Azure連携(5)：Azure FunctionsからデバイスへのMQTT送信(C#)

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この記事は PLCnext Control に限らず一般的なパソコン等にも適用可能です。

前回までは、エッジデバイスから送信されたデータを Azure のクラウド側で受信して処理するところまでを解説しました。

クラウド上で処理したデータをエッジデバイスに対して送信することが出来れば、エッジデバイス←→クラウド←→別のエッジデバイス間で自在に処理結果の交換が出来るようになります。

今回は、Azure のクラウド側からエッジデバイスへ向けて MQTT でデータを送信する方法を紹介します。

Azure IoT Hub へデータ受信側デバイスを登録

デバイスの(追加)登録

クラウドか送られたデータを受信する側となるデバイスを、Azure IoT Hub へ登録します。

手順は、以下のリンクを参考にしてください。
[リンク]　PLCnext コントローラ-クラウド間データ転送実験の準備：Azure IoT Hubの設定

もし「Azure連携(2)：デバイスからIoT HubへのMQTT送信(Python)」の「Azure アカウントの作成と IoT Hub サービスの設定 (デバイス登録)」の手順を実行済で、クラウドへデータを送信するためのデバイスを Azure IoT Hub 上へ登録済だったとしても、それとは別に新しいデバイスを追加で登録する必要があります。

Azure IoT Hub 上に登録されるデバイスの情報に「送信用」「受信用」といった属性があるわけではありません。登録したデバイスをどちらの用途に使うかは、その後のプログラミング次第です。

デバイスを追加登録する理由

ここで、なぜ改めてデータ受信側のデバイスを追加で登録する必要があるのかについて疑問に思われるかも知れません。前回までの記事では、クラウドへデータを送信するためのデバイスを IoT Hub に登録済みでした。そのため、クラウドから送られたデータを受信するエッジデバイスが送信用デバイスと同じ個体であるなら、その登録済みデバイスに対してデータを送れば良いと考えられるからです。

確かにそのようにプログラムを組んで動作させることは問題なく出来ますが、注意点があるため、「Azure連携(1)：クラウド-デバイス間のMQTTによるデータ交換」の記事で使用した「Azure による具体的なシステム構成」の図を使って説明します。

図では Azure IoT Hub サービスへデータを送信する「センサデータ送信用デバイス」と Azure IoT Hub サービスからデータを受信する「警報判定結果受信用デバイス」が、Azure IoT Hub サービス上に別々に登録されており、それぞれが別個体の物理的なエッジデバイスに対応しています。

これは、Azure IoT Hub 上のデバイスに接続できる MQTT Client は 1 つだけであり、複数の MQTT Client が接続を行った場合は後から接続された Client が優先されるというルールがあるためです。

上記の図の例の場合、「センサデータ送信用デバイス」に対して接続を行っている MQTT Client は「データ送信用」PLCnext Control のみであり、「警報判定結果受信用デバイス」に対して接続を行っている MQTT Client は「データ送信用」PLCnext Control のみであるため、問題なく送受信処理を行うことが出来ます。

当記事では、なるべく単純な形で技術をご紹介する目的で Azure IoT Hub 上のデバイスを複数個作成しています。

もし物理エッジデバイスが1つしか存在せず、その物理エッジデバイスがクラウドに対する送信と受信の両方を行う場合、プログラミング上の注意が必要です。

Azure IoT Hub 上のデバイスに対する接続が1個であり、それを用いて送信・受信を行う場合、問題はありません。

一つの物理エッジデバイスの中でAzure IoT Hub 上のデバイスに対する接続をそれぞれ一つずつ作成した場合も、問題ありません。

一方、Azure IoT Hub 上のデバイスに対して同時に二つ以上の接続を作成すると、意図した通りには動作しません。

物理エッジデバイスが複数個存在し、それらが Azure IoT Hub 上の同一のデバイスへ接続を行った場合も、同様の不具合が発生します。

2024年12月4日の記事公開時点では、デバイスを追加登録する理由の解説に誤りがございました。読者の皆様に混乱を招きましたことを深くお詫び申し上げます。
誤 (概要)：「IoT Hub 上のデバイスが送信用・受信用両方のリンクを同時に管理できないため」
正 (概要)：「IoT Hub 上のデバイスは、複数の MQTT クライアントからの接続を同時に管理できないため」
2024年12月26日付で更新しております。今後も正確でわかりやすい情報提供に努めてまいりますので、引き続きご愛読のほどよろしくお願い申し上げます。

