピックをサブスクライブします。 ここで、 mytopicはMQTTテーマの名前です。 ブローカーは、そのようなトピックがまだ存在しない場合、自動的に作成します。

ゲートウェイ（または他のコンピューター）がトピックmytopicを含むメッセージをブローカーに送信すると、ブローカーはこのメッセージをsub.pyスクリプトsub.pyされるターミナルウィンドウに転送します。

Pahoを使用してローカルネットワークにMQTTブローカーをインストールする

コンピューターをローカルネットワーク上にあるMQTTブローカーの役割を果たす場合は、この方法を使用します。 ここでは、以前にインストールされたPaho Pythonライブラリが必要です。 一般に、セットアップ手順はすでに検討した手順と似ています。 ただし、コンピューターとゲートウェイは同じローカルネットワーク上にある必要があり、ブローカーとの対話の開始（ sub.pyスクリプト内）は次のようになっていることに注意する必要があります。

 mqttc.connect("localhost", 1883, 60) mqttc.subscribe("mytopic", 0) 

つまり、インターネット上のサーバーではなく、ローカルホスト、コンピューターの「内部ループ」のネットワークインターフェイスに接続しています。 通常、localhostはIPアドレス127.0.0.1のエイリアスとして使用されます。

ローカルホストに連絡してmytopicテーマをサブスクライブすると、ローカルMQTTブローカーが自動的に起動され、そのようなテーマが作成されます。 ゲートウェイがトピックmytopicしてメッセージを発行し、IPアドレスでコンピューターに接続すると、このメッセージはLinuxターミナルに送信sub.py 、このトピックにサブスクライブしたsub.pyスクリプトがsub.pyます。

Mosquittoを使用してローカルネットワークにMQTTブローカーをインストールする

この方法でも、開発者のコ​​ンピューターをローカルネットワーク上のブローカーとして使用します。 しかし、今回はMosquittoを使用します。

Mosquittoの詳細については、 こちらをご覧ください 。 さらに、 <mosquitto_command> --helpような設計により、このパッケージのコマンドに関するヘルプを取得できます。 コンピューターでMQTTブローカープロセスを開始するには、次の手順を実行します。

1.新しいLinuxターミナルウィンドウを開きます。
ブローカーはこのウィンドウで実行されますが、同じコンピューターではMQTTメッセージを受信できますが、ブローカーのみが別のターミナルウィンドウに到達します。

2. Mosquittoをまだインストールしていない場合はインストールします。

 sudo apt-get install mosquitto 

3.テーマを作成し、 mosquitto_subを使用してサブスクライブします。

 mosquitto_sub -d -h localhost -t mytopic 

次のコマンドを検討してください。

 -d:    . -h localhost:  –   IP- 127.0.0.1. -t mytopic:  MQTT-.    ,    . 

4.コンピューターが、ゲートウェイが接続されているのと同じローカルネットワークに接続されているかどうかを確認します。
特定のトピックをサブスクライブすると、ローカルMQTTブローカーが自動的に起動します。 ゲートウェイは、コンピューターのIPアドレスでブローカーに連絡することにより、 mosquitto_subがmosquitto_subているLinux端末に送信されるこのトピックのメッセージを公開できます。

ゲートウェイのセットアップ

ゲートウェイをセットアップしましょう。 主な2つの手順が含まれます。

• Pythonで作成されたMQTTクライアントをゲートウェイにインストールします。
  
  
• ゲートウェイをテストMQTTブローカーに接続して、ネットワーク接続とスクリプトの正しい操作を確認します。

前提条件

• この例では、Wind River Intelligent Device Platform XT 3.1でWind River Linux 7を実行するゲートウェイを使用します。 ゲートウェイが別のOSを使用している場合、セットアップのプロセスはここで示されているものと異なる場合があります。
  
  
• ゲートウェイオペレーティングシステムは、設定でwithtemplate=feature/mqttを使用して構築する必要があります。 詳細はこちらをご覧ください 。
  
  
• ブローカーがローカルネットワーク上にある場合、ゲートウェイはMQTTブローカーと同じネットワークに接続する必要があります。
  
  
• インターネットでホストされているMQTTブローカーを使用し、ファイアウォールを使用する場合、ポート1883、8883、8884、および8885をブロックしないでください。
  

ゲートウェイにPahoをインストールします

ゲートウェイへのPahoのインストールは、コンピューターへのインストールと同じです。 最新バージョンのPahoでアーカイブをダウンロードし、解凍してpython setup.py installコマンドを実行する必要があります。

