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Tech

Custom IoT Agent による sakura.io と FIWARE システムの連携

さくらインターネットが提供する IoT プラットフォームサービス 「sakura.io」を利用して、IoT デバイスから温湿度情報を取得し、FIWARE Orion のエンティティ情報を更新する「デジタルツイン・システム」を構築する方法を紹介します。

sakura.io と FIWARE システムの連携には、Custom IoT Agent for skaura.io を使用します。これは、sakura.io WebSocket API と NGSI の間をブリッジする、Generic Enabler です。UltraLight ベースのメッセージを、sakura.io channels にラッピングし、WebSocket を使用して、両システム間で交換します。

前提条件

次の環境が必要となります。

  • Raspberry Pi
  • sakura.io モジュール (LTE)
  • sakura.io HAT for Raspberry Pi
  • 環境センサ Enviro for Raspberry Pi (Pimoroni)
  • サーバ環境
  • docker, git, curl, make コマンド等

Raspberry Pi の種類は、Raspberry Pi WH, 3, 4 等です。sakura.io モジュールと sakura.io HAT for Raspberry Pi は、秋月電子通商や Amazon.co.jp 等から購入できるようです。環境センサの Enviro は、発売元の Pimoroni から購入するか、国内では秋月電子通商、スイッチサイエンス等から購入できるようです。

ソースコード

使用するソースコードは、Github の https://github.com/lets-fiware/lets-fiware.tutorials から入手できます。git コマンドで、リポジトリをクローンして、”sakuraio” ディレクトリに移動してください。

git clone https://github.com/lets-fiware/lets-fiware.tutorials.git
cd ./sakuraio

  • IoT デバイス関連のソースコード: ./sakuraio/iot-devcie-ultralight
  • サーバ関連のソースコード: ./sakuraio/iotagent-sakuraio

Custom IoT Agent for sakura.io のソースコードは、https://github.com/lets-fiware/custom-iotagent-sakuraio から入手できます。

システム構成

センサ・データを FIWARE Orion に送信するため、sakura.io が提供する通信モジュール、通信環境、連携処理を利用します。システムは、通信モジュールを搭載した IoT デバイス、クラウドにある sakura.io プラットフォーム、および、FIWARE プラットフォームで構成されます。FIWARE プラットフォームには、sakura.io から Orion へのデータ送信を仲介する Custom IoT Agent for sakura.io があります。

FIWARE IoT Device の作成

ハードウェア

FIWARE IoT Device には、Raspberry Pi を使用します。これに、sakura.io モジュール (LTE), sakura.io HAT for Raspberry Pi および、環境センサ Enviro for Raspberry Pi を接続します。以下の写真は これら部品のRaspberry Pi 4 への搭載例です。

ソフトウェア

Python で記述されたプログラムで、一定間隔でセンサから温湿度、気圧の値を取得し、通信モジュールを制御して、UltraLight 形式のデータを sakura.io プラットフォームへ送信します。環境センサおよび通信モジュールの制御には、I2C インタフェースを使用します。ソースコードは、クローンしたリポジトリの “./sakuraio/iot-devcie-ultralight” にあり、ファイル名は、”sakuraio-i2c.py” です。

プログラム全体

プログラムの実行環境

OS 環境

プログラムは、Raspberry Pi OS または Ubuntu 18.04.4 LTS で実行できます。動作確認した環境は以下の通りです。また、sakura.io モジュールと環境センサの制御に I2C インタフェースを使用しますので、インタフェースを有効化してください。

Raspberry Pi OS (32bit)

Ubuntu 18.04.4 LTS  (64bit)

OS 上で実行

プログラムを OS 上でダイレクトに実行する場合、Python ライブラリをインストールします。

関連するライブラリをインストール後に、以下のコマンドでプログラムを起動できます。

sudo python3 sakuraio-i2c.py

Docker コンテナで実行

Docker コンテナ内でプログラムを実行することもできます。コンテナ・イメージの作成は、”make build” で、実行は、”make run” です。詳細は、”./sakuraio/iot-devcie” にある、Dokcerfile と Makefile を参照ください。

コマンド 説明
make build コンテナ・イメージを作成
make run コンテナを起動
make stop コンテナを提示
make rm コンテナを削除
make logs コンテナのログを表示

sakura.io 連携設定

WebSocket 連携サービスの設定

sakura.io のコントロールパネルにログインして、連携サービスの設定を行います。使用する連携サービス名は WebSocket です。任意の名前で WebSocket を作成すると、WebSocket の URL が生成されます。この値を Custom Iot Agent for sakura.io の環境設定で使用します。

サーバ環境の作成

FIWARE システムは、sakura.io からデータ取得に連携サービスの WebSocket 連携サービスを使用します。WebSocket とは、RFC 6455 で定義された通信プロトコルで、HTTP を使用して双方向通信を行うことができます。Custom IoT Agent for sakura.io が WebSocket クライアントとなり、WebSocket サーバの sakura.io にコネクションを張ることで、センサ・データを sakura.ioから受信します。

サーバでは次の3つのコンポーネントを実行します。

  • Orion Context Broker : コンテキスト管理
  • MongoDB: Orion のバックエンド DB
  • Custom IoT Agent for sakura.io: WebSocket クライアントとして動作。sakura.io からデータを受信し、Orion のエンティティを更新