基本編：http トリガー関数でクラウドから単純な文字列データ送信

まずは最もシンプルな形で、単純な文字列データをクラウドからエッジデバイスへ向けて送信するプログラムを、http トリガー関数の形で作成してみましょう。

当記事では、クラウドから送信されたデータを PC 上の Azure CLI ツールの機能を用いて確認します。そのため、まだ専用の受信用エッジデバイスを用意する必要はありません。
受信用エッジデバイス側での受信プログラムの書き方は、次回の記事でご紹介します。

http トリガー関数のひな形作成

前回記事内の「簡単なHTTPトリガー関数を作成」項目を参照して、http トリガー関数を作成してください。
（「ローカルでの動作確認」項目やそれ以降の手順は、まだ行わなくて大丈夫です。）

Microsoft.Azure.Devices ライブラリをプロジェクトへ追加

作成した関数内からMQTTによる送信を行うには、Microsoft.Azure.Devices ライブラリが必要です。

Visual Studio Code 上で NuGet を用いてライブラリをプロジェクトへ追加してください。
（Visual Studio Code へ NuGet をインストール方法については、前回記事の「拡張機能 Nuget Package Manager のインストール」項目をご参照ください。）

MQTT送信に関するコードの追加

次の手順で MQTT 送信に関するコードを HttpTrigger1 クラス内に追加します。

IoT Hub サービスへの接続文字列を取得

クラウドからの MQTT 送信では、IoT Hub サービスへのサービス接続を介して MQTT による送信を実行します。

そのためにまず、IoT Hub サービスへのプライマリ接続文字列を取得します。

以前の記事 (Azure連携(2)：デバイスからIoT HubへのMQTT送信(Python)) では、エッジデバイスからクラウドへ MQTT 送信を行う際にデバイスのプライマリ接続文字列を使用していました。
一方、今回のクラウドからエッジデバイスへのMQTT送信では、サービスのプライマリ接続文字列を使用します。
この二つは目的が異なる物なので注意してください。
接続文字列の種類が違うため、使用するライブラリも呼び出すメソッドも異なります。

サービスへの接続とMQTT送信の処理を追加

using Microsoft.Azure.Devices;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks; // コード内に見当たらない場合は追加してください。

// デバイスへのメッセージ送信用オブジェクト
static ServiceClient serviceClient;
// IoT-Hub の共有アクセスポリシーから取得したサービス用プライマリ接続文字列を "***" の部分へ記述してください。
static string serviceConnectionString = "*********************";

private static async Task SendMessageToDevice(string devname, string msg, ILogger log)
{
    try
    {
        serviceClient = ServiceClient.CreateFromConnectionString(serviceConnectionString);
        SendCloudToDeviceMessageAsync(devname, msg).Wait();
    }
    catch (Exception e)
    {
        log.LogInformation("Connect Error!![" + e.StackTrace + "]\n");
    }
    return;
}
 
private async static Task SendCloudToDeviceMessageAsync(string hostname, string msg)
{
    var commandMessage = new Message(Encoding.ASCII.GetBytes(msg));
    await serviceClient.SendAsync(hostname, commandMessage);
}

デバイスを指定して文字列送信

上述の追加したメソッド SendMessageToDevice を呼び出すことで、指定デバイスへ MQTT でメッセージを送信することができます。

HttpTrigger1 クラスの Run メソッド内にて、return 文直前に以下を追加してください。
SendMessageToDevice の第1引数には今回 IoT Hub 上に作成したクラウドからのデータ受信用のデバイス名を指定してください。
第2引数はデバイスへ送信する任意の文字列です。

// 電文を C2D で送信する。
await SendMessageToDevice("axc_f_2152_dwn_article", "Test String from Azure Cloud.", log); 

