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ESP-WROOM-02搭載移動ロボット - MQTT制御編

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はじめに

ESP-WROOM-02搭載移動ロボットをMQTTで制御する - ハード編」の続きです。今回は前回作成したESP-WROOM-02搭載移動ロボットをMQTTを用いて制御します。

MQTTとは

MQTTはIBMとEurotechが1999年に開発し、標準化された通信プロトコルです。
IBMの「MQTT プロトコル」ではMQTTプロトコルを以下のように説明されています

IBM® MQ Telemetry Transport (MQTT) v3 プロトコルは、低帯域幅または高コスト接続を使用する小型デバイス間のメッセージ交換用に設計されており、メッセージを確実に送信することを目的としています。 TCP/IP を使用します。

主な特徴

  • 通信データ量が小さい
  • 消費電力や計算スペックが小さい
  • Pub/Sub型通信
  • QoS(到達保証)

MQTTの実用例

  • IoTサービス
  • 油田パイプラインの監視のための、衛星との通信
  • ロボットの遠隔操作
  • 自動車同士(V2V)、自動車とスマホアプリの通信
  • 医療機器の通信

実装

Arduino IDEを用いて移動ロボットにプログラムを書き込みます。

Arduino Client for MQTT のインストール

Arduino IDEにMQTTのライブラリをインストールします。

はじめに以下のリンクからzipをダウンロードします。(7/17時点ではv2.8が最新)

https://github.com/knolleary/pubsubclient/releases/latest

ダウンロードが完了したら Arduino IDE を起動
スケッチライブラリをインクルード.ZIP形式のライブラリをインクルードから先ほどダウンロードしたzipを選択

インストール完了

MQTTを用いた制御プログラム

以下のコードを参考にしました

https://github.com/knolleary/pubsubclient/blob/master/examples/mqtt_esp8266/mqtt_esp8266.ino

Subscribeで受け取ったメッセージの値に従って、コールバック関数でモーターを制御するディジタルピンの出力を変化させています。

以下のコードでsubscribeするトピックは/rover/001、メッセージと制御の対応関係は以下の表に従います。

メッセージ 動作
1 前進
2 右回転
3 左回転
4 後退
5 停止

以下のコードをESP-WROOM-02に書き込みます。

https://github.com/yakiimo121/rover_mqtt

ssidpasswordは自分の環境にあったものを、mqtt_serverは後述するMQTT Brokerを起動させるサーバーのIPを記入してください。

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>

// Update these with HIGHs suitable for your network.

const char* ssid = "***";
const char* password = "***";
const char* mqtt_server = "***";

WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);
unsigned long lastMsg = 0;
#define MSG_BUFFER_SIZE  (50)
char msg[MSG_BUFFER_SIZE];

void setup_wifi() {

  delay(10);
  // We start by connecting to a WiFi network
  Serial.println();
  Serial.print("Connecting to ");
  Serial.println(ssid);

  WiFi.mode(WIFI_STA);
  WiFi.begin(ssid, password);

  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }

  randomSeed(micros());

  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi connected");
  Serial.println("IP address: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}

void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  Serial.print("Message arrived [");
  Serial.print(topic);
  Serial.print("] ");
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  Serial.println();

  if ((char)payload[0] == '1') {
    // forward
    digitalWrite(4,0); 
    digitalWrite(5,0); 
    digitalWrite(12, HIGH); 
    digitalWrite(13, HIGH);
  } else if ((char)payload[0] == '2') {
    // turn right
    digitalWrite(4,0); 
    digitalWrite(5,HIGH); 
    digitalWrite(12,0); 
    digitalWrite(13,HIGH);  
  } else if ((char)payload[0] == '3') {
    // turn left
    digitalWrite(4,HIGH); 
    digitalWrite(5,0); 
    digitalWrite(12,HIGH); 
    digitalWrite(13,0);  
  } else if ((char)payload[0] == '4') {
    // backward
    digitalWrite(4,HIGH); 
    digitalWrite(5,HIGH); 
    digitalWrite(12,0); 
    digitalWrite(13,0);  
  } else if ((char)payload[0] == '5') {
    // stop
    digitalWrite(4,0); 
    digitalWrite(5,0); 
    digitalWrite(12,0); 
    digitalWrite(13,0);  
  }
}

void reconnect() {
  // Loop until we're reconnected
  while (!client.connected()) {
    Serial.print("Attempting MQTT connection...");
    // Create a random client ID
    String clientId = "ESP8266Client-";
    clientId += String(random(0xffff), HEX);
    // Attempt to connect
    if (client.connect(clientId.c_str())) {
      Serial.println("connected");
      client.subscribe("/rover/001");
    } else {
      Serial.print("failed, rc=");
      Serial.print(client.state());
      Serial.println(" try again in 5 seconds");
      // Wait 5 seconds before retrying
      delay(5000);
    }
  }
}

void setup() {
  pinMode(4, OUTPUT);
  pinMode(5, OUTPUT);
  pinMode(12, OUTPUT);
  pinMode(13, OUTPUT);
  digitalWrite(4,0); 
  digitalWrite(5,0); 
  digitalWrite(12,0); 
  digitalWrite(13,0);  
  
  Serial.begin(115200);
  setup_wifi();
  client.setServer(mqtt_server, 1883);
  client.setCallback(callback);
}

void loop() {

  if (!client.connected()) {
    reconnect();
  }
  client.loop();

}

以上で移動ロボット側の準備は完了です。

動作確認

ここでは移動ロボットにMQTTでメッセージを送り、実際に制御します。
そのためにはMQTT Brokerとメッセージをpublishするクライアントを用意する必要があります。

環境

Windows 10 Home
Arduino IDE 1.8.14
Ubuntu 18.04 (WSL)

MQTT Brokerのインストール

MQTTのブローカーには様々な種類がありますが、今回は簡単に試せるmosquittoを使用します。

sudo apt update
sudo apt install mosquitto

MQTT Client(コマンドラインツール)のインストール

sudo apt install mosquitto-clients

実行

MQTT Brokerを起動

mosquitto

/rover/001のトピックにメッセージをpublish
前進させる場合、メッセージは'1'

mosquitto_pub -h <サーバーのIP> -t /rover/001 -m <メッセージ>

移動ロボットがメッセージの通りに動けば成功です。

https://twitter.com/yakiimo121/status/1405368132525428740?s=20

まとめ

今回は「ESP-WROOM-02搭載移動ロボットをMQTTで制御する - ハード編」で作成した移動ロボットをMQTTを用いて制御しました。
Arduino用のMQTTライブラリや、MQTT BrokerやMQTT clientを試すためのツールが事前に用意されていたため、実装は非常に簡単でした。

参考