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Summary
この記事では、Android上でのMQTTクライアント開発について詳しく探求します。このガイドはプロジェクトを成功させるための重要な知識や技術を提供します。 Key Points:
- MQTT 5.0では、セキュリティとQoSの柔軟性が大幅に向上し、特に産業IoTでの安全なデータ伝送が可能になります。
- 分散型MQTTブローカーを活用することで、エッジコンピューティングとの連携が強化され、リアルタイムで信頼性の高いシステム構築が実現できます。
- AI技術と組み合わせることで、MQTT経由で収集したデータを迅速に分析し、遅延に敏感なアプリケーションでも効果的な意思決定が行えます。
MQTTとは何か
### AndroidとMQTT：シンプルガイド
#### MQTTクライアントをAndroidで開発する方法
**シンプルさは真のエレガンスの鍵です。**
MQTTは**Message Queuing Telemetry Transport**の略で、主に機械間通信（M2M）やモノのインターネット（IoT）において使用される強力なメッセージングプロトコルです。リソースが限られたデバイスとの相性が良く、実装が容易なため、これらのコンテキストで特に好まれています。
では、この利点を活かしてスマートフォンでもMQTTを利用しない手はありません。この記事では、**MQTTプロトコル**を活用した**Androidモバイルアプリケーション**の開発について見ていきます。
さらに、MQTTの原理として「パブリッシュ/サブスクライブモデル」を詳しく説明し、どのようにメッセージが送受信されるか具体的に示すことも大切です。このモデルは軽量で帯域幅を節約できる特性を持ち、QoS（Quality of Service）レベルについても言及することで、その実用性がより理解しやすくなるでしょう。また、IoTデバイスとの連携事例を挙げれば、読者の興味も引きやすくなります。
#### MQTTクライアントをAndroidで開発する方法
**シンプルさは真のエレガンスの鍵です。**
MQTTは**Message Queuing Telemetry Transport**の略で、主に機械間通信（M2M）やモノのインターネット（IoT）において使用される強力なメッセージングプロトコルです。リソースが限られたデバイスとの相性が良く、実装が容易なため、これらのコンテキストで特に好まれています。
では、この利点を活かしてスマートフォンでもMQTTを利用しない手はありません。この記事では、**MQTTプロトコル**を活用した**Androidモバイルアプリケーション**の開発について見ていきます。
さらに、MQTTの原理として「パブリッシュ/サブスクライブモデル」を詳しく説明し、どのようにメッセージが送受信されるか具体的に示すことも大切です。このモデルは軽量で帯域幅を節約できる特性を持ち、QoS（Quality of Service）レベルについても言及することで、その実用性がより理解しやすくなるでしょう。また、IoTデバイスとの連携事例を挙げれば、読者の興味も引きやすくなります。
プロジェクトにMQTTを選ぶ理由
MQTTをプロジェクトに選ぶ理由として、HTTPプロトコルと比較した場合の利点があります。なぜMQTTを選ぶべきなのでしょうか？以下に主要な特徴を簡潔にまとめた比較表を示します。要約すると、MQTTはHTTPに比べて**シンプル**で、**軽量**、そしてより**安全性が高い**と言えます。次のセクションでは、この表で挙げた重要な概念について詳しく分析していきます。
## MQTTとは
MQTTは、**パブリッシュ・サブスクライブ型のクライアント-サーバー方式のメッセージングトランスポートプロトコルです。
## MQTTとは
MQTTは、**パブリッシュ・サブスクライブ型のクライアント-サーバー方式のメッセージングトランスポートプロトコルです。
Extended Perspectives Comparison:
| 特長 | MQTT | HTTP |
|---|---|---|
| シンプルさ | 高い | 低い |
| 軽量性 | 高い | 低い |
| 通信の安全性 | 高い (オプションでユーザー名・パスワード) | 中程度 |
| メッセージ配信保証 (QoS) | 0, 1, 2 の選択肢あり | なし |
MQTTの基本概念を理解する
**パブリッシュ・サブスクライブ**アーキテクチャでは、送信者である**パブリッシャー**が特定の受信者である**サブスクライバー**に直接メッセージを送ることはありません。代わりに、パブリッシャーは発行するメッセージを「カテゴリ」（トピックと呼ばれる）に分類しますが、その際、どのサブスクライバーがいるかについては何も知りません。パブリッシャーとサブスクライバーは互いに直接連絡を取り合うことなく、両者の間には第三の要素である**ブローカー**が存在します。このような仕組みの実生活での例としては、新spaper（新聞）が挙げられます。ジャーナリスト（パブリッシャー）は新聞にさまざまな記事を書きますが、それを読む読者（サブスクライバー）が何人いて、誰なのかを知ることはありません。このような構造によって、情報の配信と受信が効率的に行われます。
パブリッシュ・サブスクライブ方式について
