実践：Raspberry Piで設備監視システムを作る
HowTo11分で読めます
このシリーズ: 全5回
はじめに
前回までの記事で、MQTTとPub/Subモデルの概念を理解しました。
今回は実際にRaspberry Piを使って、 工場の設備監視システムを構築してみましょう。
完成イメージ
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ │
│ 【工場フロア】 │
│ │
│ ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌─────────┐ │
│ │📷 カメラ1│ │📷 カメラ2│ │📷 カメラ3│ │
│ │ 設備A │ │ 設備B │ │ 設備C │ │
│ │ 🟢稼働 │ │ 🔴停止 │ │ 🟡異常 │ │
│ └────┬────┘ └────┬────┘ └────┬────┘ │
│ │ │ │ │
│ │ Wi-Fi │ │ │
│ └─────────────┼─────────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌──────────────────────────────────┐ │
│ │ 🖥️ 中継機（このRaspberry Pi） │ │
│ │ │ │
│ │ ・MQTTブローカー (Mosquitto) │ │
│ │ ・Oracle連携ブリッジ │ │
│ └──────────────────┬───────────────┘ │
│ │ │
│ │ インターネット │
│ ▼ │
│ ┌──────────────────────────────────┐ │
│ │ ☁️ Oracle Cloud Database │ │
│ │ データ蓄積・分析 │ │
│ └──────────────────────────────────┘ │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘システム構成の解説
なぜこの構成が良いの？
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❌ 悪い例：各カメラから直接クラウドへ
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┌─────────┐ インターネット ┌─────────┐
│ カメラ1 │ ─────────────────────→ │ Cloud │
└─────────┘ └─────────┘
┌─────────┐ ┌─────────┐
│ カメラ2 │ ─────────────────────→ │ Cloud │
└─────────┘ └─────────┘
┌─────────┐ ┌─────────┐
│ カメラ3 │ ─────────────────────→ │ Cloud │
└─────────┘ └─────────┘
問題点:
・各カメラにクラウドの認証情報が必要（セキュリティリスク）
・インターネット障害で全停止
・カメラが増えるたびにクラウド設定が必要
✅ 良い例：中継機を経由
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┌─────────┐
│ カメラ1 │ ─┐
└─────────┘ │
│ ローカル ┌─────────┐ インターネット ┌─────────┐
┌─────────┐ │ ネットワーク │ 中継機 │ ───────────→ │ Cloud │
│ カメラ2 │ ──┼────────────→│ │ └─────────┘
└─────────┘ │ └─────────┘
│
┌─────────┐ │
│ カメラ3 │ ─┘
└─────────┘
メリット:
・クラウド認証情報は中継機だけ（セキュリティ向上）
・ローカルで一時保存可能（障害耐性）
・カメラ追加が簡単（中継機を見るだけ）中継機の役割
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┌────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 中継機の内部構造 │
├────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 入口（受信） │
│ ┌────────────────────────────────────────┐ │
│ │ Mosquitto (MQTTブローカー) │ │
│ │ │ │
│ │ ポート1883で待ち受け │ │
│ │ equipment/status/# を受信 │ │
│ └────────────────────┬───────────────────┘ │
│ │ │
│ │ メッセージ配信 │
│ ▼ │
│ 処理（変換・保存） │
│ ┌────────────────────────────────────────┐ │
│ │ MQTT-Oracle ブリッジ │ │
│ │ │ │
│ │ ① MQTTメッセージを受信 │ │
│ │ ② JSONデータを解析 │ │
│ │ ③ Oracleに保存 │ │
│ │ ④ 重複チェック（同一秒はスキップ） │ │
│ └────────────────────┬───────────────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ 出口（送信） │
│ ┌────────────────────────────────────────┐ │
│ │ Oracle Cloud Database │ │
│ │ │ │
│ │ テーブル: EQUIPMENT_STATUS │ │
│ │ カラム: MK_DATE, STA_NO1-3, T1_STATUS │ │
│ └────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└────────────────────────────────────────────────────────────┘データの流れ（詳細）
Step 1: カメラが色を検知
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┌────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ カメラ側の処理 │
├────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ┌──────────────────┐ │
