Funkkommunikation zwischen Raspberry Pi’s mittels MQTT Broker/Client

MQTT ist ein Protokoll, mit dem speziell Daten von Geräten aus dem Internet der Dinge versendet werden und wird von den meisten Mikrocontrollern und Systemen unterstützt. Um auf dem Raspberry Pi MQTT zu nutzen, ist nicht viel nötig, weshalb diese Übertragungsart sehr interessant ist. Darüber hinaus ist es wirklich einfach sie zu nutzen.

In diesem Tutorial installieren wir einen Raspberry Pi MQTT Broker, woraufhin wir Daten empfangen und versenden. Wir können entweder mehrere Raspberry Pi’s zum Testen nutzen oder eben auch nur ein einzelnes Gerät.

Zubehör

Dieses Tutorial funktioniert ohne viel zusätzliche Hardware. Allerdings musst du entweder mindestens ein Raspberry Pi 3 (alternativ ein Model Zero W) haben, oder aber einen Wlan Stick an dein Raspberry Pi anschließen, um MQTT nutzen zu können.

Auch andere Geräte wie ein ESP8266 können mittels MQTT kommunizieren. Dabei ist dies mit Raspberry Pi’s als auch anderen Geräten möglich. Auch für den NodeMCU gibt es vorgefertigte Pakete.

Was ist MQTT?

Einige werden sich vielleicht fragen, was MQTT überhaupt sein soll. Um die offizielle MQTT Seite zu zitieren:

MQTT is a machine-to-machine (M2M)/“Internet of Things“ connectivity protocol. It was designed as an extremely lightweight publish/subscribe messaging transport. It is useful for connections with remote locations where a small code footprint is required and/or network bandwidth is at a premium.

Es handelt sich also um ein standardisiertes Netzwerkprotokoll, mit dem kurze Nachrichten / Befehle übertragen werden können. Der große Vorteil besteht darin, dass die eingebauten Wifi Adapter (z.B. im Raspberry Pi oder im ESP8266) für die Internetverbindung genutzt werden. Mehr Zubehör und kompliziertes Verkabeln ist nicht nötig! So ist es möglich über das lokale Netzwerk oder das Internet die Daten zu senden.

Im Detail besteht die Übertragung aus drei verschiedenen Bestandteilen:

• Publisher: Sendet Nachrichten.
• Broker: Leitet Nachrichten an angemeldete Subscriber weiter (publish). Der Broker kann auch ein Subscriber bzw. Client sein
• Subscriber/Client: Empfängt Nachrichten über den Broker.

In unserem Fall ist also ein Raspberry Pi der Broker und Subscriber gleichzeitig. Der andere Pi ist lediglich Subscriber. Weitere Zusatzinfos findest du u.a. bei heise.

Raspberry Pi MQTT Server – Mosquitto installieren und testen

Es gibt verschiedene Anwendungen, mit denen über MQTT gesendet und empfangen werden kann, allerdings ist die einfachste auf dem Raspberry Pi wohl Mosquitto. Dies installieren wir zunächst auf dem Raspberry Pi:

sudo apt-get install -y mosquitto mosquitto-clients

Nach der Installation wird automatisch ein Mosquitto Server gestartet. Wir öffnen einen Subscriber im Kanal „test_channel“, der auf Nachrichten wartet:

mosquitto_sub -h localhost -v -t test_channel

Der Kanal ist hier quasi wie eine Frequenz, auf der zugehört wird. So können bspw. in verschiedenen Kanälen unterschiedliche Daten gesendet werden (z.B. zur Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Helligkeit, etc.).

Um nun einfach Daten zu übertragen können wir entweder den gleichen Raspberry Pi nutzen (neues Terminal / SSH Verbindung öffnen), oder aber von einem anderem Pi die Daten aus senden. Falls wir das gleiche Raspberry Pi nutzen ist die Benutzung ohne weiteres möglich. Dazu senden wir einfach eine Testnachricht (als Publisher) im gleichen Channel:

mosquitto_pub -h localhost -t test_channel -m "Hello Raspberry Pi"

Andernfalls musst du statt „localhost“ die interne IP Adresse (bspw. 192.168.1.5) des Empfängers angeben. Auf Empfänger Seite sollte soforn die Nachricht erscheinen.

Raspberry Pi MQTT Datenaustausch mit Python

Die Kommunikation ist super einfach, wie wir gesehen haben. Damit wir das ganze auch aus Skripten nutzen können, wollen wir es für Python verfügbar machen. Dazu installieren wir zunächst über den Python Paketmanager eine Bibliothek (für Python3 nutze ebenfalls pip3):

sudo pip install paho-mqtt

Alternativ (z.B. falls das Paket nicht ordnungsgemäß installiert werden konnte) kannst du es auch manuell installieren:

git clone https://github.com/eclipse/paho.mqtt.python.git
cd paho.mqtt.python
python setup.py install

Wir beginnen mit dem Empfänger. Dazu legen wir eine neue Datei mit dem Inhalt an:

sudo nano mqtt_subscriber.py

Nach dem Speichern und schließen (STRG+O, STRG+X) führen wir die Datei aus:

sudo python mqtt_subscriber.py

Entweder du schickst wie bisher auch wieder per Shell Befehl ein Kommando, oder aber wir erstellen ebenfalls einen Python Sender / Publisher.

Der Code des Publishers sieht folgendermaßen aus (erstelle dazu eine neue Datei und führe sie anschließend aus, beachte dabei die richtige IP Adresse):

Das wars! Nun kannst du die entsprechenden Teile in deine Skripte einbinden und damit MQTT Nachrichten von anderen Raspberry Pi’s empfangen oder an diese senden. Dies ist natürlich nicht nur auf Raspberry Pi’s beschränkt, denn die Nachrichten können auch von anderen Geräten kommen oder an diese addressiert werden.

Weitere Möglichkeiten zur Kommunikation von Raspberry Pi’s

MQTT ist natürlich bei weitem nicht die einzige Möglichkeit Daten auszutauschen. Hat man ein System mit eigenem OS wie z.B. Raspbian kann man mittels SSH Verbindungen aufbauen und bspw. über SCP Dateien senden. Dafür müssen die Geräte allerdings über eine Netzwerkverbindung verfügen.

Eine andere Möglichkeit ohne Internetverbindung sind normale Funksender und Empfänger. Hier ist z.B. die 433 MHz Funkübertragung sehr beliebt, da die Module sehr günstig zu haben sind und viele Geräte wie Funksteckdosen oder Garagentore damit kompatibel sind. Allerdings ist diese Übertragung auf 24 Bits beschränkt, was nicht sehr viel ist.

Mehr Daten pro Nachricht können mittels 2.4 GHz Funkübertragung gesendet werden. Diese Übertragung unterscheidet sich von MQTT, da extra Module verwendet werden. Allerdings ist es auch hiermit möglich bspw. Befehle oder Nachrichten an Arduinos zu senden.