M5StickS3 を AWS IoT Core につないで MQTT で双方向通信してみる

こんにちは。人材育成室 育成メンバーチームで研修中の はすと です。

AWS IoT Core を学んでいくうちに、実際のデバイスも使いたくなり、M5StickS3 を購入してみました。

なので今回は、Node.jsを仮想デバイスとしてAWS IoT Coreにつないでみた で試した構成を使い、M5StickS3 と AWS IoT Core の疎通テストをしてみます。スケッチ、Wi-Fi 設定、証明書ファイルの保存先と、起動時の動きも確認していきます。

今回の構成

M5StickS3 は ESP32-S3 を搭載し、Wi-Fi でネットワークへ接続でき、AWS IoT Core へは MQTTS で接続します。

ESP32-S3 は、M5StickS3 の中でスケッチを実行し、Wi-Fi、LCD 画面、ボタン、IMU などを制御するチップです。

M5StickS3 は 10 秒ごとに Wi-Fi の受信信号強度と連番を送信し、コンソールから届いた任意のメッセージは画面へ表示したうえで、status トピックにも返します。

このように送信と受信を分けると、片方向だけでなく双方向の MQTT 通信を確認できます。

AWS IoT Core 側の準備

モノ（Thing）、デバイス証明書、IoT ポリシーを作る手順と、データエンドポイントを確認する手順は、前回の記事を参照してください。

今回は、Node.js 用とは別に m5sticks3-iot-demo というモノを作ります。デバイス証明書と接続キットも、このモノ用に新しく作成します。

M5StickS3 用の IoT ポリシー

前回の記事のポリシー例では、nodejs-thing-demo を MQTT クライアント ID とトピック名に使いましたが、今回はその文字列を m5sticks3-iot-demo に置き換えて、３つのトピックを用意します。

デバイス証明書へポリシーを関連付ける

モノと証明書を作成した後、次の手順で状態とポリシーを確認します。

1. AWS IoT Core コンソールの「管理」→「すべてのデバイス」→「モノ」を開き、今回作成したモノを選択します。
2. 「証明書」タブを開き、今回作成したデバイス証明書を選択します。ステータスが アクティブ であることを確認します。非アクティブ の場合は、「アクション」から有効化します。

3. 証明書の詳細画面で「ポリシー」タブを開き、作成済みの IoT ポリシーが表示されることを確認します。表示されない場合は、「ポリシーをアタッチ」から関連付けます。

モノと証明書を関連付けるだけでは、MQTT 接続の権限は付与されないため、証明書へ IoT ポリシーを関連付ける必要があります。

M5StickS3 で動かすもの

M5StickS3 には Wi-Fi、LCD、IMU、マイク、ボタンなどの機能がありますが、今回は Wi-Fi で AWS IoT Core へ接続し、LCD に接続状況と受信メッセージを表示します。この動きを Arduino のスケッチとして実装します。
.ino ファイルは C++ で書く Arduino のプログラムで、Arduino IDE がコンパイルした実行用プログラムを M5StickS3 本体のフラッシュへ書き込むため、USB を外した後も単体で実行できます。

デバイスでは、用途の異なる 3 種類の保存領域を使います。

開発環境

M5Stack のボードパッケージを導入すると、Arduino IDE のボード一覧から M5StickS3 を選び、M5StickS3 向けにコンパイルして書き込めるようになります。

Arduino IDE の「Arduino IDE」→「Preferences」を開きます。M5Stack 公式のボード管理手順に従い、「Additional Boards Manager URLs」に次の URL を追加します。

https://static-cdn.m5stack.com/resource/arduino/package_m5stack_index.json

次に、サイドバーの「Boards Manager」を開き、M5Stack を検索して導入します。私の環境では 3.3.9 を導入しました。ボード一覧に M5StickS3 が含まれることを確認できます。

次に「Library Manager」で M5Unified と PubSubClient を検索して導入します。M5Unified の導入時に M5GFX の導入を確認できたら、「INSTALL ALL」を選びます。私の環境では、M5Unified 0.2.20、M5GFX 0.2.28、PubSubClient 2.8.0 を導入しました。

続いて、M5Stack の公式手順では、書き込みモードに入るため、側面のリセットボタンを約2秒押して緑の LED が点滅したら離します。USB で接続してから、上部のボード選択で M5StickS3 と表示された USB ポートを選びます。ポート名は Mac ごとに異なります。

実機用のスケッチは、専用の Private リポジトリで管理します。証明書や秘密鍵はリポジトリへコミットせず、Git 管理外の data/aws-iot/ へ置きます。

m5sticks3-iot-demo/
├── m5sticks3-iot-demo.ino
├── data/aws-iot/       # Git 管理外の接続ファイル
├── tools/upload-littlefs.sh
└── README.md

Wi-Fi 設定を NVS へ保存する

Wi-Fi の設定は IoT 用スケッチから分け、m5sticks3-device-config という設定専用スケッチで一度だけ M5StickS3 の NVS へ保存します。
設定用スケッチは、次のように配置します。

m5sticks3-device-config/
├── m5sticks3-device-config.ino
├── wifi_secrets.example.h
└── wifi_secrets.h             # Git 管理外

wifi_secrets.example.h をコピーして wifi_secrets.h を作成し、2.4 GHz の Wi-Fi の SSID とパスワードを設定します。

