Mosquitto で MQTT 双方向通信 (4)IoT デバイスハードウエア

Web ブラウザから IoT デバイスの監視と制御

MQTT　Mosquitto　ブラウザ　Web ソケット　WebSocket　IoTデバイス　監視・制御　SSL/TLS

背景
ゴール
前提条件
マイクロコントローラ
IoT デバイス回路
MQTT 用語集
リンク

背景

MQTT プロトコルは IoT 機器の監視・制御に最適な通信方式です。　Mosquitto や EMQX社から無料で利用できる MQTT Broker が提供されていて手軽に利用できます。　しかし予期せぬサーバーの停止により IoT 機器の監視・制御に不都合をきたしたり、相乗りサーバーのためどうしてもセキュリティに対する不安も残ります。

これらの課題を解決するために VPS サーバーにセキュリティ対策も行った MQTT Broker をインストールして IoT システムを構成しました。　特に Web ブラウザと MQTT Broker 間の MQTT over WebSockets with TLS に多くの試行錯誤をともなったので整理して記録を残します。

ゴール

・VPS サーバーに MQTT Broker インストール
・TLS(SSL) によるセキュリティ対応
・IoT デバイス (C++) と MQTT Broker 間は MQTT over TLS (mqtts://) 通信
・Web ブラウザ (HTML, Java Script, CSS) と MQTT Broker 間 MQTT over WebSockets with TLS (wss://) 通信

本章ではブレッドボードを使って IoT デバイスのハードウエアを組み立てます。

前提条件

・Mosquitto (バージョン 2.0.11) インストール済み
・VPSサーバー Linux OS Debian (バージョン 6.1.153-1)　
・IoT デバイス ESP32-DevKitC
・開発プラットフォーム　Visual Studio Code (バージョン:1.105.0)
・拡張機能　PlatformIO IDE for VSCode (バージョン 3.3.4)
・開発言語 Linux , C++, HTML, Java Script, CSS
・通信プロトコル MQTT over TLS (mqtts://), MQTT over WebSockets with TLS (wss://)
・Windows 11 (バージョン Pro 24H2)

マイクロコントローラ

・ESP32-DevKitC-32E
Wi-Fi モジュールも実装されていて使い勝手のいい Espressif 社の ESP32-DevKitC-32E （ ESP32 開発ボード）を使用します。

ESP32 開発ボードについて購入先の秋月電子通商で検索すると、『ESP-WROOM-32が実装されている評価/開発用ボードです。シリアル⇔USB変換チップ、リセットスイッチ、ブートモードスイッチを搭載しています。PCに接続するだけで、ESP32の評価/開発ができます。』　『Espressif Systems社の無線通信モジュール、ESP32-WROOM-32E の評価基板です。ほとんどのI/Oを引き出してあります。手軽に実験や評価が行えます。』と説明があります。

ESP32-DevKitC-32E ESP32-WROOM-32E の特長
　・デュアルコア 32bit Xtensa LX6マイクロプロセッサ
　・40MHzクリスタル発振器を内蔵して最大240MHz動作が可能
　・2.4GHz Wi-Fi 802.11b/g/n
　・Bluetooth V4.2 BR/EDR and Bluetooth LE
　・オンボードアンテナ
　・4MB SPI FLASH
　・26本のGPIO

USB ケーブルで PC とこのモジュールを接続するだけでプログラム開発ができるオールインワンの優れものです。

今回は、このモジュールに LED など少しの外付け部品を追加するだけ IoT デバイスのハードウエアが出来上がります。

IoT デバイス回路

図 1　に IoT デバイス回路図を示します。　
電源は USB ケーブルから供給しています。　外部電源を使用する場合は EXT_5V 端子と GND 端子間に2A 以上の電流を供給できる 5 V 電源を接続します。

Web ブラウザ側から ON ボタンをクリックすると赤色 LED が点灯します。 OFF ボタンをクリックすると緑色 LED が点灯します。

IO19 端子を VDD33 から GND へ接続を変更すると LOW_ 信号を publish します。　GND から VDD33 へ接続変更すると HIGH信号を publish します。

表 1　IoT デバイス部品表

部品番号	部品名	機能	説明
U1	ESP32-DevkitC	MCU	マイクロコントローラ
LED1		発光ダイオード	赤色 5mmΦ
R1	抵抗	100Ω	電流制限用
LED2		発光ダイオード	緑色 5mmΦ
R2	抵抗	100Ω	電流制限用

LED1、LED2 は赤色、緑色であればどのような型名でも構いません。
R1、R2 は LED1、LED2 の電流制限用です。 LED に必要な供給電流から抵抗値を決定します。

MQTT 用語集

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）
IoTデバイス向けの軽量なパブリッシュ/サブスクライブ型通信プロトコルです。

基本的な登場人物
Broker（ブローカー）
メッセージの仲介役となるサーバー。送信者から届いたメッセージを、適切な受信者へ振り分けます。
Client（クライアント）
ブローカーに接続するデバイスやアプリ。送信側（Publisher）と受信側（Subscriber）の両方になり得ます。
Publisher（パブリッシャー）
メッセージを送信する側のクライアント。
Subscriber（サブスクライバー）
メッセージを受信するために、特定のトピックを購読（登録）する側のクライアント。
メッセージ通信の概念
Topic（トピック）
メッセージを分類するためのパス（例：home/living/sensor）。受信側はこのトピックを指定して購読します。
Payload（ペイロード）
メッセージの実データ部分。中身はテキストやバイナリなど任意です。
Publish（パブリッシュ）
クライアントが特定のトピックに対してメッセージを送信すること。
Subscribe（サブスクライブ）
クライアントが特定のトピックを受け取れるようにブローカーに登録すること。
品質と信頼性の設定
QoS（Quality of Service）
メッセージの到達保証レベルです。
QoS 0 (At most once)
最高1回。届かなくても再送せず、最も軽量。
QoS 1 (At least once)
最低1回。必ず届くが、重複する可能性がある。
QoS 2 (Exactly once)
正確に1回。重複なく確実に届ける、最も信頼性が高い。
Keep Alive（キープアライブ）
クライアントとブローカーの接続が維持されているか確認するための定期的な信号。
LWT（Last Will and Testament / 遺言）
クライアントが予期せず切断された際、ブローカーが代わりに他者へ通知するメッセージ。

Google 検索結果を引用させていただきました。