動作確認

デプロイ

前回記事内の「関数のデプロイ」項目を参照して、http トリガー関数をデプロイ (クラウドへ配置)してください。

プログラムを実行

クラウド上の http トリガー関数を実行すると、出力されたログを前回記事内の「ログ出力の確認」項目と同じ手順で確認することが出来ます。

なお、http トリガー関数は以下のいずれの方法からでも実行可能です。

ブラウザから URL を指定して実行

前回記事内の「クラウド上の関数を実行」項目と同じ手順でクラウド上の URL へアクセスすれば、http トリガー関数を実行することが出来ます。

Azure ポータル 上での操作から実行

また、以下の様に Azure ポータル上の関数アプリの画面から実行を指示することも出来ます。

CLI でクラウドから送信されたデータを受信

クラウドから実際に送信されたデータを、Azure CLI を用いた受信により確認してみましょう。

STEP

ログイン：az login

まず、「クラウド受信データのモニタツール：Azure CLI」の記事の「az コマンドによるログイン」の項目を参考に、PCのコマンドライン上で az login コマンドを用いて Azure へログインしてください。

STEP

クラウドからデバイスへデータを送信

前述の「プログラムを実行」の項目を参考に http トリガー関数を実行し、クラウドからデバイスへデータを送信してください。

STEP

デバイスとしてデータ受信：az iot device c2d-message receive …

コマンドライン上で以下の様にコマンドを入力してください。青線部は、Azure IoT Hub へ設定した内容に依存します。

az iot device c2d-message receive --hub-name IoTHub-article --device-id axc_f_2152_dwn_article

項目, 引数	説明
az iot device c2d-message receive	Azure CLI の az コマンドにより、クラウドからデバイスへ送られたメッセージをデバイスとして受信します。
–hub-name	Iot Hub の名前を指定します。(上記コマンド例では IoTHub-article)
–device-id	メッセージを受信側のデバイス ID を指定します。(上記コマンド例では axc_f_2152_dwn_article)

クラウドから送信されたデータを受信できていれば、下記のように表示されます。

このコマンドは、エッジデバイスのふりをしてクラウドからのデータを受信する機能です。
受信データがなければ何も表示されないまま数秒で自動終了します。受信データがある場合は、データを一つ表示したら終了します。複数のデータが送られている場合は、このコマンドを繰り返し実行することで、すべて受信しきることができます。
もし連続的にデータを受信したい場合は az iot device simulate コマンドを使うことも出来るので、azure の情報サイト等で調べて見てください。

az iot device c2d-message receive や az iot device simulate コマンドはあくまでもテスト用に提供されているツールなので、実用向けではありません。
実用的な受信デバイス側のプログラムコード (Python) は次回の記事で紹介予定です。

応用編：エッジデバイスからの受信データ処理結果をエッジデバイスへ送信

最後に実用的な例として、エッジデバイスからクラウドへ送られたデータをクラウド上で処理し、結果を別のエッジデバイスへ送信する例を紹介します。

今度は固定の文字列を送信するのではなく、クラウドで受信したセンサ値と警報判定用閾値を比較し、警報発報が必要であるか否かの判断結果を json にまとめたうえでエッジデバイスへ向けて送信するようにしてみましょう。

クラウドからデータを送信する先のエッジデバイスは、物理的に同じデバイスであってもかまいません。
ただし、前述の「デバイスを追加登録する理由」でご紹介した通り、IoT Hub 上にはデータ送信・受信それぞれ用に別々のデバイス登録を行っておく必要があります。
物理的に同一のエッジデバイスから、IoT Hub 上に登録されたデータ送信用デバイスと受信用デバイスに適切にアクセスすることは全く問題ありません。

前回記事の CosmodDB トリガー関数を改造

前回の記事「Azure連携(4)：IoT Hub受信データをAzure Functionsで処理(C#)」で作成したプロジェクトを用意して下さい。今回はこれを改造します。