**クライアント-サーバー**アーキテクチャにおいて、_クライアント_はサービスを利用するために_サーバー_に接続します。MQTTの文脈では、MQTTクライアントはネットワークを通じてMQTTブローカーに接続するデバイスです。MQTTブローカー（_サーバー_）が提供するサービスは、1つまたは複数のトピックへの公開や購読の機能です。この場合、MQTTクライアントは公開者と購読者の役割を持つことができるため、両方の機能を果たすことも可能です。さて、通信を始めましょう: 接続についてですが、メッセージ交換を開始する前に、クライアントはまず**CONNECT**メッセージをブローカーに送信して通信を開始する必要があります。}
{このプロセスでは、MQTTプロトコルの基本的な原則やメッセージフローについても考慮すると良いでしょう。具体的には、異なるQoS（Quality of Service）レベルがどのように通信品質に影響を与えるか、それぞれの利点と欠点について詳しく説明し、多様なユースケースや実際のデモコードも紹介できます。これによって読者が選択肢や実装時の注意点をより理解しやすくなるでしょう。また、この情報によって特定のシナリオでどんな効果が得られるか想像しやすくなります。
{このプロセスでは、MQTTプロトコルの基本的な原則やメッセージフローについても考慮すると良いでしょう。具体的には、異なるQoS（Quality of Service）レベルがどのように通信品質に影響を与えるか、それぞれの利点と欠点について詳しく説明し、多様なユースケースや実際のデモコードも紹介できます。これによって読者が選択肢や実装時の注意点をより理解しやすくなるでしょう。また、この情報によって特定のシナリオでどんな効果が得られるか想像しやすくなります。
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Free Imagesクライアントとサーバーの関係性
クライアントがブローカーに対して自己紹介をする際に提供される主な情報は以下の通りです。
- **ClientID**: ClientIDは、ブローカーがクライアントを識別し、その情報（セッションと呼ばれる）を保存するためのユニークなIDです。空のClientIDは「匿名」の接続を意味し、この場合、ブローカーはクライアントに関する情報を記憶しません。
- **CleanSession**: CleanSessionが**false**に設定されている場合、ブローカーは既存のセッション情報を使用し、以前にキューされたメッセージをクライアントに配信します。一方で、このフラグが**true**の場合、すべての既存のセッションとメッセージが破棄されます（空のClientIdの場合には必ず必要です）。
- **KeepAlive**: この間隔は秒単位で表され、ブローカーとクライアントとの連絡がなくても最大でどれくらい時間が経過できるかを定義します。クライアントはKeepAlive期間内に定期的にPINGメッセージを送信して接続を維持する必要があります。
- **UsernameおよびPassword（オプション）**: クライアントは通信の安全性向上のためにユーザー名とパスワードを送信できます。
- **WillMessage（オプション）**: クライアントはMQTTメッセージとして最後の意志メッセージを指定できます。このメッセージは、クライアントが「不正」に切断した際に、ブローカーによってそのクライアント名義で送信されます。
### トピック
前述したように、MQTTブローカーではトピックを使用してどのサブスクライバーがどのメッセージを受け取るか決定します。クライアントはトピックを利用する前にそれら自体を作成することなく使用できます。サーバー側では有効なトピックごとに初期化なしで受け入れます。トピックとは次の特徴があります：
- 最低でも1文字以上
- 大文字小文字区別あり
- 複数レベルから構成され、「/」で区切られている
例えば、自宅周辺に散在する温度センサーについて考えてみましょう。これらのセンサーはMQTTプロトコル経由でサーモスタットと通信し、その情報によって家庭用暖房システムが調整されています。それぞれの温度センサー（パブリシャー）は特定のMQTTトピック上で温度データを書き込み、そのサーモスタット（サブスクライバー）はこれらトピックから温度データを見ることで監視しています。以下、一例として温度計測値発表用トピック構造をご覧ください：
### パブリッシュ
クライアントは特定トピックへのデータを書き込む際には**PUBLISH**メッセージ を使用します。このメッセージには次の情報が含まれています：
- **Topic Name**
