Komunikácia cez MQTT

Zariadenia a služby v architektúre Smart Department spolu komunikujú prostredníctvom protokolu MQTT. Aby si navzájom rozumeli, musia dodržiavať spoločné pravidlá – kam správy posielať a ako majú vyzerať. Tieto pravidlá opisuje tento dokument. Je spoločnou dohodou medzi zariadeniami, ktoré správy posielajú, a službami, ktoré ich spracovávajú.

Pripojenie k brokeru

Hlavný MQTT broker architektúry beží na serveri Mother:

• adresa: mother.fei.tuke.sk
• port: 8883
• používateľské meno: student
• heslo: dgRk9cQ8sU4fCO
• šifrovaná komunikácia (TLS): áno

Zariadenia komunikujú pomocou protokolu MQTT vo verzii 3.1.1. Ako identifikátor klienta používajú svoj identifikátor zariadenia (device_id), ktorý musí byť v rámci brokera jedinečný.

Organizácia tém

Každá téma, do ktorej zariadenie posiela správy, má tento tvar:

<department>/<room>/<device_type>/<device_id>/<message_type>

Význam jednotlivých úrovní témy je nasledovný:

• <department> – katedra, v ktorej sa zariadenie nachádza; pre nás vždy kpi,
• <room> – názov miestnosti, v ktorej je zariadenie umiestnené (pozri zoznam miestností),
• <device_type> – typ zariadenia, napr. thsensor,
• <device_id> – jedinečný identifikátor zariadenia,
• <message_type> – typ správy, napr. data alebo status (pozri typy správ).

Organizácia tém vychádza z prístupu Unified Namespace, v ktorom celá organizácia zdieľa jednu hierarchiu tém odrážajúcu jej štruktúru. Úrovne takejto hierarchie sú v priemysle zvyčajne odvodené od normy ISA-95 (podnik, závod, oblasť, výrobná linka, …). V našom prípade ide o katedru, miestnosť a zariadenie.

Príklad témy, do ktorej posiela namerané údaje chytrý senzor teploty a vlhkosti v miestnosti Endor:

kpi/endor/thsensor/ab123cd/data

Prefix tém

Zariadenie samo nevie, kde je nasadené. Prvé tri úrovne témy <department>/<room>/<device_type> preto tvoria tzv. prefix tém (<topic_prefix>), ktorý sa zariadeniu nastaví pri jeho inštalácii. Vďaka tomu je možné to isté zariadenie použiť v ľubovoľnej miestnosti, ale aj mimo architektúry Smart Department – napr. doma, kde mu stačí ako prefix samotný typ zariadenia:

thsensor/ab123cd/data

Základ tém

Prefix tém spolu s identifikátorom zariadenia tvoria tzv. základ tém (<base_topic>). Je spoločným začiatkom všetkých tém, do ktorých zariadenie posiela správy:

<department>/<room>/<device_type> / <device_id> / <message_type>
└──────── <topic_prefix> ───────┘
└──────────────── <base_topic> ───────────────┘

Zariadenie tak tému skladá vždy rovnako: <base_topic>/<message_type>, napr. kpi/endor/thsensor/ab123cd/data.

Pravidlá zápisu

Pre každú úroveň témy platí:

• obsahuje len malé písmená bez diakritiky, číslice a znak -,
• nesmie byť prázdna (téma teda nesmie obsahovať // a nesmie začínať ani končiť znakom /),
• nesmie obsahovať zástupné znaky + a #.

Povolené témy

Broker na serveri Mother používa zoznam povolených tém (z angl. Access Control List, ACL). Prepustí preto len témy, ktoré dodržiavajú tvar <department>/<room>/<device_type>/<device_id>/<message_type>, teda majú päť úrovní a poslednou je povolený typ správy.

Správy do ostatných tém broker zahodí. Zariadenie sa o tom nedozvie, pretože odoslanie správy skončí bez chyby. Ak správa v klientskej aplikácii neprichádza, najprv skontrolujte tvar témy. Prefix tém thsensor z predchádzajúceho príkladu preto na tomto brokeri nefunguje.

Zoznam miestností

Miestnosti sa v témach označujú svojím názvom:

Typy správ

Všetky správy sú vo formáte JSON. Časové údaje sú reťazce vo formáte podľa normy ISO 8601 v časovom pásme UTC, napr. "2026-10-30T07:05:00Z".

