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@mfujita(昌也 藤田)

Edisonに繋いだデバイスを制御するアプリを、IoT Foundation/Bluemixでクラウド上に作成する

Last updated at Posted at 2015-10-16

システムの概要

Edisonに光センサーとLEDを繋ぎ、光センサーのセンサー値が小さくなったら（つまり暗くなったら）、LEDが点灯するといった単純なシステム。ただし、光センサーの値を元にLEDを点灯を制御するアプリはクラウド環境であるBluemix上に作成する。EdisonとBluemix上のアプリとのデータのやり取りはMQTTを利用する。

1. [Edison] Node.jsプログラムが光センサーの値を取得し、MQTTでIoT Foundation（クラウド上のMQTT Broker）に送信（Publish）
2. [Bulemix] Node-REDで作成したProgramがIoT Foundationより光センサーデータを取得し（Subscribe）、暗い場合はLEDをONにするコマンドをIoT Foundationに送信（Publish）
3. [Edison] Node.jsプログラムが、IoT Foundationに送信されたコマンドを取得し（Subscribe）し、LEDを点灯

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準備事項

1. 必要なもの
* Intel Edison
* Intel Edison Kit for Arduino
* Grove starter kit (光センサとLEDを使用）
2. 事前準備
* Bluemixのフリーアカウント取得
* Edisonのセットアップ(Get Started GuideのStep1~5まで実施）
* 光センサ（アナログ入力 A0）, LEDの設置（GPIO 13ピン））

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作成の流れ

  1. EdisonのMACアドレスの確認
  2. Bluemix上でアプリケーションの雛形作成
  3. IoT FoundationにDevice(Edison)を登録
  4. Edison用Node.jsプログラムの作成
  5. Bluemixで稼動する制御プログラム作成（Node-RED）

1. EdisonのMACアドレス確認

今回はEdisonとBluemix上の制御アプリケーションとのデータのやり取りはMQTTで行う。MQTTで通信を行うためには、デバイスとアプリケーションを仲介するMQTT Brokerが必要であり、クラウド環境で利用可能なMQTT BrokerであるIoT Foundationを使用する。

IoT Foundationを利用するためには、DeviceをIoT Foundationに登録する必要があり、今回はEdisonからWifiで接続するため、ifconfigコマンドでwlan0のMACアドレスを確認する。
2015-10-11_18h01_14.png

PuttyやTeraTerm、もしくはIntel XDK IoT Edition等でEdisonにシリアル接続し、ifconfigを実行し、赤枠のHWaddrの「:」をとったもの（上記の例だと、784b87a00ebf）をDeviceIdとして登録する。

2. Bluemix上でアプリケーションの雛形作成

光センサーの値を元にLEDを点灯を制御するアプリは、BluemixのNode-REDを用いて作成する。また、IoT Foundationに送信されたセンサーデータをNode-REDアプリで取得するためには、Node-REDアプリとIoT Foundationの紐付けが必要となる。そこで、下記のステップで、Node-REDアプリケーションの雛形を作成し、IoT Foundationとの紐付けを行う。

1. Node-RED StarterにてNode-REDアプリの作成
2. Internet of Thingsサービスのバインド

2.1 Node-RED StarterにてNode-REDアプリの作成

ボイラープレートより、Node-RED Starterを選択し、アプリ名を設定し、Node-REDアプリケーションを作成する。
2015-10-11_19h11_25.png

ステージング完了後、アプリケーションのダッシュボードに表示されているURLをクリックし、Node-RED Flow Editorが表示されることを確認。
2015-10-11_19h21_41.png

2.2 Internet of Thingsサービスのバインド

カタログの一番下にあるInternet of Thingsサービスをクリックし、次の画面でNode-REDアプリにバインドする。
2015-10-11_19h32_42.png

3. IoT FoundationにDevice(Edison)を登録

アプリケーションのダッシュボードより、Internet of Thingsを選択し、IoT foundationのダッシュボードを開く。
2015-10-11_19h40_19.png

ダッシュボードにて、デバイスタブを選択し、デバイスの追加を行う。デバイスタイプの作成時の「名前」は任意の名前でOK。

2015-10-11_20h05_24.png

その後の画面は、特に何も設定せずに「次へ」を押して進める。

2015-10-11_22h47_25.png

デバイスを追加する。
2015-10-11_23h07_14.png

認証情報が表示されるので、メモする。以上でIoT Foundationへのデバイスの登録は完了。
2015-10-11_23h12_41.png

4. Edison用Node.jsプログラムの作成

Edisonに繋いだ光センサーの値を取得し、IoT FoundationにMQTT Publishするプログラムを作成する。また、このプログラムでは、Node-REDアプリがIoT FoundationにPublishしたLEDを点灯するためのコマンドをSubscribeする。

