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AIアクアリウム ラズピコ側の実装
最後にメインであるラズパイpico Wの実装を進めます。
ちなみに2025年8月現在の開発環境としては、
- エディタはcursor（コードはほとんどAIに書かせています）
- 言語はmicropython
- mpremoteで書き込み
としています。
プロジェクトの始め方、及びmpremoteを使ったREPLや書き込み方法はこちらを参照
ちなみに私はこれまでNodeRedやplatformioなどを試しましたが、やはりpythonが一番しっくりきます。
MQTT周りの実装
MQTTライブラリの追加
micropythonライブラリ群の「umqtt」を使います
umqtt.simpleとumqtt.robustがあり、simpleだけでも使えますが、robustのほうを使うと接続が切断した時に再接続を試みるなど不具合に対して強くなります。
libフォルダ下にumqttフォルダを作成し、robust.pyとsimple.pyをコピペしましょう。（mipでイントールできたらいいのですが、現在は対応していません）
├── lib
│ └── umqtt
│ ├── robust.py
│ └── simple.py
私の環境では、もとのコードをそのままコピペするだけでは動かなかったので少し編集必要でした。
robust.py
import utime
from . import simple
class MQTTClient(simple.MQTTClient):
DELAY = 2
DEBUG = False
def delay(self, i):
utime.sleep(self.DELAY)
def log(self, in_reconnect, e):
if self.DEBUG:
if in_reconnect:
print("mqtt reconnect: %r" % e)
else:
print("mqtt: %r" % e)
def reconnect(self):
i = 0
while 1:
try:
return super().connect(False)
except OSError as e:
self.log(True, e)
i += 1
self.delay(i)
def publish(self, topic, msg, retain=False, qos=0):
while 1:
try:
return super().publish(topic, msg, retain, qos)
except OSError as e:
self.log(False, e)
self.reconnect()
def wait_msg(self):
while 1:
try:
return super().wait_msg()
except OSError as e:
self.log(False, e)
self.reconnect()
# ... existing code ...
simple.py
import usocket as socket
import ustruct as struct
from ubinascii import hexlify
class MQTTException(Exception):
pass
class MQTTClient:
def __init__(self, client_id, server, port=0, user=None, password=None, keepalive=0,
ssl=False, ssl_params={}):
if port == 0:
port = 8883 if ssl else 1883
self.client_id = client_id
self.sock = None
self.server = server
self.port = port
self.ssl = ssl
self.ssl_params = ssl_params
self.pid = 0
self.cb = None
self.user = user
self.pswd = password
self.keepalive = keepalive
self.lw_topic = None
self.lw_msg = None
self.lw_qos = 0
self.lw_retain = False
def _send_str(self, s):
self.sock.write(struct.pack("!H", len(s)))
self.sock.write(s)
def _recv_len(self):
n = 0
sh = 0
while 1:
b = self.sock.read(1)[0]
n |= (b & 0x7f) << sh
if not b & 0x80:
return n
sh += 7
def set_callback(self, f):
self.cb = f
def set_last_will(self, topic, msg, retain=False, qos=0):
assert 0 <= qos <= 2
assert topic
self.lw_topic = topic
self.lw_msg = msg
self.lw_qos = qos
self.lw_retain = retain
def connect(self, clean_session=True):
self.sock = socket.socket()
addr = socket.getaddrinfo(self.server, self.port)[0][-1]
self.sock.connect(addr)
if self.ssl:
import ussl
self.sock = ussl.wrap_socket(self.sock, **self.ssl_params)
premsg = bytearray(b"\x10\0\0\0\0\0")
msg = bytearray(b"\x04MQTT\x04\x02\0\0")
sz = 10 + 2 + len(self.client_id)
msg[6] = clean_session << 1
if self.user is not None:
sz += 2 + len(self.user) + 2 + len(self.pswd)
msg[6] |= 0xC0
if self.keepalive:
assert self.keepalive < 65536
msg[7] |= self.keepalive >> 8
msg[8] |= self.keepalive & 0x00FF
if self.lw_topic:
