記事の概要

通信モジュールEC21-J Mini PCIeとSORACOM IoT Simを用いて、Google Cloud Platform（以下、「GCP」と略）に構築したGoogle IoT CoreでMQTT接続による通信を行ってみました。

そこに至るまでの全過程、モジュールの購入から最後のMQTT接続を実行するまでの記録を公開します。

記事の内容に疑問点があれば、お気軽にコメント欄、ツイッターなどにお問い合わせください。
また記事内容に間違いなどがあれば、ご指摘いただけると助かります。

参照

LTE Cat.1 対応モデム「EC21-J Mini PCIe」の GNSS 搭載モデルを販売開始
- 開発ボードのセッティングからGNSS動作を確認するところまで解説しています。
Arduino で SORACOM SIM を使ってなるべく安く通信する方法
- EC21-J Mini PCIeでSORACOM Harvest にデータを送る方法を解説しています。
SORACOM Beam を使用して Google IoT Core と MQTT 接続する

1. ハードウェアの準備

EC21-J Mini PCIeの準備

以下のQuectel社製の通信モジュールEC21-J Mini PCIeを使用します。
（Quectel社へのリンクはユーザー登録しないと見れません。登録は無料になります。）

これはEC21-JモジュールにPCIeソケットやアンテナ端子を取りつけたLTE Cat.1 通信モジュールです。
末尾のJはJapanのことで、日本用の技適を取得済みを意味します。
末尾にJがつかないEC21は、日本での使用が違法になるのでご注意ください。

今回はGNSS機能付きのEC21-J Mini PCIeを使用します。
GNSSはグローバル衛星測位システムのことで、GPSもその1種です。

EC21-J Mini PCIeはSORACOMのIoTストアもしくはSORACOM ユーザーコンソールから購入できます。

他にもGNSS機能のないEC21-J Mini PCIeや、UC20-G Mini PCIe、BG96 MiniPCIeも販売しています。

開発ボード Mini PCIe EVBKITの準備

Mini PCIe EVBKITはPCIeソケットを備えた開発ボードです。
PCIeソケットにQuectel社のPCIe端子付きの通信モジュールを取り付けることで、簡単にPCによる制御が行えます。

今回はEC21-J Mini PCIeを取り付けます。

こちらもSORACOMのIoTストアもしくはSORACOM ユーザーコンソールから購入できます。

PCIeソケットなどの部品を購入して、治具を自作することも可能と思いますが、制作に要する時間（部品選定、販売店検索、発注、制作、動作試験、修正）を時給換算で見積もると、開発ボードを購入した方が安上がりでした。
手作りを楽しみたい場合や、時間に余裕がある場合は、自作してもいいと思います。

UART通信方法

後述するEC21-Jの操作を行う為に、EC21-JとUART通信を行わないといけません。
開発ボードを用いれば、PCからEC21-JとUART通信を行えます。

ドライバーは開発ボード付属のCDもしくはQuectelのサイトの「Download」の「USB Drivers」からダウンロード済みとします。
複数のドライバーがありますが、私は以下のフォルダのexeファイルを実行しました。（必須ではないものも実行しているかもしれません。）

Quectel_LTE_Windows_USB_Driver_V1.0.0
EC21&EC25_WinCE6.0_USB_DriverV1.0
Quectel_BG96_Windows_USB_Driver_V1.0

次に付属のUSB-RS232ケーブルを用いて、開発ボードとPCを接続します。
秋月電子などで販売しているUSB-RS232ケーブルでも問題ないと思います。

ＦＴ２３２　ＵＳＢシリアル変換ケーブル　ＶＥ４８８
 ＵＳＢシリアル変換アダプタ

USBとシリアルケーブルをPCに接続し、開発ボードの電源ONにして、デバイスマネージャーで確認すると、以下のようにUSBポートが3つ、シリアルポートが1つ表示されます。

TeraTermなどのターミナルソフトを開いて、COM Port（私の場合はCOM9）を選択し、通信設定を115200bpsにすればPCからUART通信できます。

アンテナの取り付け

GNSSアンテナをモジュールのアンテナ端子の真ん中GNSSに取り付けます。
2本のアンテナは両端のアンテナ端子MAINとDIVに取り付けます。

SORACOM IoT SIMの準備

SORACOM IoT SIMを用いるとIoTに適したSORACOMのネットワークサービスを安価に利用できます。
3G/LTE に対応したデータ通信、データ転送、データ管理、データの可視化と共有など様々なサービスがあります。

