라즈베리파이에서 MQTT 프로토콜 활용 > 스마트기기시스템

• MQTT 프로토콜에 대해 알아본다.
• 라즈베리파이에서 MQTT 프로토콜을 활용한다.

• MQTT 프로토콜 개요
  • MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)는 경량 메시지 전송 프로토콜
  • 제한된 대역폭·저전력 환경에서도 효율적인 통신을 위해 설계

• MQTT 통신 계층 구조

• MQTT 메시지 캡슐화 과정

• MQTT 메세지(프로토콜) 구조

• Variable Header & Payload 실제 데이터 예시

• PUBLISH 메시지 바이트 구조 예시

• MQTT 메세지 타입
  • Fixed Header 상위 4비트 값
  • 1~14 타입(예 0001 : CONNET, 0011 : PUBLISH) 

• MQTT QoS(2~1비트)

• MQTT 시스템 구성도 역할

• HTTP / WebSocket / MQTT 비교

• HTTP Handshake
  • SYN : Synchronize
  • SYN-ACK : Synchronize - Acknowledgment
  • TLS : Transport Layer Security

• KeepAlive : “연결이 살아있다”는 것을 확인하기 위해 주기적으로 소량의 패킷(핑)을 보내는 기능
  • 1. 클라이언트 → 브로커: PINGREQ (연결 확인 요청[0xC0 0x00, 192 0])
  • 2. 브로커 → 클라이언트: PINGRESP (연결 확인 응답[0xD0 0x00, 208 0]) 
  • 3. 설정된 시간 간격으로 반복 실행(예, 60초)

• 시스템 구성도

• Mosquitto 브로커 설치
  • MQTT 프로토콜을 구현한 오픈소스 메시지 브로커
  • 특징
    • 경량(Lightweight): 라즈베리파이 등 저사양 환경에서도 사용 가능
    • QoS 지원: 메시지 전송 신뢰도 설정 가능 (QoS 0, 1, 2)
    • Pub/Sub 구조: 퍼블리셔-서브스크라이버 간 직접 통신 없음
      • 센서(라즈베리파이)→ 브로커(라즈베리파이) → 구독자(PC)
    • 와일드카드: +, #로 토픽 구독 범위 지정
      • + : 한 단계 토픽 대체 (예: home/+/temperature)
      • # : 여러 단계 포함 (예: home/#)
    • 다양한 언어 클라이언트 지원: Python, C, Java 등
    • TLS/암호화 지원: 보안 통신 가능 (옵션)
  • 포트
    • 1883: 기본 MQTT 포트 (비암호화)
    • 8883: TLS 암호화 MQTT

sudo apt update
sudo apt install -y mosquitto mosquitto-clients
sudo systemctl enable mosquitto
sudo systemctl start mosquitto

• MQTT 외부 접속 허용

sudo nano /etc/mosquitto/mosquitto.conf

#제일 하단에 다음 추가
# 외부 접속 허용
listener 1883 0.0.0.0
allow_anonymous true

#저장후 MQTT브로커 재시작
sudo systemctl restart mosquitto

• socket.io 서버 프로그램 수정
  • paho-mqtt 라이브러리 설치
  • iot_socket.py 파일 수정

(iot) pi@pi20221234:~/iot $ pip install paho-mqtt

import time
import threading
from flask import Flask, request
from flask_socketio import SocketIO
import RPi.GPIO as GPIO
import board
import adafruit_dht
import paho.mqtt.client as mqtt  #추가

# --- MQTT 클라이언트 설정 ---
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print("MQTT 연결됨:", rc)  # MQTT 브로커에 연결되면 호출되는 콜백 함수

mqtt_client = mqtt.Client(protocol=mqtt.MQTTv311)      # MQTT 클라이언트 객체 생성 (v3.1.1 프로토콜 명시)
mqtt_client.on_connect = on_connect                    # 연결 콜백 등록 → 경고 방지 및 상태 확인용
mqtt_client.reconnect_delay_set(min_delay=1, max_delay=30)  # 재연결 지연 시간 설정 (최소 1초, 최대 30초)
mqtt_client.connect_async("localhost", 1883, 60)       # 비동기 방식으로 Mosquitto 브로커에 연결 시도
mqtt_client.loop_start()                               # 내부 네트워크 루프 실행 (백그라운드 스레드에서 처리)

# --- 글로벌 변수 ---
latest_temp = None
latest_hum = None

# --- GPIO 설정 ---
LED_PIN = 17
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
GPIO.setup(LED_PIN, GPIO.OUT)

# --- Flask-SocketIO 설정 ---
app = Flask(__name__)
socketio = SocketIO(app, cors_allowed_origins="*", async_mode="eventlet")

# --- DHT22 센서 설정 ---
dht_device = adafruit_dht.DHT22(board.D18)

# --- LED 상태 반환 함수 ---
def get_led_state():
    return "on" if GPIO.input(LED_PIN) else "off"

# --- LED 제어 처리 ---
@socketio.on("led_control")
def control_led(data):
    state = data.get("state")
    if state == "on":
        GPIO.output(LED_PIN, GPIO.HIGH)
    elif state == "off":
        GPIO.output(LED_PIN, GPIO.LOW)
    state = get_led_state()
    print(f"led 상태 : {state}")
    socketio.emit("led_status", {"state": state})

# --- LED 상태 요청 처리 ---
@socketio.on("get_led_status")
def handle_status_request():
    state = get_led_state()
    print(f"led 상태 : {state}")
    socketio.emit("led_status", {"state": state}, room=request.sid)

# --- 온습도 상태 요청 처리 ---
@socketio.on("get_temperature_humidity_status")
def send_temperature_humidity_status():
    ret_temp_hum = {"temp": "N/A", "hum": "N/A"}
    if latest_temp is not None and latest_hum is not None:
        ret_temp_hum = {"temp": latest_temp, "hum": latest_hum}
    socketio.emit("temperature_humidity_status", ret_temp_hum, room=request.sid)

# --- 센서 측정 스레드 ---
def temperature_monitor_thread():
    global latest_temp, latest_hum
    while True:
        try:
            temp = dht_device.temperature
            hum = dht_device.humidity
            if hum is not None and temp is not None:
                latest_temp = round(temp, 1)
                latest_hum = round(hum, 1)
                print(f"센서 측정: {latest_temp}℃ / {latest_hum}%")

                # MQTT 퍼블리시
                #mqtt_client.publish("home/temperature", str(latest_temp), qos=1)
                #mqtt_client.publish("home/humidity", str(latest_hum), qos=1)
                mqtt_client.publish("home/temperature", str(latest_temp))
                mqtt_client.publish("home/humidity", str(latest_hum))

            else:
                print("센서 데이터 없음")
        except RuntimeError as e:
            print("센서 에러:", e.args[0])
        except Exception as e:
            dht_device.exit()
            raise e
        time.sleep(2)

# --- 센서 스레드 시작 ---
def start_sensor_thread():
    t = threading.Thread(target=temperature_monitor_thread)
    t.daemon = True
    t.start()

# --- 메인 ---
if __name__ == "__main__":
    print("서버 시작")
    start_sensor_thread()
    socketio.run(app, host="0.0.0.0", port=5000)

• mqtt_client.publish() 주요 인자
  • 사용법 : mqtt_client.publish("sensor/temp", "25.4", qos=1, retain=True)

• 라즈베리파이 내에서 MQTT 클라이언트 구독

mosquitto_sub -h localhost -t "home/#" -v

• 윈도우PC 에서 구독
  • https://mqtt-explorer.com/ 윈도우 install용 다운로드
  • 설치 후 실행 -> 설정 -> 연결 -> 확인