Docker 環境

docker-compose ファイル

Orion, MongoDB, NGSI Adapter for sakura.io は、Docker コンテナを利用して、サーバ上にデプロイします。クローンしたリポジトリの “./sakuraio/ngsi-adapter-websocket” に、docker-compose.yml ファイルがあります。SAKURA_IO_WEBSOCKET には、sakura.io 連携設定で生成された WebSocket の URL を設定してください。

環境変数 設定値
IOTA_WEBSOCKET WebSocket サーバの URL

Docker コンテナの起動

設定が完了したら、次のコマンドで、Docker コンテナを起動します。これで一連のコンテナが実行されます。初回起動時は、Docker Hub からコンテナ・イメージをプルするため、起動が完了するまで数分かかかります。

docker-compose up -d

システムの実行

サーバ環境の起動

サーバ環境で、docker-compose を使って一連のコンテナを起動します。 “./sakuraio/ngsi-adapter-websocket” ディレクトリに移動して、次のコマンドを実行します。初回起動時に、コンテナ・イメージを Docker Hub からダウンロードするため、起動が完了するまで時間がかかる場合があります。

docker-compose up -d

次のようなメッセージが表示されます。

次のコマンドを実行して、3つのコンテナが正常に起動したことを確認します。

docker-compose ps

次のようなメッセージを確認できるはずです。

環境環境の設定

Orion の URL と IoT Agent の IP アドレスを設定します。これらが起動しているサーバの IP アドレスを 192.168.1.1 を仮定すると次のように設定します。IP アドレスは環境に応じて変更してください。

export ORION_URL=http://192.168.1.1:1026
export IOTA_IP=192.168.1.1

正常性の確認

IoT Agent のバージョン取得を実行して、正しくデプロイされたことを確認してください。IoT Agent の場合、以下のクエリで正常性を確認できます。

GET /iot/about

‘./sakuraio/iotagent-sakuraio’ のディレクトリにある、次のコマンドを実行して、レスポンスが返ってくることを確認してください。

./00_iotagentVersion

結果

デバイスの接続

デバイスをIoT Agent に登録します。このため、最初にサービス・グループをプロビジョニングし、次にデバイスをプロビジョニングします。登録に必要なスクリプトは、’./sakuraio/iotagent-sakuraio’ のディレクトリにあります。

通信モジュール IDの登録

IoT Agent に接続するデバイスの通信モジュール ID を環境変数に登録します。

export DEVICE_ID=xCr8vqsJ0Zbe

サービス・グループのプロビジョニング

次のようなクエリを IoT Agent の ポート 4041 に POST することで、サービス・グループのプロビジョニングができます。

次のコマンドを実行して、サービス・グループをプロビジョニングしてください。正常に実行できると、201 Created のステータス・コードが返されます。

./01_createService

次のコマンドを実行すると、プロビジョニングされたサービス・グループの一覧を表示できます。

./02_listServiceGroup

結果

デバイスのプロビジョニング

次のようなクエリで、動的な属性値として、温度、湿度、気圧、取得時刻を、静的な属性値として位置情報をもつデバイスとして、Ultralight 2.0 対応デバイスをプロビジョニングします。

次のコマンドを実行して、Ultralight 2.0 対応デバイスをプロビジョニングしてください。正常に実行できると、201 Created のステータス・コードが返されます。

./11_deviceProvisioning

次のコマンドを実行すると、プロビジョニングされたデバイスの一覧を表示できます。

./12.list_device.sh

結果

IoT デバイスの起動

Raspberry Pi で “./sakuraio/iot-devcie” ディレクトリに移動して Python のプログラムを起動します。

OS上で実行

次のコマンドを実行すると、プログラムが起動して、コンソールにメッセージが表示されます。

sudo python3 sakuraio-i2c.py

Docker コンテナで実行

次のコマンドを実行して、コンテナを起動します。

make run

メッセージは次のコマンドで表示できます。

make logs

実行結果

次のようなメッセージが表示されます。”Connected” は、IoT デバイスが sakura.io に接続したことを示し、”Send Data” は、センサ・データを sakura.io に送信したことを示します。プログラムは60秒毎にセンサ・データを送信します。そのたびに、”Send Data” のメッセージが表示されます。

エンティティの確認

サーバ環境で、Orion にアクセスしてエンティティ情報を確認してみます。次のコマンドで、エンティティ情報を取得できます。

curl -sS -H ‘FIWARE-Service: openiot’ -H ‘FIWARE-ServicePath: /sakuraio’ localhost:1026/v2/entities

実行結果

実行結果は次の通りです。このような情報を取得できれば、エンティティ情報を正しく更新できています。エンティティの id 属性値は、”urn:ngsi-ld:Device:xCr8vqsJ0Zbe” で、末尾の “xCr8vqsJ0Zbe” は通信モジュールの ID です。

環境設定のクリーンアップ

デバイス用コンテナの停止

Raspberry Pi の ‘./sakuraio/iot-devcie-ultralight’ のディレクトリで、次のコマンドを実行することで、デバイス用コンテナを停止できます。

make stop;make rm

デバイスの削除

次のコマンドで、Iot Agent にプロビジョニングしたデバイスを削除できます。

./13_deleteDevice

サービス・グループの削除

次のコマンドで、Iot Agent にプロビジョニングしたサービス・グループを削除できます。

./03_deleteServiceGroup

エンティティの削除

次のコマンドで、Orion にあるデバイスのエンティティを削除できます。

./22_deleteEntity

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