以下のチュートリアル通りに行えば簡単に利用開始できます。

SORACOMのIoTストアもしくはSORACOM ユーザーコンソールから購入できます。
今回は特定地域向け IoT SIM (plan-D)標準サイズを使用します。

SIMはスイッチサイエンスなどでも購入できます。
https://www.switch-science.com/catalog/3960/
https://www.switch-science.com/catalog/5884/

SIMの登録

SORACOMにはアカウント登録済みとして以下の話を進めます。

開発ボード一式およびSIMをSORACOMから購入した場合は、ユーザーコンソールの「Menu」→「発注」から注文品のステータスの「受け取り確認」をクリックするだけでSIMが登録されます。

以下のマニュアルに従ってグループ作成します。
SIM のグループ管理

対象の先頭セルのボックスにチェックを入れて、操作から利用開始を選択すれば、通信ができるようになります。

課金も開始されますので、まだ利用する予定のない方はご注意ください。
もっとも、基本料金は10円／1日と安く、開発ボードの無料クーポン分でしばらくは課金されないので、あまり気にすることもないと思います。

2. EC21-Jの動作確認

EC21-Jは、UART通信でATコマンドを送信することで操作できます。
今回はPCから操作しますが、いずれマイコンからのUART通信で制御したいと思います。

EC21-JのUART通信確認

EC21-Jが動作しているかを確認します。先述した方法でターミナルでシリアルポートを開いてください。

まずは、自分の入力したコマンドが分かりやすいように入力エコーを有効にします。
エコーとは、送信した文字を、そのまま送り返してもらって受信することです。

ATE1

と入力してENTERを押せば、以降は自分の入力した文字も表示されます。
（エコーが無効ならば、入力しても画面には何も表示されません。）

次に、製品識別情報表示コマンド

ATI

を入力してください。
社名、製品名、Revisionの3行が表示されれば、EC21-Jと正常に通信できています。

GNSSの動作確認

GNSSの動作を確認します。まずは電源ONに、開発ボードのNRT_STATUS LEDが点灯後に、以下のコマンドを入力してGNSSを起動します。

 AT+QGPS=1

起動に成功すればOKが返ります。

GNSSの取得データは、TeraTermを新規に開いて、「Quectel USB NMEA Port」から確認してください。通信速度は4800bpsに設定します。

以下のようにGNSSからの情報が表示されます。

シリアル通信でも以下のコマンドでGNSSの位置情報を取得できます。

AT+QGPSLOC?

GNSSは以下のコマンドで停止できます、

 AT+QGPS=0

もしくは

 AT+QGPSEND

3. 通信試験

EC21-JとSIMを用いて、ネットワークに接続し、データ通信できるかを確認します。
以下の通信試験は、bearminiさんの記事「Arduino で SORACOM SIM を使ってなるべく安く通信する方法」を参照しました。

AT+QCFG="roamservice"[,<roammode>[,<effect>]]

ローミングを有効にします。
初期状態で有効かもしれませんが一応設定しておきます。
roammodeを2に設定すると「ローミング有効化」、effectを1に設定すると「即座に有効化」になります。
effectを省力すると、自動で「即座に有効化」の設定になります。

 AT+QCFG="roamservice",2,1

AT+COPS=<mode>[,<format>[,<oper >[,<Act>]]]

登録可能なオペレータ一覧を以下のコマンドで確認します。

AT+COPS=?

また、現在登録されているオペレーターは以下のコマンドで確認します。

AT+COPS?

私の場合は、既にオペレーターが登録済みだったので、設定は省略します。

もしAT+COPS?で何も表示されない場合は、手動で設定します。
AT+COPS=? で検索した登録可能なオペレータ一覧から選択して、以下のコマンドを実行します。
modeは1の手動選択に設定し、formatは2のGSM location area識別番号に設定し、operは各位の環境に合わせて選択ください。

AT+COPS=1,2,"44010"

設定後は、正常にオペレーターが登録されているか確認しておきます。

AT+COPS?

