はじめに

MQTTは、パブリッシュ／サブスクライブモデルに基づく軽量のIoTメッセージングプロトコルです。非常に少ないコードと帯域幅で、ネットワークデバイスにリアルタイムかつ信頼性の高いメッセージングサービスを提供することができます。IoT、モバイルインターネット、スマートハードウェア、Internet of Vehicles、電力エネルギーなどの産業で広く利用されている。

Node.jsは、イベント駆動型のアーキテクチャとリアルタイムのデータハンドリングにより、IoTで広く利用されています。デバイス、サーバ、APIを簡単に接続することができます。Node.jsとMQTTを組み合わせることで、開発者は、デバイスとリアルタイムで通信し、情報を交換し、複雑なデータ分析を行う、スケーラブルで安全なIoTアプリケーションを構築できます。

この記事では、Node.jsプロジェクトでMQTTを使用して、クライアントとMQTTブローカー間のシームレスな通信を実現するための包括的なガイドを提供します。接続の確立、トピックのサブスクライブとアンサブスクライブ、メッセージの公開、およびリアルタイムでのメッセージの受信方法について学びます。このガイドでは、MQTTを活用してスケーラブルで効率的なIoTアプリケーションを構築するためのスキルを身につけることができます。

Node.js MQTTプロジェクト準備編

Node.jsのバージョン確認

このプロジェクトでは、開発およびテストに Node.js v16.20.0 を使用しています。正しいバージョンのNode.jsがインストールされていることを確認するために、読者は以下のコマンドを使用することができます：

node --version

v16.20.0

MQTT.jsをインストールする

MQTT.jsは、MQTTプロトコルのクライアントライブラリで、node.jsとブラウザ用にJavaScriptで書かれています。JavaScriptのシングルスレッド機能により、MQTT.jsは完全な非同期型MQTTクライアントとなります。現在、JavaScriptエコシステムで最も広く使われているMQTTクライアントライブラリです。

MQTT.jsのインストールには、NPMやYarnを使用します。

NPM

# create a new project
npm init -y

# Install dependencies
npm install mqtt --save

YARN
```
yarn add mqtt
```

インストールしたら、カレントディレクトリに新しいindex.jsファイルを作成し、これがプロジェクトのエントリファイルとして機能します。ここで、MQTT接続テストの完全なロジックを実装することができます。

MQTTブローカー実装の準備

先に進む前に、通信とテストを行うためのMQTTブローカーがあることを確認してください。MQTTブローカーを入手するには、いくつかのオプションがあります：

プライベート展開

EMQXは、IoT、IIoT、コネクテッドカー向けの最もスケーラブルなオープンソースのMQTTブローカーです。以下のDockerコマンドを実行することでEMQXをインストールすることができます。
```
docker run -d --name emqx -p 1883:1883 -p 8083:8083 -p 8084:8084 -p 8883:8883 -p 18083:18083 emqx/emqx
```
フルマネージドクラウドサービス

フルマネージドクラウドサービスは、MQTTサービスを開始するための最も簡単な方法です。EMQX Cloudを利用すれば、わずか数分でサービスを開始でき、AWS、Google Cloud、Microsoft Azureの20以上のリージョンでMQTTサービスを実行し、グローバルな可用性と高速接続を確保することが可能です。

最新版のEMQX Cloud Serverlessは、開発者が数秒で簡単にMQTTの導入を開始できるように、永久無料の1Mセッション分/月の無償提供をしています。
無料公開のMQTTブローカー

無料公開MQTTブローカーは、MQTTプロトコルの学習とテストを希望する人だけが利用できます。セキュリティリスクやダウンタイムの懸念があるため、本番環境での使用は避けることが重要です。

