IoT (Internet of Things) jest obecnie jedną z prężnie rozwijających się gałęzi przemysłu leżącą na pograniczu IT oraz elektroniki. Do najważniejszych zagadnień związanych z tą dziedziną należy M2M, czyli komunikacja urządzenie do urządzenia.
W sieci opartej o WiFi/Ethernet wykorzystywanych jest wiele różnych wyspecjalizowanych protokołów jak:
- SMTP,
- FTP,
- HTTP,
- HTTPS,
które służą do obsługi poczty czy synchronizacji czasu. HTTP i HTTPS stosowane są często do wymiany informacji. Niekoniecznie do odsyłania treści HTML, aby wizualizować WWW, a np., żeby na polecenie GET odpowiedzieć odpowiednim JSON-em. Takie podejście bywa stosowane w IoT.
Jest jednak protokół, który okazuje się łatwiej skalowalny, lżejszy, a w efekcie wymagający mniej energii, co dla urządzeń embedded jest bardzo ważne. Chodzi właśnie o MQTT (Message Queue Telemetry Transport) opierające się o model publikacja/subskrypcja i proste wymiany informacji bez zbędnych dodatków.
Model publikacja/subskrypcja
Jak widać na powyższej grafice mamy tutaj do czynienia z jednym brokerem. Może być on umieszczony na którymś z urządzeń w sieci lub udostępniany na zewnątrz przez providera. Z nim komunikują się klienci, wysyłają wiadomości, nasłuchują lub wykonują obie te czynności. Wszystko uporządkowane jest przy zastosowaniu tematów.
Działa to trochę na zasadzie podobnej do forum. Klient określa, że interesuje go dany temat. W powiązaniu z nim wszyscy mogą coś czytać i/lub pisać nowe wiadomości. Tak też użył tego protokołu Facebook, wykorzystując MQTT do popularnego Messengera.
Charakterystyka MQTT
Ważną cechą MQTT jest to, że klienci nie muszą być skomunikowani ze sobą – istotna jest tylko komunikacja z brokerem. MQTT działa na warstwach od sesji do aplikacji nad TCP/IP. Istnieje także MQTT-SN przeznaczone pod UDP oraz rozwiązania Bluetooth i BLE (Bluetooth Low Energy). Aby odczytywać i publikować, potrzebne są adres brokera, tematy, które musimy sobie ustalić, oraz zwykle klucz i użytkownik.
Dla publikacji dużą rolę odgrywa parametr QoS (Quality of Service). W uproszczeniu określa on, jak bardzo dbamy o dostarczenie paczki.
- – QoS = 0 – publikujemy i nie obchodzi nas, co dalej dzieje się z paczką.
- – Qos = 1 – po nadaniu klient publikujący przechowuje wiadomość aż do ACK, dając sobie tym samym możliwość do powtórnego wysłania w razie braku potwierdzenia.
- – QoS = 2 – mechanizm oparty o dwupoziomowy handshake, kiedy chcemy być pewni dostarczenia naszej paczki oraz uniknięcia wysłania jej więcej niż raz.
W przypadku tematów warto wspomnieć o jeszcze kilku możliwościach. Grupujemy je podobnie jak drzewo folderów, oddzielając kolejne poziomy zagłębienia znakiem: „/”np. „/urządzenie_1/odczytane_parametry/temperatura”. Dla ułatwienia można korzystać z dwóch znaków specjalnych:
- „+” – znajduje analogiczne zastosowanie jak w drzewie folderów „*”, nasłuchując wszystkich podtematów na danym poziomie. Dla przykładu „/urządzenie_1/odczytane_parametry/+” odbierze wiadomości nadane na „/urządzenie_1/odczytane_parametry/temperatura” i „/urządzenie_1/odczytane_parametry/oświetlenie”;
- „#” – używamy, kiedy interesują nas wszystkie kolejne poziomy zagnieżdżenia, np. wykorzystanie „/urządzenie_1/#” skutkuje odczytaniem wiadomości i z „/urządzenie_1/odczytane_parametry/temperatura”, i z innych parametrów, np. „/urządzenie_1/diagnostyka”.