sz += 2 + len(self.lw_topic) + 2 + len(self.lw_msg)
msg[6] |= 0x4 | (self.lw_qos & 0x1) << 3 | (self.lw_qos & 0x2) << 3
msg[6] |= self.lw_retain << 5
i = 1
while sz > 0x7f:
premsg[i] = (sz & 0x7f) | 0x80
sz >>= 7
i += 1
premsg[i] = sz
self.sock.write(premsg, i + 2)
self.sock.write(msg)
self._send_str(self.client_id)
if self.lw_topic:
self._send_str(self.lw_topic)
self._send_str(self.lw_msg)
if self.user is not None:
self._send_str(self.user)
self._send_str(self.pswd)
resp = self.sock.read(4)
assert resp[0] == 0x20 and resp[1] == 0x02
if resp[3] != 0:
raise MQTTException(resp[3])
return resp[2] & 1
def disconnect(self):
self.sock.write(b"\xe0\0")
self.sock.close()
def ping(self):
self.sock.write(b"\xc0\0")
def publish(self, topic, msg, retain=False, qos=0):
pkt = bytearray(b"\x30\0\0\0")
pkt[0] |= qos << 1 | retain
sz = 2 + len(topic) + len(msg)
if qos > 0:
sz += 2
assert sz < 2097152
i = 1
while sz > 0x7f:
pkt[i] = (sz & 0x7f) | 0x80
sz >>= 7
i += 1
pkt[i] = sz
self.sock.write(pkt, i + 1)
self._send_str(topic)
if qos > 0:
self.pid += 1
pid = self.pid
struct.pack_into("!H", pkt, 0, pid)
self.sock.write(pkt, 2)
self.sock.write(msg)
if qos == 1:
while 1:
op = self.wait_msg()
if op == 0x40:
sz = self.sock.read(1)
assert sz == b"\x02"
rcv_pid = self.sock.read(2)
rcv_pid = rcv_pid[0] << 8 | rcv_pid[1]
if pid == rcv_pid:
return
elif qos == 2:
assert 0
def subscribe(self, topic, qos=0):
assert self.cb is not None, "Subscribe callback is not set"
pkt = bytearray(b"\x82\0\0\0")
self.pid += 1
struct.pack_into("!BH", pkt, 1, 2 + 2 + len(topic) + 1, self.pid)
self.sock.write(pkt)
self._send_str(topic)
self.sock.write(qos.to_bytes(1, "little"))
while 1:
op = self.wait_msg()
if op == 0x90:
resp = self.sock.read(4)
assert resp[1] == pkt[2] and resp[2] == pkt[3]
if resp[3] == 0x80:
raise MQTTException(resp[3])
return
def wait_msg(self):
res = self.sock.read(1)
self.sock.setblocking(True)
if res is None:
return None
if res == b"":
raise OSError(-1)
if res == b"\xd0": # PINGRESP
sz = self.sock.read(1)[0]
assert sz == 0
return None
op = res[0]
if op & 0xf0 != 0x30:
return op
sz = self._recv_len()
topic_len = self.sock.read(2)
topic_len = (topic_len[0] << 8) | topic_len[1]
topic = self.sock.read(topic_len)
sz -= topic_len + 2
if op & 6:
pid = self.sock.read(2)
pid = pid[0] << 8 | pid[1]
sz -= 2
msg = self.sock.read(sz)
self.cb(topic, msg)
if op & 6 == 2:
pkt = bytearray(b"\x40\x02\0\0")
struct.pack_into("!H", pkt, 2, pid)
self.sock.write(pkt)
elif op & 6 == 4:
assert 0
def publish(self, topic, msg, retain=False, qos=0):
pkt = bytearray(b"\x30\0\0\0")
pkt[0] |= qos << 1 | retain
sz = 2 + len(topic) + len(msg)
if qos > 0:
sz += 2
assert sz < 2097152
i = 1
while sz > 0x7f:
pkt[i] = (sz & 0x7f) | 0x80
sz >>= 7
i += 1
pkt[i] = sz
self.sock.write(pkt, i + 1)
self._send_str(topic)
if qos > 0:
self.pid += 1
pid = self.pid
struct.pack_into("!H", pkt, 0, pid)
self.sock.write(pkt, 2)
self.sock.write(msg)
if qos == 1:
while 1:
op = self.wait_msg()
