Pico 2 W × Thonny｜第 6 次課程

MQTT 與 IoT 雙向通訊

前一篇已把感測資料整理成 JSON。本篇將資料放進 MQTT 訊息，讓 Pico 2 W 發布感測資料，也訂閱控制主題接收命令。這樣裝置不只會「上傳」，也能從網路接收控制，形成 IoT 的雙向通訊。

一、MQTT 的三個角色

MQTT 使用 Broker（訊息代理伺服器）中轉訊息。Publisher 將訊息發布到某個 Topic；Subscriber 訂閱感興趣的 Topic。Broker 依照訂閱關係轉送訊息，因此 Publisher 通常不需要知道每一個 Subscriber 的網路位置。

Publisher 發布者把訊息送到指定 Topic，例如 Pico 上傳感測資料。

Broker 代理伺服器接收、管理並轉送訊息，是通訊中介。

Subscriber 訂閱者訂閱 Topic 並接收訊息，例如電腦 Dashboard。

同一台 Pico 可以同時扮演 Publisher 與 Subscriber：它發布感測值，也訂閱控制命令。

二、Topic 是訊息的分類路徑

Topic 用來標示訊息的類別或用途。好的命名方式能看出位置、設備與功能，讓多個裝置加入時仍然容易管理。

farm/room01/pico01/telemetry
farm/room01/pico01/status
farm/room01/pico01/control

farm/room02/pico02/telemetry

telemetry：感測器或設備定期發布的遙測資料。
status：設備目前狀態。
control：送往設備的控制命令。

Topic 名稱要在發布端和訂閱端完全一致；斜線分隔的層級也要保持規則一致。

三、Publish：Pico 發布感測資料

發布時要指定 Topic 和 Payload（訊息內容）。Topic 說明這是哪一類訊息，Payload 則放實際資料。本課程沿用上一堂的 JSON 格式，因此接收端可以依照欄位名稱解析資料。

import json

topic_telemetry = b"farm/room01/pico01/telemetry"

# 這些數字只用來示範資料格式
payload = {
    "temperature": 28.3,
    "humidity": 71.2
}

client.publish(
    topic_telemetry,
    json.dumps(payload)
)

範例中的數字只是格式示意，不是實際場域資料。實作時應換成感測器讀值，並確認欄位名稱、型態與單位已事先約定。

四、Subscribe：Pico 訂閱控制命令

Dashboard 或電腦可以把控制命令發布到設備的 control Topic。Pico 訂閱這個 Topic，收到訊息後解析 JSON，再依內容控制 GPIO。

import json
from machine import Pin

led = Pin("LED", Pin.OUT)

def on_message(topic, message):
    print("Topic:", topic)
    print("Message:", message)

    try:
        command = json.loads(message.decode())

        if "relay" in command:
            led.value(1 if command["relay"] else 0)
            print("LED updated:", led.value())

    except (ValueError, KeyError) as error:
        print("Invalid command:", error)

topic_control = b"farm/room01/pico01/control"
client.set_callback(on_message)
client.subscribe(topic_control)

命令可以是 {"relay": true}或 {"relay": false}。實際系統應依設備功能設計命令欄位，並確認收到的內容合法後才執行控制。

五、Pico 連接 Broker 並雙向交換訊息

以下是教學架構範例，假設 Pico 已先連上 Wi-Fi，且韌體已提供相容的 umqtt.simple用戶端。請把 Broker 主機、帳號與密碼替換成教師提供的測試設定。Broker 的網路位置與連線方式依服務而異。

import json
import time
from umqtt.simple import MQTTClient

BROKER = "請填入 MQTT Broker 主機"
CLIENT_ID = b"pico-room01-device01"

TOPIC_TELEMETRY = b"farm/room01/pico01/telemetry"
TOPIC_CONTROL = b"farm/room01/pico01/control"

# 若測試 Broker 不需要帳密，可依用戶端規格省略相關參數
client = MQTTClient(CLIENT_ID, BROKER)

def on_message(topic, message):
    print("Received:", topic, message)
    # 在此解析控制命令並更新 GPIO

client.set_callback(on_message)
client.connect()
client.subscribe(TOPIC_CONTROL)

print("MQTT connected and subscribed")

while True:
    # 示範內容；實作時改成感測器的實際讀值
    telemetry = {
        "temperature": 28.3,
        "humidity": 71.2
    }

    client.publish(
        TOPIC_TELEMETRY,
        json.dumps(telemetry)
    )

    # 檢查是否有訂閱訊息；有訊息時會呼叫 on_message
    client.check_msg()

    time.sleep(5)

set_callback()設定收到訊息時要執行的函式；subscribe()訂閱控制 Topic；publish()發布感測資料；check_msg()檢查是否有新訊息。這個程式每五秒發布一次示範資料，實際量測值需由感測器取得。

套件與 Broker：不同 MicroPython 韌體不一定預先包含 umqtt.simple，需先確認課堂環境的套件安裝方式。此範例使用提示文字作為 Broker 主機，並非可直接連線的服務。

六、MQTT 與 HTTP 如何搭配？

HTTP常見為 Request／Response，適合網頁與 API 的一次性資料交換。

MQTT使用 Publish／Subscribe，適合設備持續發布遙測資料或接收命令。

共同點兩者都在 IP 網路上運作，都必須考慮斷線與錯誤處理。

HTTP 和 MQTT 各有適合的情境，IoT 系統也可以同時使用兩者。例如設備透過 MQTT 傳送即時遙測，而設定頁面或其他服務使用 HTTP API。

七、斷線與安全性

Wi-Fi 或 Broker 可能中斷，設備程式要能顯示連線狀態，並設計清楚的重新連線流程。重新連線後，通常也要重新訂閱控制 Topic。不要在故障時無限快速重試；可採用有限次數與間隔，並讓錯誤訊息容易辨識。

保護 Broker 憑證：不要把真實帳密、Token 或 API Key 放進公開投影片、部落格或 Git 儲存庫。控制 Topic 會影響實體輸出，應使用可信任的 Broker、限制可發布者，並在接收端檢查命令內容。

八、實作任務：完成第一個 MQTT IoT Node

連上課堂指定 Wi-Fi。
連接測試 MQTT Broker。
訂閱設備的 control Topic。
每五秒發布一筆感測器 JSON 到 telemetry Topic。
從 Dashboard 或測試用戶端發布控制命令，確認 Pico 收到後能更新 GPIO。
挑戰：Wi-Fi 或 Broker 斷線後，顯示狀態並完成重新連線與重新訂閱。

測試時，建議同時觀察 Pico 的 Thonny Shell 與 Broker 用戶端畫面，確認每一筆訊息的 Topic、Payload 和方向。

六次課程如何串成完整資料流

第 1 次：控制硬體，建立 GPIO 基礎。
第 2 次：連上 Wi-Fi，取得網路資訊。
第 3 次：建立 Web Server，讓瀏覽器控制 Pico。
第 4 次：透過 HTTP 與 API 交換資料。
第 5 次：以 JSON 建立一致的資料格式。
第 6 次：以 MQTT 發布遙測資料並接收控制命令。

完成這六次課程後，就具備 IoT 專題的基本通訊流程。下一階段可以接續設計 Dashboard 或 IoT 平台，讓資料能被觀察、整理與應用。