razmjena poruka između uređaja arduino

42 Pages·2015·1.02 MB·Croatian

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

ZAVRŠNI RAD br. 4087
RAZMJENA PORUKA IZMEĐU UREĐAJA
ARDUINO
Lovro Filipović

Zagreb, lipanj 2015.

Uvod ...................................................................................................................................... 1
1. Protokol MQTT ............................................................................................................. 2
1.1. Objavi-pretplati ...................................................................................................... 3
1.1.1. Sustav objavi-pretplati kod protokola MQTT ............................................... 4
1.2. MQTT veza............................................................................................................ 5
1.3. MQTT tema i QoS ................................................................................................. 7
1.4. Posrednik MQTT i klijentski alati ........................................................................ 8
2. Arduino ........................................................................................................................ 11
2.1. Ploĉica Arduino (board) ...................................................................................... 11
2.1.1. Arduino Uno R3 .......................................................................................... 12
2.1.2. Arduino Yun ................................................................................................ 13
2.2. Dodatni moduli (shield-ovi) ................................................................................ 15
2.2.1. Arduino WiFi Shield .................................................................................... 16
2.2.2. TinkerKit Shield ........................................................................................... 17
2.3. Senzori i aktuatori ................................................................................................ 18
2.4. Arduino IDE ........................................................................................................ 19
3. Implementacija razmjene poruka izmeĊu ureĊaja Arduino ......................................... 20
3.1. Arduino Yun ........................................................................................................ 20
3.1.1. Oĉitavanje podataka sa senzora ................................................................... 20
3.1.2. Spajanje na mrežu ........................................................................................ 21
3.1.3. Komunikacija sa HiveMQ ........................................................................... 22
3.1.4. Oĉitavanje podataka i komunikacija............................................................ 23
3.2. Arduino Uno ........................................................................................................ 24
3.2.1. Paljenje LED lampice .................................................................................. 24
3.2.2. Spajanje na mrežu ........................................................................................ 25
3.2.3. Komunikacija sa HiveMQ ........................................................................... 26
3.2.4. Komunikacija i paljenje LED lampice ........................................................ 26
3.3. HiveMQ ............................................................................................................... 28
Zakljuĉak ............................................................................................................................. 29
Literatura ............................................................................................................................. 30
Sažetak ................................................................................................................................. 31
Abstract ................................................................................................................................ 32
Skraćenice ............................................................................................................................ 33
Privitak ................................................................................................................................ 34
Uvod
U teorijskom dijelu ovog završnog rada je analiziran protokol MQTT, a u praktiĉnom
dijelu je ostvarena komunikacija ovim protokolom izmeĊu dva ureĊaja Arduino. Protokol
MQTT je mrežni protokol koji radi na principu objavi-pretplati što znaĉi da se prilikom
objave poruke na odreĊenom kanalu ona isporuĉuje svim pretplatnicima tog kanala.