AT+QICSGP=<contextID>[,<context_type>,<APN>[,<username>,<password>)[,<authentication>]]]

APN, username, password TCP/IP contextパラメータの設定を行います。

contextIDは1から16の任意の番号を設定し、context_typeは1のプロトコルタイプ：IPV4 に設定し、APNは"soracom.io"に設定し、usernameとpasswordは"sora"に設定し、authenticationは0の認証なしに設定します。

AT+QICSGP=1,1,"soracom.io","sora","sora",0

AT+QIACT=<contextID>

PDP認証を行います。
AT+QICSGPで設定したcontextIDを指定することで、設定を有効化できます。

AT+QIACT=1

設定前後にAT+QIACT?を実行すると、設定実行後に有効化されていることが分かります。

ここまでの設定を行うと、SORACOMのユーザーコンソールにおいて、セッション状態がオンラインになってます。

SORACOM Harvestの設定

データ送信のテストを行う為にSORACOM Harvestを設定します。
SIMの所属するグループを選択し、SORACOM Harvest Data設定をONにして保存します。
1SIMあたり5円／1日の課金が発生するので、通信試験完了後はOFFに戻して保存するのを忘れないようにご注意ください。

AT+QIOPEN=<contextID>,<connectID >,<service_type>,<IP_address>/<domain_name>,<remote_port>[,<local_port>[,<access_mode>]]

SORACOM Harvestを開きます。

AT+QIOPEN=1,0,"TCP","harvest.soracom.io",8514

AT+QISEND=<connectID>

AT+QIOPENで設定したconnectIDを指定してデータを送信します。

AT+QISEND=0

上記コマンド実行後、送信したいデータを入力してから、Ctrl+Zを入力するとデータが送信されます。

データが送信されているかを確認してみます。
使用したSIMにチェック入れてから、「操作」→「データを確認」を選択します。

コマンド送信したのと同じデータが確認できます。

ネットワークと接続して通信できることが確認できました。

AT+QICLOSE=<connectID>

AT+QIOPENで設定したconnectIDを指定して接続を閉じます。

AT+QICLOSE=0

SORACOM Harvest Data設定をOFFに戻して保存し、通信試験を完了します。

4. Google IoT Core

##GCP側の設定
ここではGCPにアカウント登録済みとして、Google IoT Coreの作成します。

SORACOM Beam を使用して Google IoT Core と MQTT 接続するの説明に従って作業します。

1: IoT Coreを開いてレジストリを作成

2: レジストリID、リージョン、Cloud Pub/Subトピックの作成

トピックIDを入力すれば、自動で適切なフォルダ内にトピックが作成されます。

3: 「詳細設定を表示」から「プロトコル」をMQTTのみにする

4: 「作成」をクリック

公開鍵・秘密鍵の作成

GCPでターミナルを開いて公開鍵と秘密鍵を作成します。

openssl genpkey -algorithm RSA -out rsa_private.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048
openssl rsa -in rsa_private.pem -pubout -out rsa_public.pem

公開鍵・秘密鍵のデータをコピーしたい場合は、「エディタを開く」から選択すると便利です。

デバイスの作成

「SORACOM Beam を使用して Google IoT Core と MQTT 接続する」の「公開鍵を登録してデバイスを作成する」を参照してください。

SORACOM側の設定

「SORACOM Beam を使用して Google IoT Core と MQTT 接続する」の「ステップ 2: SORACOM Beam を設定する」を参照してください。

プロジェクトID、リージョン、レジストリID、デバイスID

プロジェクトID、リージョン、レジストリID、デバイスIDの4つはMQTT接続時に入力を求められることがあります。

GCPではこれらを以下により確認できます。

プロジェクトIDはGCPでプロジェクト作成時に割り当てられたIDです。

リージョンとレジストリIDはレジストリ作成時に設定した名前と地域を使用します。

デバイスIDはデバイス作成時に設定した名前を使用します。

5. MQTT接続

SORACOM Beamを使用する利便性

SORACOM Beamを使用する利便性は色々とありますが、私が特に便利に思ったのは、暗号化の手間が省けることです。

Google Cloud IoT Core においてMQTT接続を行うためには、TLS(Transport Layer Security)による暗号化が必要になります。
暗号化方法については、以下のMQTTサーバ認証手続きのマニュアルにあります。

