1. Raspberry Pi + Go で IoT した話
2019-09-25 Takeshi Yaegashi
golang.tokyo #26

2. 自己紹介
八重樫 剛史 Takeshi Yaegashi
● 株式会社バンダイナムコスタジオ所属
● Linux・Unix・OSS・低レベルなことが好きなエンジニア
● ホームページ・ブログ https://l0w.dev
● Go のお仕事
○ Raspberry Pi を使った IoT 案件
○ スマホゲームアプリのサーバ
● Go のお話
○ golang.tokyo #25「golang binary hacks」
○ Go Conference 2019 Autumn「MS Graph API Library for Go (仮)」

3. Raspberry Pi + Go で IoT した事例を紹介します
※ 2018年の事例です。案件について具体的なお話はできません。申しわけありません。
本日のお話
Wi-Fi Router Cloud Services
Edge DevicesThings

4. IoT エッジデバイス・組み込みシステムの開発に適した Go 言語
● マイコン用のクロスコンパイルが驚くほど簡単
$ GOARCH=arm GOARM=6 go get ./cmd/hello
● シングルバイナリが扱いやすい
● 言語レベルの並行処理サポート： goroutine, chan
● システム構築に使えるライブラリ、パッケージの充実
○ 様々なネットワークプロトコルのサポート
○ Linux カーネルなどのシステムプログラミング
本日のお話の背景

5. Raspberry Pi の GPIO・ストレージ・Wi-Fi を使ったデータ収集システム
● エッジデバイス (Raspberry Pi 0/1/2/3)
○ Wi-Fi によるインターネット接続
○ GPIO などでイベント発生を監視、サーバに逐次送信 (MQTT)
○ サーバ接続不良時は発生イベントをMicroSDに蓄積、復旧時に再送
○ ソフトウェアアップデートに対応
● サーバ (AWS)
○ IoT + Lambda + DynamoDB (イベントデータ蓄積)
○ API Gateway + Lambda (デバイス登録APIなど)
○ S3 + CloudFront (アップデート配信)
事例紹介：システム概要

6. 事例紹介：エッジデバイス (Raspberry Pi) のシステム構成
pigpiod
MQTT
wpa_
supplicant
I/O System
Event Queue
(LevelDB)
AWS IoT
dhcpcd
GPIO EthernetWi-Fi
timedated
timesyncd
ClockMicroSD
System
Daemons
Go Process
Hardware
💡💡💡
Goroutine
Library
mutex
chan
named pipe unix socketD-Bus
TLS

7. 組み込み Linux システムを Go で動かす
● 組み込みシステム向けに改造した Raspbian stretch 上で動作
○ 圧縮・耐障害ファイルシステム (squashfs + overlayfs)
○ 圧縮後のシステムイメージサイズは 100MB 程度
● システムコンポーネントと仲良く
○ systemd, dhcpcd, wpa_supplicant などのデーモンを活用
○ IPC (named pipe, unix socket, D-Bus) を利用して Go から制御
● goroutine, chan の活用
○ 基本はリソース専用 goroutine 割り当てと chan による相互通信・同期
○ イベントキューは DB ライブラリ関数内部の mutex 同期を活用
事例紹介：エッジデバイスのシステム設計のポイント

8. コンポーネント紹介：MQTT
Eclipse Paho MQTT Go client
● https://github.com/eclipse/paho.mqtt.golang
● 定番の MQTT 通信ライブラリ
● X.509 証明書によりクライアントの認証
● QoS=1 でサーバへのデータ到達を保証

9. コンポーネント紹介：イベントキュー
LevelDB によるイベントキューの実装
● goleveldb - https://github.com/syndtr/goleveldb
○ LevelDB の Go による実装
● goque - https://github.com/beeker1121/goque
○ goleveldb による stack/queue/priority queue
○ イベントキュー実装において参考にした
● DB 障害対策
○ Micro SD に専用のパーティション・ファイルシステム (ext4) を作る
○ DB が壊れたら Recover() で修復、だめなら mkfs して初期化

10. コンポーネント紹介：Wi-Fi 制御
wpa_supplicant / dhcpcd
● wpasupplicant - https://github.com/dpifke/golang-wpasupplicant
○ wpa_supplicant と unix socket で通信するライブラリ
○ WPAのSSID/PSKの設定やAPスキャンなどができる
● dhcpcd - WPA 接続が確立すると自動的に IP アドレスを取得してくれる
● この他、エッジデバイスの設置と運用を支援するため、定期的にAPスキャンを行い
Wi-Fi電波情報をイベントキューに入れてサーバに送信している