Usporedbu objava i pretplata, te prosljeĊivanje poruka izmeĊu klijenata vrši posrednik
MQTT. Arduino ureĊaji se temelje na ugraĊenim mikrokontrolerima te služe kako bi
omogućili spajanje raĉunala s fiziĉkim svijetom što postižu spajanjem na razne senzore i
aktuatore. Arduino ureĊaji oĉitavaju podatke iz fiziĉkog svijeta preko senzora te ih
najĉešće trebaju poslati na neki drugi ureĊaj kao što je raĉunalo, mobilni ureĊaj ili drugi
Arduino ureĊaj. Ovakva vrsta komunikacije izmeĊu njih se danas najĉešće ostvaruje
upravo protokolom MQTT zbog raznih prednosti koje taj protokol nudi. Protokol MQTT i
Arduino ureĊaji su jedni od osnovnih stvari na kojima su temeljene moderne i veoma
popularne tehnologije kao što su Machine to Machine komunikacija i Internet of Things.
Arduino ureĊaji koji su bili na raspolaganju prilikom izrade praktiĉnog dijela ovog
završnog rada su Arduino Uno i Arduino Yun. Jedan od njih je oĉitavao podatke sa senzora
za promjenu magnetskog polja te poslao poruku protokolom MQTT, koju je drugi ureĊaj,
prethodno pretplaćen kod posrednika MQTT, primio. Primitkom te poruke drugi ureĊaj je
upalio LED lampicu. Završni rad je podijeljen u tri poglavlja, u prvom poglavlju je
objašnjen princip rada protokola MQTT te sve vezano uz taj protokol, u drugom dijelu je
navedeno što su to Arduino, Arduino ureĊaji/ploĉice, dodatni moduli i neki detalji o
stvarima korištenim u praktiĉnom dijelu koji je ujedno i treće poglavlje ovog rada.
1
1. Protokol MQTT
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) je mrežni protokol namijenjen za
razmjenu poruka izmeĊu ureĊaja na principu obrasca objavi-pretplati. SCADA protocol i
MQ Integrator SCADA Device Protocol su stari nazivi za ono što je danas poznato kao
MQTT. Protokol MQTT je otvoren, jednostavan i lagan za implementaciju, ali omogućava
da mnogo klijenata bude podržano od strane jednog poslužitelja. Dizajniran je za podršku
prijenosa poruka s udaljenih lokacija, odnosno ureĊaja. Ove karakteristike ĉine ga idealnim
za korištenjem u ograniĉenim okruženjima, kao što je komunikacija Machine to Machine
(M2M) ili Internet of Things (IoT), te mrežama niske propusnosti s ograniĉenom
mogućnosti obrade, male snage, malog memorijskog kapaciteta i visoke latencije. MQTT
je takoĊer idealan za mobilne aplikacije zbog svoje male veliĉine, male potrošnje energije,
minimiziranog paketa podataka i uĉinkovite distribucije informacija na jednog ili više
prijemnika (pretplatnika). MQTT smanjuje koliĉinu mrežnog prometa u komunikaciji, ali s
ciljem oĉuvanja pouzdanosti isporuke. Protokol se koristi preko protokola TCP/IP (port
1883), ili preko drugih mrežnih protokola koji pružaju dvosmjerno povezivanje bez
gubitaka. [3] Autori prve verzije protokola MQTT 1999. godine su Andy Stanford-Clark iz
IBM-a i Arlen Nipper iz Arcom Systems. Protokol MQTT je u studenom 2014. postao
standardiziran [1]. OASIS MQTT TC je proizveo standard protokola MQTT kompatibilan
s verzijom MQTT V3.1. OASIS sadržava potpunu specifikaciju protokola sa zahtjevima za
opremom, dokumentiranim primjerima uporabe te uputama za korištenje MQTT-a. [7]
MQTT paket može biti zaštićen korisniĉkim imenom i lozinkom, šifriranje preko mreže
može biti obraĊeno pomoću SSL-a. Neke od aplikacija, programa ili ureĊaja koji koriste
ovaj protokol su Facebook Messenger, IECC Scalable, Eurotech, Consert. WebSphere MQ
Telemetry je proizvod IBM-a koji implementira protokol MQTT na vrlo skalabilan naĉin i
koji je izravno korišten s grupom WebSphere MQ proizvoda. PredviĊena poboljšanja
protokola MQTT su ukljuĉivanje prioriteta i isteka poruka, princip zahtjev/odgovor istek
pretplate. Alternativni protokoli protokolu MQTT su Advanced Message Queuing
Protocol, Constrained Application Protocol i XMPP.
2
1.1. Objavi-pretplati
Osnovni mehanizam protokola MQTT je razmjena poruka na principu obrasca objavi-
pretplati (engl. pub/sub). Sustav objavi-pretplati je alternativa tradicionalnom klijent-
poslužitelj modelu, gdje klijent komunicira izravno s krajnjim toĉkama. MeĊutim, sustav
objavi-pretplati dijeli klijenta na onog koji šalje odreĊenu poruku, objavljivaĉ (engl.
publisher), i onog koji tu poruku prima, pretplatnik (engl. subscriber). Objavljivaĉ i
pretplatnik meĊusobno ne znaju o postojanju. Tu je i treći entitet, posrednik (engl. broker),
koji je poznat od strane objavljivaĉa i pretplatnika. Posrednik zaprima i briše pretplate na
poruke od zainteresiranih pretplatnika te prihvaća i filtrira sve dolazne poruke od strane
objavljivaĉa koje zatim dostavlja pretplatnicima u skladu s tim. Obrazac pruža veću
skalabilnost od pristupa klijent-poslužitelj zato što se operacije na posredniku obavljaju
paralelno i dogaĊaji se obraĊuju po dolasku.