インターネット上にあるMQTTブローカーとの作業の検証

ゲートウェイとネットワーク接続にインストールされているソフトウェアの状態を確認する手順は、コンピューターを確認する手順を繰り返します。

MQTTメッセージの送受信

MQTTブローカーの準備が整い、コンピューターとゲートウェイがセットアップされたので、メッセージの発行に関与するPythonスクリプトを作成する準備がすべて整いました。

ここでは、Pahoのサンプルコードを使用して、特定のプロジェクトのニーズに応じて後で変更できる単純なスクリプトを作成します。 スクリプトは、ゲートウェイおよびコンピューターで直接作成できます。 スクリプトがコンピューター上で作成されている場合、ゲートウェイにコピーして実行する必要があります。

安全性

Pythonスクリプトを作成および実行するときは、次の考慮事項を考慮してください。

• 組み込みのPythonインタープリターを使用する場合、IMAセキュリティは干渉せず、インタープリターが新しいスクリプトを実行できます。
  
  
• Pythonビルトインインタープリターを使用せず、同時にIMAセキュリティが有効になっている場合は、実行する前に各スクリプトに署名する必要があります。
  
  
• McAffee Embedded Controlがゲートウェイで有効になっている場合、スクリプトをホワイトリストに追加する必要があります。

以下の例では、ゲートウェイのIMAもホワイトリストも有効になっていないと想定しています。

MQTTメッセージを公開するためのPythonスクリプトの作成と実行

1. Pahoのサンプルコードを含むexamplesフォルダーに移動します。

 cd org.eclipse.paho.mqtt.python-1.1/examples 

2. pub-single.pyスクリプトをコピーして名前を変更します。

 cp pub-single.py my-pub.py 

3. my-pub.pyファイルを編集し、最後の行を変更してメッセージが既存のMQTTブローカーに送信されるようにし、送信時にMQTTメッセージを受信するようコンピューターをセットアップしたときに設定されたテーマを使用しました（トピックに名前を付けました「Mytopic」）：

 publish.single("mytopic","Hello", hostname="<broker_location>") 

このコマンドのデバイスを検討してください。

 — "mytopic":  ,   . — "Hello":   — "<broker_location>":  MQTT-. 

コンピューターをブローカーとして使用する場合は、ローカルネットワーク上のIPアドレスを置き換える必要があります。 たとえば、192.168.1.5のようなものです。 ブローカーがインターネット上にある場合、そのIPアドレスまたはサーバーのドメイン名が必要です。 たとえば、 test.mosquitto.org 。

4.コンピューターでmy-pub.pyスクリプトを準備していた場合は、それをゲートウェイにコピーします。

5.ゲートウェイでmy-pub.pyを実行して、 mytopicテーマを使用して、指定されたMQTTブローカーにメッセージを送信します。

 python my-pub.py 

コンピューターでMQTTメッセージを受信する

ゲートウェイがトピックを含むメッセージを発行し、ブローカーがメッセージを受信すると、トピックにサブスクライブしているすべてのMQTTクライアントにメッセージを送信します。

スクリプトの設定を指定して公開するには、ゲートウェイでpython my-pub.pyコマンドを実行するだけで十分です。 実行されると、メッセージ「Hello」がブローカーに送信され、コンピューターがブローカーから取得します。 コンピューター上で、ターミナルウィンドウが開いており、MQTTブローカーからのメッセージを待機している場合、次の内容のメッセージが受信されます。

 mytopic 0 Hello 

その構造を考慮してください。

 mytopic:  . 0:   Hello:  

まとめとアイデア

Pythonプログラミング言語を使用して、件名「mytopic」を含む「Hello」MQTTメッセージをローカルネットワークにあるMQTTブローカーに送信し、このトピックにサブスクライブしているコンピューターでこのメッセージを受信しました。 次は？ この資料から例を開発するためのいくつかのアイデアがあります。 プロジェクトでMQTTメッセージ交換システムの使用を拡大できることを願っています。

• システムにセンサーがある場合、ゲートウェイは読み取り値を読み取り、MQTTメッセージとして公開できます。
  
  
• MQTTメッセージは、クラウドまたはローカルデータベースに保存するための特定の情報を送信するのに適しています。 このシナリオが作業中のシステムと一致する場合は、検討してください。
  
  
• おそらくより複雑なメッセージ構造とトピックを使用して、メッセージが運ぶペイロードを増やします。
  
  
• 1つのコマンドで複数のメッセージを送信できるPaho機能を試してください。
  
  
• クライアントの暗号化、認証、ホワイトリストの使用、またはその他の手段により、MQTTメッセージングシステムのセキュリティを向上させます。