ต่อเครื่องพิมพ์ 3D ด้วย MQTT: snapshot + delta ต่อใหม่เอง และเฝ้าว่ายังทำงาน

เราทำระบบไลฟ์สดงานพิมพ์ 3D ที่รวมกล้องหลายตัวเป็นภาพเดียว และมีแถบด้านล่างบอกสถานะของแต่ละเครื่อง พิมพ์ไปกี่เปอร์เซ็นต์ เหลือกี่นาที อุณหภูมิหัวฉีดเท่าไหร่ เครื่องพิมพ์หลายยี่ห้อในงานนี้ส่งสถานะผ่าน MQTT บทความนี้ใช้งานจริงนี้อธิบาย MQTT ตั้งแต่พื้นฐาน จนถึงรูปแบบที่ทำให้ระบบอยู่ได้ทั้งวันโดยไม่ต้องมีคนคอยรีสตาร์ต

ตัวอย่างใช้ Python 3.11 กับ library paho-mqtt บน Windows และเครือข่ายภายในบ้าน

MQTT ในห้านาที

MQTT คือการส่งข้อความผ่าน ตัวกลาง (broker) ผู้ส่งไม่รู้จักผู้รับ ทั้งสองฝ่ายรู้จักแค่ topic ซึ่งเป็นชื่อช่อง เช่น device/01S00A123/report

• publish ส่งข้อความเข้า topic
• subscribe บอก broker ว่าอยากได้ข้อความจาก topic ไหน broker จะส่งมาให้เองทุกครั้งที่มี

ต่างจากการเรียก API ตรงที่เราไม่ต้องถามซ้ำ ๆ ว่ามีอะไรเปลี่ยนไหม อุปกรณ์ส่งมาเองเมื่อมีอะไรเปลี่ยน เหมาะกับอุปกรณ์ที่เน็ตไม่เสถียรและแบตเตอรี่จำกัด

คำ	ความหมาย
QoS 0	ส่งครั้งเดียว อาจหาย ใช้กับค่าที่ส่งมาบ่อยอยู่แล้ว
QoS 1	รับประกันว่าถึง แต่อาจถึงซ้ำ
QoS 2	ถึงครั้งเดียวพอดี ช้าที่สุด
retained	broker จำข้อความล่าสุดของ topic ไว้ ใครมา subscribe ทีหลังได้ทันที
last will	ข้อความที่ broker ประกาศแทนเรา ถ้าเราหลุดแบบไม่บอกลา ใช้แจ้งว่า offline
keepalive	ระยะที่ต้องส่งสัญญาณว่ายังอยู่ ถ้าเงียบนานเกิน broker ถือว่าหลุด

รูปแบบที่ 1: ขอ snapshot แล้วรวม delta

เครื่องพิมพ์ Bambu Lab เป็น broker ในตัว ต่อผ่าน TLS ที่พอร์ต 8883 บนเครือข่ายภายใน เมื่อต่อได้ เรา subscribe topic สถานะของเครื่อง

ปัญหาคือเครื่องไม่ได้ส่งสถานะทั้งหมดทุกครั้ง ส่งแค่ ส่วนที่เปลี่ยน (delta) เช่น {"print": {"mc_percent": 42}} ถ้าเราต่อเข้าไปตอนกลางงานพิมพ์ จะไม่รู้ชื่องาน อุณหภูมิ หรือเวลาที่เหลือ จนกว่าค่าพวกนั้นจะเปลี่ยน

วิธีแก้คือ ขอภาพรวมทันทีที่ต่อได้ แล้วรวม delta ที่ตามมาลงไปเรื่อย ๆ

def on_connect(client, userdata, flags, rc, properties=None):
    client.subscribe(f"device/{serial}/report")
    client.publish(f"device/{serial}/request",
                   json.dumps({"pushing": {"sequence_id": "0", "command": "pushall"}}))

def on_message(client, userdata, msg):
    payload = json.loads(msg.payload)
    state.update(payload.get("print", {}))   # รวม delta ลงในภาพรวมที่มีอยู่

และ ขอภาพรวมซ้ำทุก 15 วินาที แม้ไม่มีอะไรผิดปกติ เพราะถ้า delta ตัวไหนหายระหว่างทาง ภาพรวมที่เราถืออยู่จะผิดไปตลอด การขอซ้ำเป็นระยะทำให้ความผิดพลาดอยู่ได้ไม่เกิน 15 วินาที

หลักการ: ระบบที่ส่งแค่ส่วนที่เปลี่ยน ต้องมีทางขอภาพรวมทั้งหมดเสมอ ทั้งตอนเริ่มและเป็นระยะ

รูปแบบที่ 2: หลุดแล้วต่อใหม่เอง

เครือข่าย WiFi หลุดเป็นเรื่องปกติ เครื่องพิมพ์ก็รีสตาร์ตได้ ระบบที่ต้องอยู่ทั้งวันจึงต้องต่อใหม่เองโดยไม่มีคนสั่ง

client.reconnect_delay_set(min_delay=1, max_delay=30)
client.connect(host, 8883, keepalive=30)
client.loop_start()

reconnect_delay_set ให้ลองต่อใหม่ห่างขึ้นเรื่อย ๆ เริ่มที่ 1 วินาที ไม่เกิน 30 วินาที ไม่ถี่จนท่วมเครื่องพิมพ์ที่เพิ่งเปิด และไม่ห่างจนข้อมูลหายนาน