Slika 1.1 Objavi-pretplati [2]
3
Sustav objavi-pretplati odvaja objavljivaĉa poruke i pretplatnika na poruke. Razdvajanje
ima tri dimenzije :
 prostorno razdvajanje – objavljivaĉ i pretplatnik ne trebaju znati jedan za drugoga
(npr. IP adresa i port)
 vremensko razdvajanje – objavljivaĉ i pretplatnik se ne trebaju izvoditi u isto
vrijeme
 sinkronizacijsko razdvajanje – rad na obje komponente se ne zaustavlja prilikom
objave ili primanja poruke
Posrednik prima poruke te ih prosljeĊuje pretplatnicima, putem filtriranja samo pretplaćeni
klijenti dobivaju odgovarajuće poruke. Filtriranje poruka se temelji na jednom od tri
kriterija:
 tema – filtriranje se temelji na temi koja je dio svake poruke, pretplatnik se pretplati
na temu kod posrednika i tako od njega dobiva sve poruke s pretplaćene teme,
 sadržaj – filtriranje se temelji na odreĊenom sadržajnom filteru, jeziku,
 tip – filtriranje se temelji na tipu, odnosno klasi poruke, te u tom sluĉaju
pretplatnici primaju sve poruke koje su odreĊenog tipa (npr. Exeption), ovaj kriterij
se ĉesto koriste objektno-orijentirani jezici. [2][7]

1.1.1. Sustav objavi-pretplati kod protokola MQTT
Protokol MQTT koristi navedene karakteristike obrasca objavi-pretplati, ali ima i neke
specifiĉnosti. Klijent MQTT-a može biti bilo koji ureĊaj od mikrokontrolera pa do servera
koji ima ukljuĉenu MQTT knjižnicu te je spojen na posrednika preko bilo kojeg oblika
mreže. MQTT razdvaja prostor objavljivaĉa i pretplatnika te oni tako moraju znati samo
IP-adresu i port posrednika kako bi objavljivali poruke ili se pretplatili na njih. Razdvaja se
i prostor vremena, ali ne tako uspješno jer ĉesto zna biti sluĉaj da je poruku potrebno
isporuĉiti trenutno. Posrednik ima mogućnost pohrane poruka za klijente koji nisu na
mreži. MQTT može i sinkronizacijski razdvojiti klijente, jer većina klijentskih knjižnica
radi asinkrono te se temelji na callbacku. Protokol MQTT je posebno jednostavan na strani
4
klijenta jer se na većini sustava najveći dio logike nalazi na strani posrednika. Koristi se
tematsko filtriranje poruka, dakle, svaka poruka sadrži temu koju posrednik koristi kako bi
saznao kojim pretplatnicima treba proslijediti poruku.

1.2. MQTT veza
Već je reĉeno kako protokol MQTT radi povrh protokola TCP/IP pa tako oboje, klijenti i
posrednik, moraju imati TCP/IP stog. Veza MQTT-a je uvijek izmeĊu jednog klijenta i
posrednika. Veza se pokreće klijentskom porukom connect na koju posrednik odgovara s
connack i statusnim kodom. Nakon što se veza pokrene, ona će ostati otvorena sve dok
klijent ne zatraži iskljuĉenje i se sluĉajno izgubi veza. Poruka connect u sebi sadrži
clientID, cleanSession, username, password, lastWillTopic, lastWillQos, lastWillMessage i
keepAlive polje. Povratna poruka connack sadrži zastavice sessionPresent i
connectAcknowledge.

Slika 1.2 Uspostava MQTT veze [2]

Nakon što se spojio na posrednika, klijent može objavljivati poruke (publish). Spomenuto
je da se poruke prosljeĊuju na temelju tematskog filtra tako da svaka poruka mora
sadržavati temu. Uz temu, poruka publish sadrži packetId, qos, retainFlag, payload i
dupFlag. Posrednik ĉita publish, priznaje objavu ako je potrebno te ga zatim obraĊuje.
Obrada ukljuĉuje odreĊivanje koji su klijenti pretplaćeni na temu te slanje poruke
odabranim pretplatnicima.
5