このブログ記事では、 broker.emqx.io の無料公開MQTTブローカーを使用することにします。

MQTTブローカー情報

サーバー： broker.emqx.io

TCPポート： 1883

WebSocketポート： 8083

SSL/TLSポート： 8883

セキュアWebSocketポート： 8084

詳しくは、こちらをご確認ください：無料公開のMQTTブローカー。

Node.js MQTTの使用法

MQTTコネクションの作成

TCPコネクション

MQTT.jsクライアントライブラリのインポート

注）Node.js環境では、依存モジュールのインポートにcommonjs仕様を使用してください。

const mqtt = require('mqtt')

MQTT接続を確立するために、接続アドレス、ポート、クライアントIDを設定する必要がある。この例では、クライアントIDの生成にJavaScriptに内蔵されている乱数生成関数を利用しています。

const protocol = 'mqtt'
const host = 'broker.emqx.io'
const port = '1883'
const clientId = `mqtt_${Math.random().toString(16).slice(3)}`

const connectUrl = `${protocol}://${host}:${port}`

次に、ホストとポートをつなげて作成した URL を使って接続を確立する。これを実現するために、MQTTモジュールの組み込みconnect関数を呼び出し、接続が確立されると、Clientインスタンスを返します。

const client = mqtt.connect(connectUrl, {
  clientId,
  clean: true,
  connectTimeout: 4000,
  username: 'emqx',
  password: 'public',
  reconnectPeriod: 1000,
})

client.on('connect', () => {
  console.log('Connected')
})

詳しくは、ブログ「MQTT接続の確立時にパラメータを設定する方法」をご確認ください。

ウェブソケット

MQTT over WebSocketを使ってブローカーに接続する場合、いくつか注意しなければならないことがあります：

WebSocketの接続URLは、 ws プロトコルで始まる必要があります。
ポートを正しいWebSocketポートに更新します（例： broker.emqx.io の場合は8083）。
接続URLの末尾にpathパラメータを付加するようにしてください（例： broker.emqx.io の場合は /mqtt のように）。

const protocol = 'ws'
const host = 'broker.emqx.io'
const port = '8083'
const path = '/mqtt'
const clientId = `mqtt_${Math.random().toString(16).slice(3)}`

const connectUrl = `${protocol}://${host}:${port}${path}`

TLS/SSL

MQTTでTLSを使用することで、情報の機密性と完全性を確保し、情報の漏洩や改ざんを防止することができます。TLS認証は、一方向性認証と双方向性認証に分類される。

一方的な認証

const fs = require('fs')

const protocol = 'mqtts'
const host = 'broker.emqx.io'
const port = '8883'
const clientId = `mqtt_${Math.random().toString(16).slice(3)}`

const connectUrl = `${protocol}://${host}:${port}`

const client = mqtt.connect(connectUrl, {
  clientId,
  clean: true,
  connectTimeout: 4000,
  username: 'emqx',
  password: 'public',
  reconnectPeriod: 1000,

  // If the server is using a self-signed certificate, you need to pass the CA.
  ca: fs.readFileSync('./broker.emqx.io-ca.crt'),
})

双方向認証

const fs = require('fs')

const protocol = 'mqtts'
const host = 'broker.emqx.io'
const port = '8883'
const clientId = `mqtt_${Math.random().toString(16).slice(3)}`

const connectUrl = `${protocol}://${host}:${port}`

const client = mqtt.connect(connectUrl, {
  clientId,
  clean: true,
  connectTimeout: 4000,
  username: 'emqx',
  password: 'public',
  reconnectPeriod: 1000,

  // Enable the SSL/TLS, whether a client verifies the server's certificate chain and host name
  rejectUnauthorized: true,
  // If you are using Two-way authentication, you need to pass the CA, client certificate, and client private key.
  ca: fs.readFileSync('./broker.emqx.io-ca.crt'),
  key: fs.readFileSync('./client.key'),
  cert: fs.readFileSync('./client.crt'),
})