อีกจุดคือ ตอนหลุด ให้ประกาศว่า offline ทันที อย่าปล่อยให้หน้าจอแสดงค่าสุดท้ายค้างไว้ราวกับยังทำงาน

def on_disconnect(client, userdata, *args):
    state_online = False
    write_status()   # เขียนสถานะ offline ทันที ไม่รอรอบถัดไป

รูปแบบที่ 3: แยก process ที่คุยกับอุปกรณ์

ตอนแรกเราให้เซิร์ฟเวอร์หลักต่อ MQTT เอง แต่การเชื่อมต่อหมดเวลาทุกครั้ง ทั้งที่รหัสและเครือข่ายถูก สาเหตุคือบน Windows เซิร์ฟเวอร์ต้องใช้ event loop แบบที่รันโปรแกรมย่อยได้ (สำหรับ ffmpeg) แต่ library MQTT ต้องการ event loop อีกแบบ สองแบบอยู่ในโปรแกรมเดียวกันไม่ได้

ทางแก้คือแยก process เล็ก ๆ ข้างเคียง (side-car) ที่ทำหน้าที่เดียว คุยกับเครื่องพิมพ์ แล้วเขียนสถานะลงไฟล์ JSON ทุก 2 วินาทีเป็นอย่างถี่ เซิร์ฟเวอร์หลักแค่อ่านไฟล์

{"online": true, "progress": 42, "remaining_min": 87, "nozzle": 219.5, "ts": 1760598000}

ได้มากกว่าที่ตั้งใจ

• เครื่องพิมพ์มีปัญหา เซิร์ฟเวอร์ไม่ล่มตาม process ข้างเคียงพังก็รีสตาร์ตแยกได้
• มี ts บอกเวลา ถ้าไฟล์ไม่ถูกอัปเดตนานเกินไป ฝั่งที่อ่านรู้ว่าข้อมูลเก่า แสดงว่าไม่ทราบสถานะ แทนที่จะแสดงค่าผิด
• ทดสอบง่าย ปลอมไฟล์สถานะได้เลย ไม่ต้องมีเครื่องพิมพ์จริง

รูปแบบที่ 4: เฝ้าสิ่งที่หมดอายุเงียบ ๆ

เครื่องพิมพ์อีกยี่ห้อส่งลิงก์วิดีโอผ่าน MQTT ลิงก์มี token ที่ หมดอายุเอง เมื่อหมดแล้ว ลิงก์ตอบ 404 ตัวดึงวิดีโอก็พยายามต่อลิงก์ตายซ้ำไปเรื่อย ๆ ภาพบนไลฟ์ค้างที่ 0 เฟรม โดยไม่มีอะไรแจ้งเตือนเลย

เราจึงมีตัวเฝ้าที่รันทุก 30 วินาที

1. ลองเปิดลิงก์วิดีโอปัจจุบัน
2. ถ้าตอบ 404 หรือไม่มีข้อมูล สั่งเครื่องพิมพ์เริ่มจับภาพใหม่ผ่าน MQTT แล้วขอสถานะใหม่เพื่อเอา token ใหม่
3. ถ้า token เปลี่ยน ตั้งค่าตัวดึงวิดีโอใหม่ แล้วรอจนเห็นข้อมูลเข้าจริง

อุปกรณ์ไม่บอกเราเมื่อมันพัง สิ่งที่หมดอายุได้ ต้องมีคนตรวจเป็นระยะ และคนนั้นควรเป็นโปรแกรม

ความปลอดภัย

• อย่าเปิด MQTT ของอุปกรณ์ออกอินเทอร์เน็ต ใช้ในเครือข่ายภายในเท่านั้น ถ้าต้องดูจากข้างนอก ให้ผ่าน VPN หรือผ่านเซิร์ฟเวอร์ของเราที่ส่งต่อเฉพาะข้อมูลที่จำเป็น
• ใบรับรองที่เซ็นเอง เครื่องพิมพ์หลายรุ่นใช้ใบรับรองที่ตรวจด้วยวิธีปกติไม่ผ่าน โค้ดตัวอย่างทั่วไปจึงปิดการตรวจทิ้ง ซึ่งยอมรับได้แค่ในเครือข่ายภายในที่ควบคุมได้ ทางที่ดีกว่าคือเก็บใบรับรองของเครื่องนั้นไว้ แล้วตรวจว่าตรงกันทุกครั้ง
• รหัสเข้าเครื่องคือความลับ เก็บในไฟล์ตั้งค่าที่ไม่ขึ้น git

ข้อผิดพลาดที่เจอบ่อย

• subscribe แล้วรอ ไม่ขอภาพรวม หน้าจอว่างจนกว่าค่าจะเปลี่ยน
• รวม delta แต่ไม่ขอภาพรวมซ้ำ ค่าที่ตกหล่นค้างผิดไปตลอด
• หลุดแล้วไม่ประกาศ offline หน้าจอโชว์ค่าเก่าเหมือนยังทำงาน
• ใส่โค้ดคุยกับอุปกรณ์ไว้ในเซิร์ฟเวอร์หลัก อุปกรณ์ค้าง เซิร์ฟเวอร์ค้างตาม
• เขียนไฟล์สถานะทุกข้อความที่เข้ามา ทั้งที่ส่งมาวินาทีละหลายครั้ง