if op == 0x40:
sz = self.sock.read(1)
assert sz == b"\x02"
rcv_pid = self.sock.read(2)
rcv_pid = rcv_pid[0] << 8 | rcv_pid[1]
if pid == rcv_pid:
return
elif qos == 2:
assert 0
def subscribe(self, topic, qos=0):
assert self.cb is not None, "Subscribe callback is not set"
pkt = bytearray(b"\x82\0\0\0")
self.pid += 1
struct.pack_into("!BH", pkt, 1, 2 + 2 + len(topic) + 1, self.pid)
self.sock.write(pkt)
self._send_str(topic)
self.sock.write(qos.to_bytes(1, "little"))
while 1:
op = self.wait_msg()
if op == 0x90:
resp = self.sock.read(4)
assert resp[1] == pkt[2] and resp[2] == pkt[3]
if resp[3] == 0x80:
raise MQTTException(resp[3])
return
def wait_msg(self):
res = self.sock.read(1)
self.sock.setblocking(True)
if res is None:
return None
if res == b"":
raise OSError(-1)
if res == b"\xd0": # PINGRESP
sz = self.sock.read(1)[0]
assert sz == 0
return None
op = res[0]
if op & 0xf0 != 0x30:
return op
sz = self._recv_len()
topic_len = self.sock.read(2)
topic_len = (topic_len[0] << 8) | topic_len[1]
topic = self.sock.read(topic_len)
sz -= topic_len + 2
if op & 6:
pid = self.sock.read(2)
pid = pid[0] << 8 | pid[1]
sz -= 2
msg = self.sock.read(sz)
self.cb(topic, msg)
if op & 6 == 2:
pkt = bytearray(b"\x40\x02\0\0")
struct.pack_into("!H", pkt, 2, pid)
self.sock.write(pkt)
elif op & 6 == 4:
assert 0
# def check_msg(self):
# import uerrno
# self.sock.setblocking(False)
# try:
# return self.wait_msg()
# except OSError as e:
# if e.args and e.args[0] in (-11, getattr(uerrno, 'EAGAIN', -1)):
# return None
# raise
# finally:
# self.sock.setblocking(True)
main.pyでMQTT動作確認
以下のコードで動作します。
from lib.umqtt.robust import MQTTClient
MQTT_BROKER = "electrium.cloud.shiftr.io" # MQTTブローカー名
MQTT_PORT = 1883
MQTT_USER = "electrium" # MQTTインスタンス名
MQTT_PASSWORD = "************" # Tokenで作成した時に設定したSecret
MQTT_CLIENT_ID = "raspico1" # MQTTインスタンス内で重複しない名前をつける。デバイス名にすると良い
# 事前にWiFi接続を確立しておくこと
# MQTT接続
client = MQTTClient(MQTT_CLIENT_ID, MQTT_BROKER, MQTT_PORT, MQTT_USER, MQTT_PASSWORD)
client.connect()
print("MQTT接続成功")
# サブスクライブ
def subscribe_message(client):
def on_message(topic: bytes, message: bytes):
topic_str = topic.decode('utf-8')
message_str = message.decode('utf-8')
print(f"topic:{topic_str}, message:{message_str}")
client.set_callback(on_message)
client.subscribe(f"+/{MQTT_CLIENT_ID}/+")
while True:
client.wait_msg()
# パブリッシュ
def publish_message(client:MQTTClient)
count = 1
while True:
client.publish(f"respond/{MQTT_CLIENT_ID}/temperature",str(count))
count += 1
utime.sleep(1)
def main():
# サブスレッドでは、定期実行するアクションを実行する。
_thread.start_new_thread(publish_message, (client,))
# メインスレッドではMQTTからのメッセージをサブスクライブし、命令を実行する。
subscribe_message(client)
main()
ちょっとした注意点としては、MQTTにパブリッシュやサブスクライブするするデータ（payloadと呼ばれます）は文字列のみです。
jsonデコードや数値、boolへの変換は適宜行ってください。
ラズパイpicoはスレッドを2つまで実行できるので、メインスレッドでMQTTからのメッセージをサブスクライブ、サブスレッドで定期実行するアクションを実行するようにしています。
asyncioでも実装できそうですが、コードの可読性を優先して2スレッド進行設計にしました。
この辺は開発を進めていく中で調整していこうと思います。
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