MQTTトピックを購読する

返されたClientインスタンスの on 関数を使って接続状態を監視し、接続成功後のコールバック関数でトピック /nodejs/mqtt にサブスクライブしています。

const topic = '/nodejs/mqtt'

client.on('connect', () => {
  console.log('Connected')
  client.subscribe([topic], () => {
    console.log(`Subscribe to topic '${topic}'`)
  })
})

トピックの購読に成功すると、 on 関数を使用して受信メッセージを監視することができます。新しいメッセージが到着すると、この関数のコールバック関数内で関連するトピックとメッセージを取得することができます。これにより、受信したメッセージを効果的に処理し、それに応じて応答することができます。

注：コールバック関数内で受信したメッセージはBuffer型であり、toString関数で文字列に変換する必要があります。

client.on('message', (topic, payload) => {
  console.log('Received Message:', topic, payload.toString())
})

MQTTメッセージの発行

以上のトピック購読とメッセージ監視が完了したら、メッセージを公開するための関数を書きます。

注：メッセージはMQTT接続が成功した後に公開する必要があるので、接続が成功した後のコールバック関数に記述しています。

client.on('connect', () => {
  client.publish(topic, 'nodejs mqtt test', { qos: 0, retain: false }, (error) => {
    if (error) {
      console.error(error)
    }
  })
})

MQTT接続を切断する

MQTT.js では、ブローカーとの接続を解除するために、 mqtt.Client オブジェクトの end() メソッドを使用する必要があります。このメソッドはリソースを解放し、接続を閉じます。このメソッドに true というパラメータを渡すと強制的に切断され、 DISCONNECT メッセージは送信されず、代わりに接続が直接切断されます。また、切断が完了した時点で呼び出されるコールバック関数を渡すことも可能です。

// Disconnect
client.end()

// Force disconnect
client.end(true)

// Callback for disconnection
client.end(false, {}, () => {
  console.log('client disconnected')
})

end() メソッドの詳細については、公式ドキュメントを参照してください。

エラー処理

接続エラー処理

client.on('error', (error) => {
 console.error('connection failed', error)
})

再接続のエラー処理

client.on('reconnect', (error) => {
 console.error('reconnect failed', error)
})

サブスクリプションのエラー処理

client.on('connect', () => {
 client.subscribe('topic', subOpts, (error) => {
   if (error) {
     console.error('subscription failed', error)
   }
 })
})

パブリッシングエラー処理

client.on('connect', () => {
 client.publish('topic', 'hello mqtt', (error) => {
   if (error) {
     console.error('publish failed', error)
   }
 })
})

コンプリートコード

サーバー接続、トピック購読、メッセージ公開、受信のコードは以下の通りです。

const mqtt = require('mqtt')

const host = 'broker.emqx.io'
const port = '1883'
const clientId = `mqtt_${Math.random().toString(16).slice(3)}`

const connectUrl = `mqtt://${host}:${port}`

const client = mqtt.connect(connectUrl, {
  clientId,
  clean: true,
  connectTimeout: 4000,
  username: 'emqx',
  password: 'public',
  reconnectPeriod: 1000,
})

const topic = '/nodejs/mqtt'

client.on('connect', () => {
  console.log('Connected')

  client.subscribe([topic], () => {
    console.log(`Subscribe to topic '${topic}'`)
    client.publish(topic, 'nodejs mqtt test', { qos: 0, retain: false }, (error) => {
      if (error) {
        console.error(error)
      }
    })
  })
})

client.on('message', (topic, payload) => {
  console.log('Received Message:', topic, payload.toString())
})

このプロジェクトの完全なコードについては、GitHubで確認してください。

テスト

package.jsonファイルのscriptフィールドに起動スクリプトを1行追加します。

"scripts": {
  "start": "node index.js"
}

単純に npm start でプロジェクトを実行すればいいのです。

npm start

すると、コンソールの出力情報が以下のように表示されます：

NodeJS MQTT Start

クライアントがMQTTブローカーに正常に接続し、トピックをサブスクライブし、メッセージを受信し、正常にパブリッシュしたことがわかります。このとき、もう1つのクライアントとしてMQTT Client Tool - MQTTXを使用して、メッセージの公開と受信のテストを行うことにします。