11. コンポーネント紹介：システム時刻設定
systemd-timedated / systemd-timesyncd
● システム時刻、タイムゾーン、NTP 設定は
systemd により管理されている
● 基本的な NTP クライアントは systemd に内
蔵されている
● timedatectl - CLI
○ タイムゾーンや時刻設定に使用
● godbus - https://github.com/godbus/dbus
○ D-Bus で制御することもできる
$ timedatectl
Local time: Wed 2019-09-25 05:03:11 JST
Universal time: Tue 2019-09-24 20:03:11 UTC
RTC time: n/a
Time zone: Asia/Tokyo (JST, +0900)
Network time on: yes
NTP synchronized: yes
RTC in local TZ: no
$ timedatectl set-timezone Japan
$ timedatectl set-ntp false
$ timedatectl set-time "2019-09-25 19:00:00"

12. コンポーネント紹介：GPIO 制御
pigpio による GPIO 制御
● pigpio - http://abyz.me.uk/rpi/pigpio/
○ Raspberry Pi の GPIO を内蔵ハードで制御する C 言語のライブラリ
○ PCM/PWM クロックと GPU DMA で高速・高精度・低負荷な入出力
○ スクリプティングエンジン搭載
● pigpiod - pigpio デーモン
○ 名前つきパイプやソケットで別プロセスから制御
● pigs - pigpiod のクライアント CLI
● apt-get install pigpio でインストール可能

13. コンポーネント紹介：GPIO 制御
# GPIO 5 状態読み取り
$ pigs "R 5"
0
# GPIO 4 出力モード 500ms "1" パルス出力
$ pigs "M 4 W W 4 0"
$ pigs "W 4 1 MILS 500 W 4 0"
# GPIO 0-3 状態変化を /dev/pigpio0 に通知
$ pigs "NO"
0
$ pigs "NB 0 0x0000000F"
$ cat /dev/pigpio0
@?2$8??!@*??;??!@9DK???!@B??B??!@QWrF??!
pigpio スクリプト http://abyz.me.uk/rpi/pigpio/pigs.html

14. コンポーネント紹介：GPIO 制御
pin, err := os.OpenFile("/dev/pigpio", os.O_RDWR, 0)
if err != nil { return err}
defer pin.Close()
pout, err := os.Open("/dev/pigout")
if err != nil { return err }
defer pout.Close()
pin.Write([]byte("W 4 1 MILS 500 W 4 0")) // 3命令のスクリプトを実行
buf := make([]byte, 128) // 3命令の実行結果を取得
n, err := pout.Read(buf)
if err != nil { return err }
fmt.Printf("%sn", string(buf[:n])) // "0n0n0n"を表示(成功×3)
Go + pigpiod：named pipe (文字列) や socket (バイナリ)で制御可能

15. コンポーネント紹介：GPIO 制御
Go + pigpiod：用途を選ぶが、はまれば非常に便利
● 利点
○ Go だけでは難しいレベルのリアルタイム I/O が可能になる
○ 全 GPIO 端子で解像度 5μs (200kHz) の入出力を実現
○ 強力なスクリプトで様々な機能を実装可能
■ チャタリング除去つきの入力パルス検出
■ プロシージャによるインジケータLED自動点滅制御
● 欠点
○ 遅延が大きい (スクリプト制御は必ずコンテキストスイッチを伴う)
○ pigpiod の CPU 負荷が高い (3B+ で 7〜10%)

16. コンポーネント紹介：GPIO 制御
その他の Go I/O ライブラリの紹介
● gobot.io - https://gobot.io
○ Raspberry Pi 以外もサポートする汎用のライブラリ
○ メモリマップ I/O による低遅延な入出力
● periph.io - https://periph.io
○ gobot.io と同様な汎用ライブラリ
○ 徹底した高速化・最適化
○ pigpio のような GPU DMA 入出力を pure Go で実装
○ 開発が活発、現時点で一番おすすめできるライブラリ

17. まとめ
Raspberry Pi + Go で IoT エッジデバイスを作った事例を紹介しました
IoT や組み込みの分野で Go をもっと活用していきましょう！