4.1. 必要なLibrary

  • MQTT.js (MQTT clientを作成するためのnode.js Libray）
  • Mraa (Intelが提供するArduinoを操作するためのNode.js Library)

MQTT.jsはpackage.jsonのDependencyに記載。MraaはEdisonの初期セットアップ時にEdison内に配置される。

4.2. 開発方法

Node.js プログラムは、最終的にはedison上にUploadして動かす。主な開発方法は、下記の三種類。

  1. Edison上でvi Editorで開発
  2. PC上のIntel XDK IoT Edisonで開発し、EdisonにUpload
  3. PC上のテキストEditorで開発し、GitHubにPushし、Edison上からGit Cloneする

作成時は、Intel XDK IoT Edisionを使用した。使用方法はこちらのIntel® XDK IoT Edition Getting Started Guideを参照。

4.3. Node.js プログラム

1. プログラムの流れ
1. IoT Foundationにデバイスを登録した際に得られる情報を元に、接続先のIoT FoundationのURLや接続の際に必要なCredential情報を整形
2. MQTT.jsを用いて、IoT Foundationに接続
3. 接続確立後、Mraaで取得した光センサーの値を一定間隔でPublish
4. 平行してLED点灯コマンドをSubscribeし、LEDをOn/Offする

2. ポイント

  1. MQTT Brokerのアドレス
    • mqtt://' + <組織ID> + '.messaging.internetofthings.ibmcloud.com:1883
  2. Topicは下記のFormat設定。下記の設定は、Node-REDアプリケーション構築の際に使用する。
    • PublishするTopicは、iot-2/evt/Event名/fmt/json
    • SubscribeするTopicはiot-2/cmd/Command名/fmt/json
  3. PublishするMessageはJSONで下記の形式
    • {"d": {}}
    • {"d": {"brightness": <光センサー値>}}とした
  4. LEDをOn/Offするコマンド（Subscribeデータ）は、下記とした
    • {"LED": "on"}
    • {"LED": "off"}

3. Sampleプログラム
試す場合は、GitHubに公開しているので（Edison_to_IoTFoundation_Node）、Git Cloneをして導入。導入方法は、たとえば下記のようにする。

  1. PC上にGit Cloneして、Intel XDK IoT EditionにImportし、BuildしてEdison上にUploadして実行
  2. Edison上で直接Git Cloneして実行。その際、npm installを実行してMQTT.js等をセットアップした後に、node main.jsでプログラムを実行。EdisonへのGitの導入はこちらを参照。
main.js
/*jslint node:true, vars:true, bitwise:true, unparam:true */
/*jshint unused:true */
// Leave the above lines for propper jshinting
//Type Node.js Here :)
var mqtt = require('mqtt');
var mraa = require('mraa');

// credential parameters assigned when you subscribe your device to IoT founcation
var org = "gyyqov";                     // <--- update!!
var type = "myedison";                  // <--- update!!
var id = "784b87a00ebf";                // <--- update!!
var auth_token = "kPSf9slYBK6vX+r4!3";  // <--- update!!

var authmethod = 'use-token-auth';      // You don't need update this parm

// create clientID and URL to connect IoT foundation
var clientId = 'd:' + org + ':' + type + ':' + id;
var mqtt_url = 'mqtt://' + org + '.messaging.internetofthings.ibmcloud.com:1883';
var credentials = { clientId: clientId, username: authmethod, password: auth_token };

// create a mqtt client
var client  = mqtt.connect(mqtt_url, credentials);

// connect and process
client.on('connect', function () {
    var pub_topic = 'iot-2/evt/status/fmt/json';    // publish a message to a topic
    var pub_message;                                // message to be published
    var sub_topic = 'iot-2/cmd/cid/fmt/json';       // topic to subscribe
    var sub_message;                                // message reached to topic subscribing

// publish message to IoT foundation
  setInterval(function(){
      pub_message = '{"d":{"brightness":' + analogVolts() + '}}'; 
      // publish value from light sensor
      client.publish(pub_topic, pub_message, function() {
          console.log("Message is published");
      });
  },1000);

//subscribe to a topic
    client.subscribe(sub_topic, function() {
        // when a message arrives, do something with it
        client.on('message', function(topic, message, packet) {
            sub_message = message;
            console.log("Received '" + sub_message + "' on '" + topic + "'");

            if (JSON.parse(sub_message).LED === "on") {  // when parameter LED is "on", LED is blinked.
                myOnboardLed.write(1);
            } else {
                myOnboardLed.write(0);
            }
        });
    });
});