MQTTX

MQTTXで送信されたメッセージがコンソールに出力されていることが確認できます。

MQTT messages

Q&A

MQTTメッセージはどのようなフォーマットで送られてくるのですか？

Node.jsでMQTTを使用する場合、MQTTメッセージはBufferとして提供されます。これは、生のバイナリデータを扱うように設計されているためで、テキストだけでなく、あらゆる形式のデータを含む可能性があります。

Node.jsでBufferとして受信したMQTTメッセージをどのように扱えばよいですか？

Node.jsでBufferを扱うには、 toString() メソッドを使用して文字列に変換します。元のメッセージがJSONオブジェクトだった場合、 JSON.parse() で文字列をパースしてオブジェクトに戻す必要があるかもしれません。以下はその例です：

client.on('message', (topic, message) => {
  // message is a Buffer
  let strMessage = message.toString();
  let objMessage = JSON.parse(strMessage);
  console.log(objMessage);
})

送信されたMQTTメッセージがJSON形式でない場合はどうすればよいですか？

MQTTメッセージがJSONでない場合でも、 toString() メソッドを使って文字列に変換することができます。ただし、内容がもともと文字列でない場合（例えばバイナリデータの場合）には、データの性質に応じて異なる処理をする必要があるかもしれません。

Node.jsのMQTTクライアントがメッセージを受信しない場合の対処法とは？

正しいトピックを購読していることを確認してください。MQTTのトピックは大文字と小文字が区別され、完全に一致する必要があります。
ブローカーが起動していること、接続できることを確認します。
MQTT QoSレベル1または2を使用している場合、メッセージが同じQoSレベルで発行されることを確認してください。
クライアントで error イベントをリッスンして、エラーが投げられたかどうかを確認します。

Node.js MQTTアプリケーションの問題をデバッグするにはどうすればよいですか？

MQTTクライアントで「エラー」イベントを聞いてください。これは、問題についての有益な情報を提供することが多い。
コードの中でconsole.log文を使い、流れを確認したり、変数の内容を見たりします。
MQTTメッセージに問題がある場合は、'#'トピックを購読してみてください。これは、すべてのメッセージにマッチするワイルドカードトピックなので、公開されているすべてのメッセージを見ることができます。
接続に問題がある場合は、ブローカーのログを確認し、そこに手がかりがないかどうか確認してください。
MQTTXのようなツールを使って、ブローカーに手動で接続し、トピックを発行/購読することを検討してください。これは、問題がNode.jsのコードにあるのか、ブローカーにあるのかを判断するのに役立ちます。

Node.js MQTTアドバンス

Express.jsなどのWebフレームワークでMQTTを利用する方法

Express.jsは、Node.jsを使用してWebアプリケーションやAPIを構築する、オープンソースのWebアプリケーションフレームワークです。現在、最も人気のあるNode.jsのWebフレームワークの1つで、Webアプリケーションを作成する際に高い柔軟性とスケーラビリティを備えています。

MQTTをExpress.jsに組み込むには、そのミドルウェアでMQTTの接続、公開、購読の操作を行うことができます。以下は簡単なサンプルコードです：

import express from 'express'
import * as mqtt from 'mqtt'

const app = express()
const mqttClient = mqtt.connect('mqtt://localhost:1883')

// Connect to the MQTT broker
mqttClient.on('connect', function () {
  console.log('Connected to MQTT broker')
})

// MQTT middleware for publishing and subscribing
app.use(function (req, res, next) {
  // Publish messages
  req.mqttPublish = function (topic, message) {
    mqttClient.publish(topic, message)
  }

  // Subscribe to topic
  req.mqttSubscribe = function (topic, callback) {
    mqttClient.subscribe(topic)
    mqttClient.on('message', function (t, m) {
      if (t === topic) {
        callback(m.toString())
      }
    })
  }
  next()
})

app.get('/', function (req, res) {
  // Publish
  req.mqttPublish('test', 'Hello MQTT!')