Publishing over the MQTT bridge#Downloading MQTT server certificates

これを見るとパスワードとしてJWT(JSON Web Token)の作成が求められます。
Googleが公開している組み込み用のサンプルプログラムを見れば、毎アクセス時にAPI関数 iotc_create_iotcore_jwt()を用いて、pemファイルやその他変数を代入し、JWTを作成しているのが分かります

MQTT client samples
- GoogleCloudPlatform
  /
  iot-device-sdk-embedded-c

PCのターミナルからATコマンド送信する場合は、上記サンプルサイトのPythonコードをPC上で走らせてJWTを生成し、コマンドに挿入するといいと思います。（実際に試していないので、できるかどうかは分かっていません）

「GCP Cloud IoT CoreにGolangでMQTT接続する」の記事を見ると、JWTの生成には以下のパラメータが必要なようです。

username: "unused"

password: jwtを使って生成
- iat: 現在時刻のUnixTime,
- exp: 現在時刻+60分のUnixTime : 有効期限。期限を過ぎると接続が解除されるので、都度接続確認を行なう。
- aud: projectID
- Signin Method: SigningMethodRS256
- SigningKey: 添付のpem

添付のpemというのは先に生成したprivate keyのことだと思います。
RAMの少ないマイコンにpemデータの領域を確保するのは、少し厄介なことです。
暗号生成の計算はマイコンの低性能CPUには負担でもあります。

そこでSORACOM Beamを使うと、以下の記事のように、この暗号化処理が省略できます。

新機能：SORACOM が Google Cloud Platform と連携出来るようになりました！

認証情報をSIMと紐付ければSORACOMがJWTを生成・署名 → デバイス側のProvisioningを行うことなくGCPに接続可

以降は実際にEC21-JからATコマンドを送信してMQTT接続を行います。
その際にはQuectelのサイトの「Download」の「Documents」からダウンロードできるアプリケーションノート「Quectel_EC2x&EG9x&EM05_MQTT_Application_Note_V1.1」の「5.1 Example of MQTT Operation without SSL」を参照しています。

ここではSSLなしを参照している理由は、以下の図のようにSORACOMのサーバにSSLなしのMQTTで通信すれば、MQTTS通信に変換してくれるからです。

今回はPCのターミナルを使用していますが、マイコンに実装する時も、UART通信でATコマンドを送信するだけでいいので、とても簡単になります。

（補足）root.pem

SORACOM Beamを使用するならば必要ないと思いますが、mqtt.googleapis.comのroot CA certification package (128 KB)は以下からダウンロードできます。

PDP認証

通信試験と同様にPDP認証を行います。

AT+QICSGP=1,1,"soracom.io","sora","sora",0

AT+QIACT=1

AT+QIACT?

AT+QMTCFG="recv/mode",<client_idx>,<msg_recv_mode>[,<msg_len_enable>]

AT+QMTCFGはAT+QMTOPENを実行する前に行います。
サーバからのデータ受信設定を決めます。

msg_recv_modeを0に設定します。サーバーから受信したMQTTメッセージがURCに含まれるようになります。

msg_len_enableを1に設定します。サーバーから受信したMQTT長さメッセージがURCに含まれるようになります。

AT+QMTCFG="recv/mode",0,0,1

AT+QMTOPEN=<client_idx>,"<host_name>",<port>

SORACOM Beamのサーバーを開きます。

client_idxは0から5のどれかの値を設定します。

SORACOM Beamのhost_nameとportは以下になります。

host_name
- beam.soracom.io
port
- 1883

AT+QMTOPEN=0,"beam.soracom.io",1883

設定が有効になっているかを以下のコマンドで確認します。

AT+QMTOPEN?

AT+QMTCONN=<client_idx>,"<clientID>"[,"<username>"[,"<password>"]

SORACOM Beamのサーバーと接続します。

client_idxはAT+QMTOPENで設定したのと同じ値を使用します。

clientIDは以下になります。プロジェクトIDなどを各位の環境に合わせて設定してください。

"projects/[プロジェクトID]/locations/[リージョン]/registries/[レジストリID]/devices/[デバイスID]"

AT+QMTCONN=0,"projects/vigilant-router-xxxxxx/locations/us-central1/registries/test/devices/MatsuiEC21J"

AT+QMTSUB=<client_idx>,<msgID >,"<topic1>",<qos1>[,"<topic2>",<qos2>…]