Praktyka – Broker
Żeby łatwiej zrozumieć całość, posłużę się przykładem. Na początek potrzeba brokera. Ja przygotuję tutaj na PC Mosquitto, który może działać też jako klient. Mamy także trochę alternatyw jak np. popularny HiveMQ.
Pod Linuxa możemy go ściągnąć komendą:
apt-get install mosquitto
Plik instalacyjny dla Windowsa jest również dostępny.
Trzeba jednak jeszcze zajrzeć do redme-windows.txt w folderze, w którym zainstalowany został Mosquitto. Tam znajdziemy opis, w tym o zależność do OpenSSL.
Na tym etapie da się już odpalić broker.
Mosquitto -v
Jak widać, MQTT domyślnie korzysta z portu 1883.
Praktyka – Klienci
Następnie można tworzyć klientów. Do przykładu wystarczy dwóch – jeden do subskrypcji, drugi do publikacji. Stworzę ich na tej samej maszynie, co można zauważyć po IP: 127.0.0.1, ale możemy sobie wyobrazić, że są oni po prostu w tej samej sieci.
Podaję także przykładowe biblioteki dla klientów:
- Paho MQTT – dla języków C, C++, Python, Java, JS, Go,
- M2Mqtt – dla C#. (Nuget w Visual Studio),
- Adafruit IO – dla Ruby on Rails, Node.JS.
Ja posłużę się tą pierwszą oraz Pythonem.
Źródło do instalacji znajdziesz tutaj.
Wystarczy otworzyć ściągniętą paczkę i zainstalować:
cd paho.mqtt.python
python setup.py install
Skrypt dla subskrypcji:
import paho.mqtt.client as mqtt
localhost = '127.0.0.1'
port = 1883
timeout = 60
topic = "/test/podtest"
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
print("error = "+str(rc))
client.subscribe(topic)
def on_message(client, userdata, msg):
print("msg!")
print(msg.payload)
client = mqtt.Client()
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message
client.connect(localhost, port, timeout)
client.loop_forever()
Skrypt dla publikacji:
import time
import paho.mqtt.client as mqtt
localhost = '127.0.0.1'
port = 1883
timeout = 60
topic = "/test/podtest"
Qos = 0
message_payload = "1"
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
print("error = "+str(rc))
client = mqtt.Client()
client.on_connect = on_connect
client.connect(localhost, port, timeout)
client.publish(topic, message_payload, 0)
time.sleep(4)
client.disconnect()
Na początku uruchamiam subskrypcję, która cały czas nasłuchuje na dany temat. Widzimy efekt także na konsoli brokera.
Można odpalić jednorazowo wykonujący się skrypt publikacji.
Efekt jest widoczny na brokerze, a także na konsoli ze skryptem subskrybującym.
Działanie jest niezwykle proste, a ilość potrzebnego ku temu kodu jest minimalna.
Przydatne narzędzia
Moglibyśmy także zastosować przydatne narzędzie do tego protokołu, mianowicie MQTTlens. Jest to nakładka na przeglądarkę Chrome, która w łatwy sposób pozwala tworzyć klientów oraz publikować i subskrybować w bardzo przejrzystym GUI (rysunek poniżej).
Do testów użyteczny może być podstawowy provider. Jednym z nich jest CloudMQTT, który posiada darmowy pakiet z ograniczeniem dziennych wiadomości, ale dla małych projektów zupełnie to wystarcza.
Podsumowanie
MQTT na dobre już zadomowiło się w komunikacji między urządzeniami i wielu producentów, np. systemów smart home tj. popularna seria Sonoff od Itead, korzysta właśnie z tego rozwiązania. Mając na uwadze jak proste jest rozpoczęcie pracy z tym protokołem, warto spróbować.
***
Jeśli interesują Cię zagadnienia związane z Embedded, zachęcamy do lektury artykułów naszych ekspertów np. Practical use of cryptography on the example of instant messaging application, Branchless programming czyli programowanie „bezgałęziowe”, TinyML: Uczenie maszynowe w systemach wbudowanych oraz Maszyny wirtualne – interpretery.
Zostaw komentarz