  // Subscribe
  req.mqttSubscribe('test', function (message) {
    console.log('Received message: ' + message)
  })

  res.send('MQTT is working!')
})

app.listen(3000, function () {
  console.log('Server is running on port 3000')
})

上記のコードでは、Express.jsアプリケーションを作成し、MQTTのパブリッシュとサブスクライブを処理するための req.mqttPublish() と req.mqttSubscribe() 関数を定義しています。これらの関数は、MQTTトピックへのメッセージのパブリッシュとサブスクライブを行うためのルート処理で使用することができます。この例では、ルートパスにアクセスすると、「Hello MQTT！」メッセージが「test」トピックに公開され、その後、受信したメッセージを受信して処理するために購読されます。

これはあくまで簡単な実装例であり、実際のアプリケーションでは、複数のトピックの処理やリクエストパラメータの検証など、より複雑な処理が必要となる場合があります。

Node.jsでコマンドラインツールを構築する方法

Node.jsは堅牢なオープンソースエコシステムを誇り、開発者は様々なオープンソースライブラリを活用することで、特定のビジネス要件を満たすMQTTクライアントツールを迅速に作成することが可能です。さらに、Node.js は、 pkg ツールを使用してプロジェクトを実行可能なファイルに簡単にパッケージ化できるため、クロスプラットフォームでの展開が可能です。例えば、Node.jsのコマンドラインツールライブラリであるCommander.jsを利用すれば、カスタマイズしたコマンドラインツールを構築して、ビジネス環境に統合することができます。

次に、Commander.jsを使用して、簡単なMQTTコマンドラインツールを構築する方法を説明します。このツールの特徴は、2つのコマンドです： pub と sub です。

pub コマンドは、ユーザーが指定したトピックにメッセージを公開することができます。
sub コマンドは、指定されたトピックを購読し、受信したメッセージを表示することを許可します。

// mqtt-cli.js

import { program } from 'commander'
import mqtt from 'mqtt'

// MQTT Broker URL
const brokerUrl = 'mqtt://localhost:1883'

// Define CLI commands
program
  .command('pub')
  .description('Publish message to the given topic')
  .option('-t, --topic <TOPIC>', 'the message topic')
  .option('-m, --message <BODY>', 'the message body')
  .action((options) => {
    const { topic, message } = options

    const client = mqtt.connect(brokerUrl)

    client.on('connect', () => {
      client.publish(topic, message, () => {
        console.log(`Published message "${message}" to topic "${topic}"`)
        client.end()
      })
    })
  })

program
  .command('sub')
  .description('Subscribe to the given topic and log incoming messages')
  .option('-t, --topic <TOPIC>', 'the message topic')
  .action((options) => {
    const { topic } = options

    const client = mqtt.connect(brokerUrl)

    client.on('connect', () => {
      console.log(`Subscribed to topic "${topic}"`)

      client.subscribe(topic, () => {
        client.on('message', (topic, message) => {
          console.log(`Received message "${message.toString()}" on topic "${topic}"`)
        })
      })
    })
  })

program.parse(process.argv)

# Subscribe to test topic
node mqtt-cli.js sub -t test

# Publish an MQTT message
node mqtt-cli.js pub -t test -m 'Hello MQTT!'

まとめ

これまで、Node.jsをMQTTクライアントとして、パブリックなMQTTブローカーに接続し、テストクライアントとMQTTサーバー間の接続、メッセージ発行、購読を実現してきました。

次に、MQTTガイドをチェックすることができます：EMQが提供する「Beginner to Advanced」シリーズで、MQTTプロトコルの機能を学び、MQTTのより高度なアプリケーションを探求し、MQTTアプリケーションとサービス開発を始めましょう。

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