- **Payload:** メッセージ内容。このペイロード部分もまたデータ無関係型でありアルファベットおよび数字からなる文字列として解釈される必要があります。
- **QoSレベル:** サービス品質レベル（0, 1, 2） を示すものです。
- **Retain flag:** メッセージが最後知られている良好な値として保存されるべきかどうか決めます。このフラグによって、新たな参加者がこのトピックへ加入した時点でも保持された最新メッセージ受け取ります。
例えばキッチン部屋内温度計測器から発表された内容について見てみましょう：
ここでは室内温度が摂氏度(°C)表示となり、小数点数形式になっていますので、サーモスタット側もこの表現法則理解しておく必要があります。
### サブスクライブ
特定テーマについて通知や更新内容など受信希望の場合には、クライアントより***SUBSCRIBE***メッ세ジ が送付されます。この中身には次項目リスト形式となった購読内容集合体： - トピック名 - QoS レベル という形になります。
ここでは一例としてサーモスタット側全て センサートピックへの購読登録状況をご紹介しました。
- **ClientID**: ClientIDは、ブローカーがクライアントを識別し、その情報（セッションと呼ばれる）を保存するためのユニークなIDです。空のClientIDは「匿名」の接続を意味し、この場合、ブローカーはクライアントに関する情報を記憶しません。
- **CleanSession**: CleanSessionが**false**に設定されている場合、ブローカーは既存のセッション情報を使用し、以前にキューされたメッセージをクライアントに配信します。一方で、このフラグが**true**の場合、すべての既存のセッションとメッセージが破棄されます（空のClientIdの場合には必ず必要です）。
- **KeepAlive**: この間隔は秒単位で表され、ブローカーとクライアントとの連絡がなくても最大でどれくらい時間が経過できるかを定義します。クライアントはKeepAlive期間内に定期的にPINGメッセージを送信して接続を維持する必要があります。
- **UsernameおよびPassword（オプション）**: クライアントは通信の安全性向上のためにユーザー名とパスワードを送信できます。
- **WillMessage（オプション）**: クライアントはMQTTメッセージとして最後の意志メッセージを指定できます。このメッセージは、クライアントが「不正」に切断した際に、ブローカーによってそのクライアント名義で送信されます。
### トピック
前述したように、MQTTブローカーではトピックを使用してどのサブスクライバーがどのメッセージを受け取るか決定します。クライアントはトピックを利用する前にそれら自体を作成することなく使用できます。サーバー側では有効なトピックごとに初期化なしで受け入れます。トピックとは次の特徴があります：
- 最低でも1文字以上
- 大文字小文字区別あり
- 複数レベルから構成され、「/」で区切られている
例えば、自宅周辺に散在する温度センサーについて考えてみましょう。これらのセンサーはMQTTプロトコル経由でサーモスタットと通信し、その情報によって家庭用暖房システムが調整されています。それぞれの温度センサー（パブリシャー）は特定のMQTTトピック上で温度データを書き込み、そのサーモスタット（サブスクライバー）はこれらトピックから温度データを見ることで監視しています。以下、一例として温度計測値発表用トピック構造をご覧ください：
myhome/groundfloor/kitchen
myhome/groundfloor/dining
myhome/groundfloor/livingroom
myhome/groundfloor/bedroom1
myhome/groundfloor/bedroom2
myhome/groundfloor/bathroom
### パブリッシュ
クライアントは特定トピックへのデータを書き込む際には**PUBLISH**メッセージ を使用します。このメッセージには次の情報が含まれています：
- **Topic Name**
- **Payload:** メッセージ内容。このペイロード部分もまたデータ無関係型でありアルファベットおよび数字からなる文字列として解釈される必要があります。
- **QoSレベル:** サービス品質レベル（0, 1, 2） を示すものです。
- **Retain flag:** メッセージが最後知られている良好な値として保存されるべきかどうか決めます。このフラグによって、新たな参加者がこのトピックへ加入した時点でも保持された最新メッセージ受け取ります。
例えばキッチン部屋内温度計測器から発表された内容について見てみましょう：
Topic name: myhome/groundfloor/kitchen
Payload: 21.5
QoS level: 1
Retain flag: false