クラウドからEC21-Jへデータを送信します。

データ受信時には"/devices/<デバイスID>/commands/#" というtopicへ Subscribeするように設定します。

client_idxはAT+QMTOPENで設定したのと同じ値を使用します。

msgID は1から65535のどれかの値を設定します。

qosはレベル0に設定します。 QoS0は送信成功か否かに関わらず、1回だけメッセージを発行します。
（参照「QoSとは？MQTTにおける通信の種類！」）

AT+QMTSUB=0,1,"/devices/MatsuiEC21J/commands/#",0

実際にデータを受信できるか確認してみます。
IoT Coreからデバイスを選択します。

「コマンドを送信」をクリックします。

メッセージを入力して「コマンドを送信」をクリックします。

ターミナルに受信データが表示されるのが確認できます。

AT+QMTPUBEX=<client_idx>,<msgID >,<qos>,<retain>,"<topic>",<msg_length>

EC21-Jからクラウドへデータを送信します。
データ送信時には/devices/<デバイスID>/events というtopicへ Publishするように設定します。

client_idxはAT+QMTOPENで設定したのと同じ値を使用します。

msgID は1から65535のどれかの値を設定します。
ただし、qos=0の場合は、0に設定しないといけません。

qosはレベル0に設定します。

retainは0に設定します。送信に対してサーバーは応答を返しません。

msg_lengthは送信データの最大長さを設定します。

AT+QMTPUBEX=0,0,0,0,"/devices/MatsuiEC21J/events",10

最大でmsg_lengthで指定した長さのデータを送信できます。

もしくは以下のコマンドでもPublishできます。

AT+QMTPUB=0,0,0,0,"/devices/MatsuiEC21J/events"

データを入力後、Ctrl-Zで送信されます。

AT+QMTPUBEX=<client_idx>,<msgID >,<topic>/config,<qos>

あらかじめ設定したデータ、Configurationの読み出しが行えます。
データを読み出す場合にはsubscribeコマンドと類似した以下のコマンドを用います。

AT+QMTSUB=0,1,"/devices/MatsuiEC21J/config",0

このコマンドを実行すると、例えば以下のように設定したデータTestConfiguration,01234567890が受信できます。

AT+QMTSUB=0,1,"/devices/MatsuiEC21J/config",0
OK

+QMTSUB: 0,1,0,0

+QMTRECV: 0,0,"/devices/MatsuiEC21J/config","TestConfiguration,01234567890"

一度データを受信すると、コマンドを再送信してもデータ受信できないのでご注意ください。
Configurationのデータに更新があるか、一度サーバと切断して、再接続すると、コマンド送信によりデータを再受信できるようになります。

GCPのConfiguration設定は、IoT Coreでデバイスの「レジストリ詳細」を開き、「構成を編集」からデータ入力画面に進むことができます

AT+QMTDISC

以下のコマンドで終了します。

AT+QMTDISC=0

6.次にすること

これでMQTTに接続できていることは確認できました。本記事はここで終了とさせていただきます。
実際の応用、複数のデバイスからデータを収集し、サーバからデバイスを制御するなどは、今後試して記事にする予定です。

また、IoTは小さなデバイスに集約してこそ使い道があると思います。
今回のようにPCで制御するのではなく、EC21-Jをマイコンと接続して、UART通信で制御できるようにする予定です。
より安く、より小さく、より高機能なデバイスを作ることを目標としています。
これも実験結果を記事にする予定です。

参考

【作業メモ】GPSロガーの作成
- 本記事の続きとしてGPSロガーを作成しました。
SORACOM BeamによるGCPとのMQTT通信のプラットフォームバージョン「201912」対応についての覚書
- プラットフォームバージョン「201912」対応について、MQTTバージョンを3.11 に設定する方法を解説しています
【作業メモ】Quectel社のLTE通信モジュールEC21の使用方法
- LTE通信モジュールのATコマンドやGCPの設定について解説しています。

追記メモ

2021/07/19
- GCPでConfigurationに設定したデータを受信する方法を追加
- [AT+QMTPUBEX=<client_idx>,<msgID >,<topic>/config,<qos>](## AT+QMTPUBEX=<client_idx>,<msgID >,<topic>/config,<qos>)