Microsoft.Azure.Devices ライブラリをプロジェクトへ追加

前述の「Microsoft.Azure.Devices ライブラリをプロジェクトへ追加」と同じ手順でライブラリをプロジェクトへ追加してください。

サービスへの接続とMQTT送信の処理を追加

前述の http トリガー関数における「サービスへの接続とMQTT送信の処理を追加」と同じ手順で using、変数、メソッドを追加してください。

送信するデータの種類

ここでは、「Azure連携(2)：デバイスからIoT HubへのMQTT送信(Python)」の記事で紹介した、PLCnext Control から Azure へ向けて送信したデータを処理することを考えてみます。
Azure に送信された具体的な内容は、同記事の「送信するデータの種類」の項目をご参照ください。

Azure 側ではその内容を用いて演算を行い、以下のデータを JSON 形式で Azure からエッジデバイスへ向けて送信することとします。

実際に送信される JSON 文字列は以下の様になります。

{"TEMP_WARN_LVL": 0, "HUM_WARN_LVL": 0, "PWR_WARN_LVL": 2}

警報判定処理を追加

上述した条件判定処理を具体的に作成しましょう。
CosmosDBTrigger 関数内の各種センサ値の取得とログ表示を行っている処理の直後に、以下の警報判定処理を追加してください。

温度、湿度、消費電力それぞれについて、閾値外の値になると警報判定値用の変数に警報状態が反映されます。

// 警報種類：0 = 値が低い側の警報発報, 1 = 正常, 2 = 値が高い側の警報発報
// 温度
int temp_warn_lvl = 1; // 温度警報判定値
if (temp_val <  temp_thr_l) temp_warn_lvl = 0; // 低温警報
if (temp_val >= temp_thr_h) temp_warn_lvl = 2; // 高温警報
// 湿度
int hum_warn_LVL = 1; // 湿度警報判定値
if (hum_val <  hum_thr_l) hum_warn_LVL = 0; // 乾燥警報
if (hum_val >= hum_thr_h) hum_warn_LVL = 2; // 高湿度警報
// 消費電力
int pwr_warn_LVL = 1; // 電力警報判定値
if (pwr_val <  pwr_thr_l) pwr_warn_LVL = 0; // 低電力警報 (想定より消費電力が低い：故障による機器停止の疑いなど)
if (pwr_val >= pwr_thr_h) pwr_warn_LVL = 2; // 高電力警報 (想定より消費電力が高い：機器故障や高負荷の疑いなど)

送信用 json 文字列の作成と送信

先ほどの警報判定処理の直後に、以下の処理を追加してください。

先ほどの警報判定値を反映した json 形式の文字列を sendmsg_json 変数として作成し、それをエッジデバイスへ MQTT で送信しています。

// 送信用 json 文字列の作成
string sendmsg_json = $"{{\"TEMP_WARN_LVL\": {temp_warn_lvl}, \"HUM_WARN_LVL\": {hum_warn_LVL}, \"PWR_WARN_LVL\": {pwr_warn_LVL}}}";
log.LogInformation($"message : {sendmsg_json}");
// 送信用 json 文字列を C2D で送信
await SendMessageToDevice("axc_f_2152_dwn_article", sendmsg_json, log);

SendMessageToDevice の第1引数には今回 IoT Hub 上に作成したクラウドからのデータ受信用のデバイス名を指定してください。
第2引数はデバイスへ送信する文字列として、直前で作成した sendmsg_json 変数を指定しています。

CosmosDB トリガーの関数の場合、MQTT 送信用メソッド周りでメソッドの同期/非同期に関するエラーが出ることがあります。
その場合は下記のように、C# for Visual Studio Code のクイックフィックス機能を用いて自動的にエラーを修正することが出来ます。

動作チェック

前回記事と同じ手順でエッジデバイスからクラウドへデータを送信し、今回はさらにクラウドからのデータを Azure CLI を用いて受信確認します。

STEP

エッジデバイスからクラウドへのデータ送信

前回記事の「最終動作確認」の項目を参照して CosmosDBトリガー関数のデプロイ (クラウドへの配置) と動作チェックを行い、Azure ポータル上のログに想定通りの値が出ることを確認してください。

STEP

CLI でクラウドから送信されたデータを受信

前述の「CLI でクラウドから送信されたデータを受信」と同様の手順で、クラウドからのデータを受信してください。

このようにして、エッジデバイス -> クラウド -> エッジデバイス の間を MQTT 通信で連携させることができます。

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