ここでは室内温度が摂氏度(°C)表示となり、小数点数形式になっていますので、サーモスタット側もこの表現法則理解しておく必要があります。
### サブスクライブ
特定テーマについて通知や更新内容など受信希望の場合には、クライアントより***SUBSCRIBE***メッ세ジ が送付されます。この中身には次項目リスト形式となった購読内容集合体： - トピック名 - QoS レベル という形になります。
ここでは一例としてサーモスタット側全て センサートピックへの購読登録状況をご紹介しました。
MQTTブローカーへの接続方法
私の家/1階/キッチンに関するQoSレベルは1です。私の家/1階/ダイニングについても同様で、QoSレベルは1となっています。また、バスルームに関してもQoSレベルは1です。
### 購読解除
既存のトピックへの購読を削除するためには、クライアントはブローカーに対して**UNSUBSCRIBE**メッセージを送信します。この内容は、購読メッセージと同じく、一連の購読リストが含まれています。
### QoS: サービス品質
QoSレベルとは、送信者と受信者間でメッセージ配信の保証に関する合意を指します。しかし、なぜこれが重要なのでしょうか？それは**信頼性**を向上させるからです。MQTTプロトコルではメッセージの再送信管理や配信保証が行われており、不安定なネットワーク環境でもコミュニケーションを簡素化しています。ここには3つのレベルがあります：
- _0 - 最多一度_ 配信に対する保証がなく、このレベルは「_火を放って忘れる_」とも呼ばれます。これは安定した通信チャネルがあり、メッセージロスが許容される場合に使用してください。
トピックの重要性と設定方法
MQTTプロトコルにおけるメッセージ配信の品質について考えると、少なくとも一度（At least once）というモードは、受信者に対してメッセージが「最低でも一回」は届けられることを保証します。これは、クライアントが重複したメッセージを許容できる場合に使用するのが適しています。この方式は非常に一般的に利用されています。一方で、まさしく一度（Exactly once）というモードでは、受信者に対してメッセージが「ただ一度だけ」届くことを保証します。これは、アプリケーションが非常に重要であり、損失や重複したメッセージを許容できない場合には最適です。QoSレベルを上げることで通信の信頼性は向上しますが、一方でパフォーマンスは低下する可能性があります。
さて、AndroidでMQTTプロトコルを扱うのは比較的簡単です。MQTTはTCP/IPスタック上で動作するため、モバイルデバイスにはインターネットへの接続能力さえあれば十分です。現在利用可能なAndroid用のMQTTライブラリはいくつかありますが、それらは良好なドキュメントも整っており、高い機能性を持っています。このようなライブラリを使うことで、実際の設定やサンプルコードも提供されているため、その実装過程も理解しやすくなるでしょう。
さて、AndroidでMQTTプロトコルを扱うのは比較的簡単です。MQTTはTCP/IPスタック上で動作するため、モバイルデバイスにはインターネットへの接続能力さえあれば十分です。現在利用可能なAndroid用のMQTTライブラリはいくつかありますが、それらは良好なドキュメントも整っており、高い機能性を持っています。このようなライブラリを使うことで、実際の設定やサンプルコードも提供されているため、その実装過程も理解しやすくなるでしょう。
メッセージの発行（Publish）の仕組み
最も有名なライブラリには、Eclipse Paho Android ServiceやHiveMQ MQTT Clientライブラリがあります。私はEclipse Pahoライブラリを選びましたが、それは最も広く使われており、さまざまなプログラミング言語やプラットフォームで実装されているからです。Android StudioにPahoライブラリをインポートする方法についての指示がこちらにあります。それでは、コーディングを始めましょう！### サンプルのMQTT AndroidアプリこのMQTT Pahoライブラリの使用方法をより深く理解するために、Kotlin言語でシンプルなAndroidモバイルアプリケーションを開発しました。このアプリは2つのフラグメントで構成されています：- **接続**フラグメントこれは接続したいMQTTブローカーの詳細情報を入力できるようになっています。
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メッセージ受信のための購読（Subscribe）方法
このページでは、MQTTブローカーとのインタラクションを通じてトピックへの発行や購読ができます。まず最初に、MQTTブローカーに接続する必要があります。無料またはビジネス向けのMQTTブローカーサービスを提供しているサイトはいくつかあります。以下にリストアップしますね：- HiveMQ - Mosquitto - CloudMqtt - Adafruit IO デモンストレーションの目的で、こちらの無料のHiveMQパブリックMQTTブローカーを使用しますが、一般的にはAdafruit IOをお勧めします。その理由は、多彩なダッシュボードやその他の機能が提供されているからです。それでは、「接続」フラグメントについて詳しく見ていきましょう。