│ │ 📷 カメラ │ │
│ │ │ │
│ │ ┌────────────┐ │ │
│ │ │ 🟢 緑の領域 │ │ ← 設備のランプを監視 │
│ │ └────────────┘ │ │
│ └────────┬─────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌──────────────────┐ │
│ │ 色検知プログラム │ │
│ │ │ │
│ │ 緑 → status: 1 │ （稼働中） │
│ │ 赤 → status: 2 │ （停止） │
│ │ 黄 → status: 3 │ （異常） │
│ └────────┬─────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ JSONデータを生成: │
│ { │
│ "mk_date": "20260205120000", │
│ "sta_no1": "FACTORY01", │
│ "sta_no2": "LINE01", │
│ "sta_no3": "EQ001", │
│ "t1_status": 1 │
│ } │
│ │
└────────────────────────────────────────────────────────────┘Step 2: MQTTで送信
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┌────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ MQTT送信 │
├────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ カメラ側 │
│ ┌──────────────────────────────────────┐ │
│ │ import paho.mqtt.client as mqtt │ │
│ │ │ │
│ │ client = mqtt.Client() │ │
│ │ client.connect("192.168.32.213") │ ← 中継機のIP │
│ │ │ │
│ │ client.publish( │ │
│ │ "equipment/status/EQ001", │ ← トピック │
│ │ json.dumps(data) │ ← データ │
│ │ ) │ │
│ └──────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ │ │
│ │ Wi-Fi / LAN │
│ ▼ │
│ │
│ 中継機側 │
│ ┌──────────────────────────────────────┐ │
│ │ Mosquitto │ │
│ │ │ │
│ │ "equipment/status/EQ001" に │ │
│ │ メッセージが到着！ │ │
│ │ │ │
│ │ → 購読者（ブリッジ）に配信 │ │
│ └──────────────────────────────────────┘ │
│ │
└────────────────────────────────────────────────────────────┘Step 3: ブリッジがOracleに保存
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┌────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Oracle保存 │
├────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ブリッジ │
│ ┌──────────────────────────────────────┐ │
│ │ def on_message(client, userdata, msg): │
│ │ │ │
│ │ # JSONを解析 │ │
│ │ data = json.loads(msg.payload) │ │
│ │ │ │
│ │ # Oracleに保存 │ │
│ │ cursor.execute(""" │ │
│ │ INSERT INTO EQUIPMENT_STATUS │ │
│ │ (MK_DATE, STA_NO1, STA_NO2, │ │
│ │ STA_NO3, T1_STATUS) │ │
│ │ VALUES (:1, :2, :3, :4, :5) │ │
│ │ """, [...]) │ │
│ └──────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ │ │
│ │ インターネット (HTTPS) │
│ ▼ │
│ │
│ Oracle Cloud │
│ ┌──────────────────────────────────────┐ │
│ │ EQUIPMENT_STATUS テーブル │ │
│ │ │ │
│ │ MK_DATE | STA_NO3 | STATUS │ │
│ │ ─────────────────────────────────── │ │
│ │ 20260205120000 | EQ001 | 1 │ │
│ │ 20260205120001 | EQ002 | 2 │ │
│ │ 20260205120002 | EQ001 | 1 │ │
│ └──────────────────────────────────────┘ │
│ │
└────────────────────────────────────────────────────────────┘複数カメラの場合
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┌────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 複数カメラの運用 │
├────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ Raspberry Pi #1 (192.168.32.100) │
│ ┌─────────────────────┐ │
│ │ カメラ: 設備A監視 │ │
│ │ STA_NO3: EQ001 │ ──┐ │
│ └─────────────────────┘ │ │
│ │ │
│ Raspberry Pi #2 (192.168.32.101) │
│ ┌─────────────────────┐ │ │
│ │ カメラ: 設備B監視 │ │ すべて同じトピック │