#pragma once

#define WIFI_SSID "YOUR_2_4_GHZ_WIFI_SSID"
#define WIFI_PASSWORD "YOUR_WIFI_PASSWORD"

Arduino IDE で m5sticks3-device-config.ino を開き、M5StickS3 と USB ポートを選んで書き込みます。画面に Wi-Fi saved to NVS と IP アドレスが表示されたら完了です。
接続先を変更するときだけ wifi_secrets.h を更新して、設定用スケッチを再度書き込みます。

AWS IoT Core の接続ファイルを LittleFS へ配置する

証明書の内容をソースコードへコピーする代わりに、次の4ファイルを data/aws-iot/ へ置きます。

Arduino IDE の「Upload」はスケッチだけを書き込みます。data/aws-iot/ の接続ファイルは、tools/upload-littlefs.sh で LittleFS へまとめて書き込みます。
tools/upload-littlefs.sh

スケッチは起動時に LittleFS から3つの PEM ファイルを読み込み、WiFiClientSecure へ設定します。

tlsClient.loadCACert(caFile, caFile.size());
tlsClient.loadCertificate(certificateFile, certificateFile.size());
tlsClient.loadPrivateKey(privateKeyFile, privateKeyFile.size());

mqttClient.setServer(awsIoTEndpoint.c_str(), 8883);
mqttClient.setCallback(onMessage);

デバイス証明書、秘密鍵、Amazon Root CA 1 の3つを TLS クライアントへ設定します。TLS サーバー証明書の有効期間を確認できるよう、スケッチは MQTT 接続前に NTP で時刻も同期します。LittleFS の書き込みはファイル領域全体を更新するため、証明書を変更したときは4ファイルをそろえて再実行します。

スケッチが起動してからすること

スケッチは、次の順に動きます。

1. M5.begin() で画面などの M5StickS3 機能を初期化する
2. WiFi.begin() で NVS に保存済みの Wi-Fi へ接続する
3. NTP で時刻を同期する
4. LittleFS から接続先と3つの PEM ファイルを読み込む
5. TLS で AWS IoT Core の 8883 番ポートへ MQTT 接続する
6. command を購読し、10 秒ごとに telemetry を送信する

loop() では受信処理と定期送信を続け、command を受けると画面へメッセージを表示して status を返します。
実装全体は、m5sticks3-iot-demo.ino を参照してください。

Apple Silicon の Mac でコンパイルできない場合

私の Apple Silicon Mac では、最初のコンパイルで ctags: bad CPU type in executable が表示されました。Arduino IDE 本体が Apple Silicon 版でも、補助ツールには Intel 向けのものがあるため、Rosetta が必要な場合があります。
同様のエラーが出た場合は、Arduino の公式案内に従い、Rosetta を導入してから再度コンパイルしてみてください。

MQTT テストクライアントで実機の送受信を見る

前回と同じ MQTT テストクライアントを使い、実機の送受信を確認していきます。

1. AWS IoT Core の「MQTT テストクライアント」を開き、「トピックをサブスクライブする」で次を購読します。

   m5sticks3-iot-demo/#
   

   # は配下のトピックをまとめて受信するワイルドカードなので、M5StickS3 を起動する前に購読しておくと、最初の telemetry から確認できます。

2. M5StickS3 を起動します。Wi-Fi、時刻同期、TLS 接続が完了すると、10 秒ごとに m5sticks3-iot-demo/telemetry へ受信信号強度と連番を送ります。テストクライアントに telemetry が表示されれば、M5StickS3 から AWS IoT Core への送信成功です。

   

3. 「トピックに公開する」で、次のコマンドを送ります。

   項目	値
   トピック	m5sticks3-iot-demo/command
   メッセージ	{"message":"hello"}

4. M5StickS3 の画面に hello が表示されることを確認します。続けてテストクライアントへ m5sticks3-iot-demo/status が届けば、コンソールからのコマンド受信とデバイスの応答成功です。

接続できないときに確認すること

connected が表示されない場合は、以下を順に確認してみてください。

• m5sticks3-device-config で Wi-Fi 設定を保存済みであること
• AWS IoT Core のデータエンドポイントとリージョン
• デバイス証明書と秘密鍵の組み合わせ
• 証明書が ACTIVE であること
• 証明書へ IoT ポリシーが関連付けられていること
• MQTT クライアント ID とポリシーの iot:Connect の値
• 8883 番ポートがネットワークで遮断されていないこと

ポリシーを保存した直後は、反映まで少し時間がかかることがあります。

まとめ

M5StickS3 と AWS IoT Core の双方向通信を確認できたことで、M5StickS3 が取得したデータをクラウドへ送る土台ができました。IMU の値やボタンの操作などを MQTT で送れば、クラウド側で保存・分析ができるようになりました。

次は、M5StickS3 で取得したデータを蓄積して分析するパイプラインを作ってみたいと思います。

参考

• StickS3 Arduino Program Compilation & Upload - M5Stack Documentation
• M5StickS3 IMU - M5Stack Documentation
• MQTT test client - AWS IoT Core
• Device communication protocols - AWS IoT Core
• Publish/subscribe policy examples - AWS IoT Core
• X.509 client certificates - AWS IoT Core