通信を終了するための切断手順
このページでは、MQTTブローカーの接続詳細を入力することができます。以下の例では、_Server URI_ を入力しましたが、他のフィールドは空白のままにしています。なぜなら、私たちは**公開サーバー**を使用しているため、この情報は必要ないからです。このページを開くことで、MQTT Androidクライアントがインスタンス化されます。_MQTTClient_ は _Paho Library_ のラッパーであり、MQTTトランスポートプロトコルの主要な機能を実装しています。以下にクラス宣言とその主な機能について示します。
"_CONNECT_" ボタンを押すと、MQTTブローカーへの接続手続きが始まります。
### ブローカーと通信する: パブリッシュ
もしMQTTブローカーへの接続が成功すると、あなたは **Client** フラグメントにリダイレクトされます。"_Topic_" と "_Message_" フィールドに必要なメッセージを入力し "_PUBLISH_" ボタンを押すことで、そのトピックにメッセージを送信します。以下は **publish()** 関数のコードスニペットです。
### ブローカーから何か教えて: サブスクライブとアン・サブスクライブ
ブローカーからメッセージを受け取りたい場合は、トピックにサブスクライブする必要があります。そのためには "_Topic_" フィールドにトピック名を入力し "_SUBSCRIBE_" ボタンを押してください。このボタンをクリックした際には次のような処理が行われます。
購読したトピックでメッセージが公開されると、「_Toast_」メッセージで通知されます。また特定のトピックからメッセージ受信を停止したい場合は、そのトピック名で "_Topic_" フィールドに記入し "_UNSUBSCRIBE_" ボタンを押してください。ここでは **unsubscribe()** 関数も示します。
### さよなら: 切断
ブローカーとの通信を適切に終了するためには、「_DISCONNECT_」ボタンを押して切断メッセージを送信する必要があります。以下は **disconnect()** 関数です。
## 結論
これで全てです！MQTTとの作業がどれほど簡単か見ていただけましたでしょうか？次回サーバー通信にはHTTP/RESTではなく、軽量で実装が容易なプロトコルとして**MQTT** を考慮してみてください。
## 参考文献
さらにMQTTについて学びたい方には _[HiveMQ MQTT Essentials guide]_ をお勧めします。
"_CONNECT_" ボタンを押すと、MQTTブローカーへの接続手続きが始まります。
### ブローカーと通信する: パブリッシュ
もしMQTTブローカーへの接続が成功すると、あなたは **Client** フラグメントにリダイレクトされます。"_Topic_" と "_Message_" フィールドに必要なメッセージを入力し "_PUBLISH_" ボタンを押すことで、そのトピックにメッセージを送信します。以下は **publish()** 関数のコードスニペットです。
### ブローカーから何か教えて: サブスクライブとアン・サブスクライブ
ブローカーからメッセージを受け取りたい場合は、トピックにサブスクライブする必要があります。そのためには "_Topic_" フィールドにトピック名を入力し "_SUBSCRIBE_" ボタンを押してください。このボタンをクリックした際には次のような処理が行われます。
購読したトピックでメッセージが公開されると、「_Toast_」メッセージで通知されます。また特定のトピックからメッセージ受信を停止したい場合は、そのトピック名で "_Topic_" フィールドに記入し "_UNSUBSCRIBE_" ボタンを押してください。ここでは **unsubscribe()** 関数も示します。
### さよなら: 切断
ブローカーとの通信を適切に終了するためには、「_DISCONNECT_」ボタンを押して切断メッセージを送信する必要があります。以下は **disconnect()** 関数です。
## 結論
これで全てです！MQTTとの作業がどれほど簡単か見ていただけましたでしょうか？次回サーバー通信にはHTTP/RESTではなく、軽量で実装が容易なプロトコルとして**MQTT** を考慮してみてください。
## 参考文献
さらにMQTTについて学びたい方には _[HiveMQ MQTT Essentials guide]_ をお勧めします。
Reference Articles
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