│ │ STA_NO3: EQ002 │ ──┼─ equipment/status/XXX │
│ └─────────────────────┘ │ │
│ │ │
│ Raspberry Pi #3 (192.168.32.102) │
│ ┌─────────────────────┐ │ │
│ │ カメラ: 設備C監視 │ │ │
│ │ STA_NO3: EQ003 │ ──┘ │
│ └─────────────────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ 中継機 (192.168.32.213) │
│ ┌─────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ │ │
│ │ Mosquitto: equipment/status/# を受信 │ │
│ │ │ │
│ │ → EQ001のデータ来た！→ Oracle保存 │ │
│ │ → EQ002のデータ来た！→ Oracle保存 │ │
│ │ → EQ003のデータ来た！→ Oracle保存 │ │
│ │ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ ポイント: │
│ ・各カメラは自分のSTA_NO3だけ変えればOK │
│ ・中継機の設定変更は不要 │
│ ・カメラを追加しても中継機はそのまま動く │
│ │
└────────────────────────────────────────────────────────────┘障害に強い理由
ケース1: インターネット障害
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┌────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ インターネットが切れた場合 │
├────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ カメラ → 中継機: ✅ 動作継続 │
│ （ローカルネットワークは生きている） │
│ │
│ 中継機 → Oracle: ❌ 一時停止 │
│ （インターネットが切れている） │
│ │
│ 対策オプション: │
│ ┌─────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ ・中継機にローカルDBを追加 │ │
│ │ ・ファイルにバッファリング │ │
│ │ ・復旧後に再送信 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
└────────────────────────────────────────────────────────────┘ケース2: カメラ1台が故障
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┌────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ カメラ1台が故障した場合 │
├────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ カメラ1: ❌ 故障 │
│ カメラ2: ✅ 正常動作 │
│ カメラ3: ✅ 正常動作 │
│ 中継機: ✅ 正常動作 │
│ Oracle: ✅ 正常動作 │
│ │
│ → 他のカメラは影響なし！ │
│ → 疎結合のメリット │
│ │
└────────────────────────────────────────────────────────────┘コスト比較
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┌────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ コスト比較 │
├────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ オープンソース（今回の構成） │ │
│ ├─────────────────────────────────────────────┤ │
│ │ Mosquitto : 無料 │ │
│ │ Python : 無料 │ │
│ │ paho-mqtt : 無料 │ │
│ │ Oracle Always Free: 無料 │ │
│ │ ───────────────────────────────── │ │
│ │ 合計: 0円/月 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 商用IoTプラットフォーム │ │
│ ├─────────────────────────────────────────────┤ │
│ │ AWS IoT Core : $1.00/100万メッセージ │ │
│ │ Azure IoT Hub : $25~/月〜 │ │
│ │ Google Cloud IoT : $0.0045/MB │ │
│ │ ───────────────────────────────── │ │
│ │ 合計: 数千円〜数万円/月 │ │
│ └─────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ ※ 商用サービスは管理機能・セキュリティが充実 │
│ ※ 小規模なら自前構築、大規模なら商用サービスを検討 │
│ │
└────────────────────────────────────────────────────────────┘まとめ
今回作ったシステム
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│ │
│ 📷 カメラ(複数) ─→ 🖥️ 中継機 ─→ ☁️ Oracle Cloud │
│ │
│ ・カメラ: 色を検知してMQTT送信 │
│ ・中継機: Mosquitto + ブリッジ │
│ ・クラウド: データ蓄積・分析 │
│ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘MQTTを使うメリット（まとめ）
| メリット | 説明 |
|---|---|
| 軽量 | 電池駆動のセンサーでも使える |
| リアルタイム | 変化があれば即座に通知 |
| スケーラブル | 機器を追加しても設定変更が少ない |
| 疎結合 | 1台壊れても他に影響しない |
| 無料 | Mosquittoはオープンソース |