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RとIoT
- 2. Contents • 初級 - mongodbに貯めたデータを読んでみる • 中級 - MQTTプロトコルでPublishされたデータを Subscribeして取得してみる • 上級 - R on Raspberry Piで、直接シリアル通信でデー タを受けてみる(未完) • 番外編 - ShinyからIoTガジェットを操作する
- 3. RとIoT ー 目的
- 4. Internet Of Things • IoT: Internet of Things, モノのインターネット • マイコンが付いていたものに、Wi-FiやBluetooth, 3G通信チッ プが付くようになり、ネットと情報の送受信ができるようになっ た • 様々な機器に搭載されているセンサーのデータを容易に集めら れるようになり、利用できるデータが爆発的に増大した • Rの機能なら、これらセンサーからの一次情報を直接リアルタ イムに収集分析できるかもしれない
- 5. IoTとR • Rはシングルスレッドなので、基本的にリアルタイム処理は 苦手 • ネットワーク経由でデータが少しずつ入ってくるのも苦手 • 一度他の方法でデータベースにデータを蓄積してから解析す る方が、、、 • でもやっぱりShinyを使いたい、とか、何でもRで完結しない と気がすまない、とか、ただ面白そうだからやってみたい、 という方の参考になれば。
- 6. RとIoT ー 方法
- 7. IoT機器はどのように通信をするか • マイコンが非力で電力も節約したいので、「軽い」処理であることが重要 • マイコンとセンサ間の通信は下記のようなものが使われる • シリアル通信 UART: Universal Asynchronous Receiver Transmitter 機 能を持ったマイコン • I2C(Inter-Integrated Circuit), SPI(Serial Peripheral Interface) : IC間での シリアル通信規格 • GPIO(General Purpose I/O): 汎用入出力ピン。そのまま1ビットの状態 を表すのに使っても良いし、シリアル通信のラインとして用いても良い
- 8. IoT機器はどのようにインターネット に情報を送信するか • 一旦マイコンでデータを受けてから、 • Bluetooth, BLE(Bluetooth Low Energy) + スマートフォン • Wi-Fi • 3G通信 • などの通信モジュール経由でデータをインターネット上に送 信する。Wi-Fi, 3Gモジュールは直接IPアドレスを持てるが、 BLE機器はスマートフォンのアプリ経由で通信する
- 9. 通信プロトコル • REST APIでHTTPで通信するものもあるが、HTTPはヘッダ の処理などが煩雑になり、マイコンでは扱いにくい • MQTT(MQ Telemetry Transport)はPublish/Subscribe型と呼 ばれる、あるPublisherクライアントが, サーバ(MQTT Brokerと呼ばれる)に情報を送信すると、同時に接続してい るSubscriberクライアントがその情報を受け取ることができ る、というプロトコルで、ヘッダも小さいのでIoT機器でよ くつかわれている
- 10. データフォーマット • シリアル通信などでは固定長データもまだまだ現役だが、 インターネット上のサーバに送信するときには、JSONが よく使われているようだ • マイコンには荷が重いためか、XMLはほとんど見かけな い • ファイル単位ではなく、行単位での情報送信となる場合 がほとんどであるためか、カンマ区切りのようなフォー マットもあまり見かけない
- 11. ストレージ • MQTT Broker自体はストレージとしての機能を持た ない（データを蓄積しない） • MQTTに載せて運ばれてきたJSONデータを MongoDB, RedisなどのKey-Valueストアにそのまま 格納するプログラムはいくつも存在する。
- 12. Rからのアプローチ 1. MQTT-mongoDBゲートウェイにより, mongoDB に蓄積したデータをRから読む 2. Rから直接MQTT Brokerにsubscribeして、送られ てきたデータを読む 3. Rを動かすマシンとセンサーを直接接続し、シリア ル通信, GPIO等でデータを読む
- 13. MQTT-MongoDB ゲートウェイ経由で IoT機器が送信するデータを読む • mongolite パッケージ • mongoDBの情報更新に伴って自動的に処理を呼び出し てくれるわけではないので、定期的にDBに最新X件の データを取りに行かなければならないが、mongoDBの クエリ sort={"$natural":-1 } を使うと最新X件 のデータだけを取り出せるので楽 • データフレームへの変換も自動
- 14. Rから直接MQTT Brokerにsubscribe して、送られてきたデータを読む • RMQTT みたいなパッケージがあるかなと思うと、まだ無いよ うだ • 幸い、ponte という node.js によるMQTT Broker実装は、 MQTTメッセージをHTTP RESTにブリッジしてくれる機能を内 包していたので、それを使えばRはHTTPだけしゃべれば良い: curl パッケージ • JSONデータは jsonlite パッケージでリスト/データフレーム化
- 15. Rを動かすマシンとセンサーを直接接続 し、シリアル通信, GPIO等でデータを読む • R tty connection patch なるものがR 2.12あたり向 けに公開されている。それでシリアル通信は可能っ ぽいが… • Raspberry Pi / BeagleBone / PCduino / Galileo / Edison / DragonBoard あたり向けにRをビルドする 環境を整える時間がなく未完 • 続きはいずれブログで
- 16. 使用したIoT機器 • ownTracks (Android/iOS アプリ) • 自分の場所(緯度経度)を MQTT Brokerに定期的 にPublishするアプリ
- 17. 使用したIoT機器 • Espruino + ESP8266 + BME280 • 温度・湿度・気圧センサチップのBME280 • シリアル通信で制御できるWi-Fiモジュール ESP8266 • JavaScriptでプログラムが書けるマイコン Espruino • これらをつなぎ、BME280からI2Cで読み取ったデータをWi-Fiで MQTT Brokerに飛ばす自作システム
- 18. 使用したIoT機器 • Hackey • Wi-Fi接続機能を持った 穴 • をかける/開けるとREST APIをコールできる • 先ほどのponte を経由するとMQTT BrokerにメッセージをPublishできる
- 19. RとIoT 結果
- 20. デモ
- 21. Shinyで表示するときのTips # reactiveValues()でReactive variableを宣言 myReact <- reactiveValues(wdf=data.frame()) # reactivePoll() で1000msごとのポーリングを設定。 # checkWeather()がponte からHTTPで最新の温度湿度気圧情報を取 得する関数 wdata <- reactivePoll(1000, session, checkWeather, checkWeather) # データが来ていたら、今までのデータにrbindで追加する observe({ myReact$wdf <- rbind(isolate(myReact$wdf), wdata()) })
- 22. RとIoT まとめ
- 23. Summary • IoT機器からMQTTで送信されるデータをRに取り込み、Shiny Webアプリ上で1秒程度の遅れで表示した。 • mongoDBゲートウェイ、HTTPゲートウェイを使うことでRから の直接のデータ取得が可能であったが、MQTTを直接Subscribe できるパッケージは現在のところないので、登場が待たれる • R単独でシリアル通信ができるようになると, TWE-Liteとか通信 経路をさらに広げられるはずだが、R 3.0以降へのパッチが出て いないので、こちらも欲しいところ
- 24. 参考文献 • ponte - HTTPゲートウェイ、mongoDBストレージ接続を備えた MQTT Broker • http://www.eclipse.org/ponte/ • tty patch for R 2.13 - Rから直接シリアル通信を行う機能を付加する パッチ • https://biostatmatt.com/code • がじぇろぐ - 製作日記的なもの • http://b.okadajp.org/