Telemetria (data)

Správa obsahuje všetky metriky, ktoré zariadenie odosiela naraz. Jej štruktúra je inšpirovaná špecifikáciou Sparkplug B (norma ISO/IEC 20237), ktorá pre priemyselný internet vecí definuje podobu tém a správ nad protokolom MQTT. Aj v nej má správa časovú značku a zoznam metrík, pričom každá metrika má svoj názov, časovú značku a hodnotu. Jedna správa tak môže niesť hodnoty rôznych veličín nameraných v rôznom čase, napr. keď zariadenie merania najprv ukladá a odošle ich až naraz.

Náš formát však so špecifikáciou Sparkplug B nie je kompatibilný. Tá používa vlastnú organizáciu tém a správy kóduje binárne pomocou Protocol Buffers, kým my používame čitateľný formát JSON.

Správa má tieto položky:

Každá metrika má tieto položky:

Okrem nameraných veličín môže zariadenie rovnakým spôsobom posielať aj metriky o sebe samom, napr. stav batérie alebo silu signálu WiFi.

Položka units obsahuje vždy kód jednotky, v ktorej je hodnota uvedená. Kódy jednotiek sú prevzaté zo štandardu SenML (RFC 8428), ktorý ich definuje v registri organizácie IANA. Na rozdiel od značiek, ako napr. °C, obsahujú len znaky ASCII a každá jednotka má práve jeden kód. Odberateľ tak vie hodnotu správne zobraziť bez toho, aby poznal nastavenia zariadenia. Metriky, ktoré jednotku nemajú (napr. počet), položku units neobsahujú.

Príklad správy:

{
  "dt": "2026-10-30T07:05:00Z",
  "metrics": [
    {
      "dt": "2026-10-30T07:00:00Z",
      "name": "temperature",
      "value": 23.4,
      "units": "Cel"
    },
    {
      "dt": "2026-10-30T07:00:00Z",
      "name": "humidity",
      "value": 70,
      "units": "%RH"
    }
  ]
}

Zoznam metrík

Aby bolo možné porovnávať údaje z rôznych zariadení, používajú zariadenia pre rovnaké veličiny rovnaké názvy metrík a jednotky:

Teplotu posielajú zariadenia vždy v stupňoch Celzia, pretože pre stupne Fahrenheita štandard SenML kód nedefinuje.

Stav zariadenia (status)

Správa informuje o dostupnosti zariadenia. Posiela sa s príznakom retain, aby sa posledný známy stav zariadenia dozvedel aj ten, kto sa prihlási na odber neskôr. Má tieto položky:

Stav zariadenia môže mať tieto hodnoty:

Príklad správy po pripojení zariadenia:

{
  "dt": "2026-10-30T07:05:00Z",
  "status": "online"
}

Posledná vôľa sa nastavuje už pri pripájaní, preto čas neobsahuje:

{
  "dt": null,
  "status": "offline"
}

Informácie o zariadení (info)

Správa obsahuje informácie o zariadení, ktoré sa menia len zriedka, napr. po aktualizácii jeho softvéru. Posiela sa s príznakom retain po pripojení k brokeru. Má tieto položky:

Typ zariadenia je síce súčasťou prefixu tém, ale prefix sa dá ľubovoľne nastaviť. Položka device_type preto jednoznačne určuje, o aké zariadenie ide.

Príklad správy:

{
  "dt": "2026-10-30T07:05:00Z",
  "device_type": "thsensor",
  "version": "2026.11",
  "micropython": "1.27.0",
  "ip": "192.168.1.42"
}

Ďalšie zdroje

1. Eclipse Foundation: Sparkplug - špecifikácia tém a správ MQTT pre priemyselný internet vecí, z ktorej vychádza štruktúra správ s nameranými údajmi

2. Eclipse Foundation: The Eclipse Foundation Announces Sparkplug as an International Standard - oznámenie o vydaní špecifikácie ako normy ISO/IEC 20237

3. HiveMQ: Breaking Down MQTT Sparkplug Payload Structures in IIoT Messaging - štruktúra správ v priemyselnom internete vecí

4. HiveMQ: Implementing Unified Namespace (UNS) With MQTT Sparkplug - prístup Unified Namespace a jeho vzťah k špecifikácii Sparkplug

5. Wikipedia: ANSI/ISA-95 - norma, od ktorej sa zvyčajne odvodzujú úrovne hierarchie tém