// Read Analog output A0
var pin0 = new mraa.Aio(0);
var analogVolts = function() {
    var counts = pin0.read();
    return counts;
};

// Send signal to light LED connected to GPIO(13)
var myOnboardLed = new mraa.Gpio(13); //LED hooked up to digital pin 13 (or built in pin on Intel Galileo Gen2 as well as Intel Edison)
myOnboardLed.dir(mraa.DIR_OUT); //set the gpio direction to output

5. Bluemixで稼動する制御プログラム作成（Node-RED）

5.1. Node-REDアプリの機能

1. 光センサーデータの取得 & 可視化
IoT Foundationから光センサーデータをSubscribeし、Google visualization APIを使用したグラフを表示するWeb Pageを作成

2. 光センサーの値を元に、LEDをOn/Offするコマンド発行
IoT Foundationに、光センサー値が100を切ったらLED ON、100以上の場合はLED OFFとするコマンドをPublish

2015-10-12_11h44_58.png

5.2 Node-REDアプリの作成

1. Node-REDの使用方法
下記のハンズオン資料を参照。

2. Sampleプログラム
Edison_to_IoTFoundation_NodeのNode-RED sampleをImportすることで、Node-REDアプリを一括導入可能。Importの方法は、こちらのQiitaの投稿（Node-RED小ワザ集)を参照。

3. 光センサーデータの取得
EdisonからIoT FoundationにPublishされた光センサーデータをSubscribeするには、「ibmiot in」ノードを使用する。プロパティーを開き、下記のように設定。

  • Device Type, Device Id : IoT Foundationに登録したEdisonの情報
  • Event Type : Device Event
  • Event : 光センサー値のpublish先Topic: var pub_topic = 'iot-2/evt/status/fmt/json';に記載されているEvent名

DebugノードをつなぎDeplpoy後、Edison上でNode.jsプログラムを実行し、Debugウィンドウに光センサーデータが表示されれば成功。

2015-10-12_12h26_51.png

4. センサーデータの可視化
「http in」ノード, 「Template」ノード、「http response」ノードを使用し、下記のURLにGET Requestがきたら、センサーデータのグラフを表示するHTMLを返すWeb Pageを作成する。

  • http://<アプリ名>.mybluemix.net/brightness

また、光センサーから1秒間隔で送られてくるデータを、リアルタイムにグラフに反映させるため、データはWebSocketを使用して送信する。各ノードの設定は下記の通り。設定後、Deployし、/brightnessにアクセスして、グラフが表示され、センサーの値がリアルタイムに更新されたら成功。

  • http inノード
    • Method : GET, URL : /brightness
  • Websocket outノード
    • Path : /ws/brightness
  • Templateノード
    • HTML Fileを記載。GitHubのGraph.html参照
    • Graph.htmlを使用する場合は、HTML上のWebSoketのURLをアプリの名前に合わせて変更する必要があるので注意が必要。

2015-10-12_21h13_40.png

5. 光センサーの値を元に、LEDをOn/Offするコマンド発行
光センサーの値を元に、下記の通り、コマンドをIoT FoundationにPublishする。

  • 100以下の場合 : {"LED": "on"}
  • 100以上の場合 : {"LED": "off"}

上記の処理は、「function」ノードにJavascriptを記載して行い、IoT FounadationへのPublishは、「ibmiot out」ノードを使用する。それぞれの設定は下記の通り。

  • function ノード
    • Javascriptのif文でLED点灯コマンドを整形し、msg.payloadにセット。
  • ibmiot out ノード
    • Authentication : Bulemix Service
    • Output Type : Device Command
    • Device Type : IoT Foundationに登録したDevice Type
    • Device IT : msg.deiveId（deviceId情報がFlowを流れてくるので、それを使用。直接指定でもOK）
    • Command Type : Topic名にかかわる設定であり、制御コマンド用Topic名 : iot-2/cmd/cid/fmt/jsonにあわせる。この例では、「cid」をCommand Typeに設定。

2015-10-13_10h07_05.png

Node-REDアプリをDeployし、Edison上でNode.jsプログラムを起動後、光センサーを手で覆う等でセンサーの値を100以下にすると、LEDが点灯し、手を離すとLEDが消えることが確認できる。以上で完成！

6. 参考情報

MQTT関連
* MQTTについて詳しく知る
* Node.js以外の言語のMQTT Library情報
* Explore MQTT and the Internet of Things service on IBM Bluemix

EdisonとBluemix
* Intel Edison IoTF Recipe : Node.js
* Intel EdisonとIBM IoT Foundation & Bluemixの連携 : Python

Bluemixの基礎, Node-RED
* Bluemix Hands-onまとめ

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