Elixir で IoT 開発、 Nerves なら簡単にできる！？

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1. Elixir で IoT 開発、 Nerves なら簡単にできる！？ 関数型まつり2025 2025/06/14 https://fortee.jp/2025fp-matsuri/proposal/b952a4f0-7db5-4d67-a911-a7a5d8a840ac
2. 自己紹介 • 衣川 亮太 （きぬかわ りょうた） • 愛知県岡崎市のアプリケーションプログラマ ◦ Elixir / Nerves の開発を専らやっています • X: @pojiro3 • I love Elixir & Nerves • 日本の Nerves コミュニティである Nerves JP に所属しています
3. アウトライン • Nerves とはどんなもの？まずは見てみる！ • 関数型まつりで Elixir で IoT ！？なんで？ • Elixir について ◦ 「書きやすい」「Erlang が持つ強み」をもった関数型言語 ◦ そんな Elixir は IoT 機器でも活きる • Nerves とはどんなもの？その実際！！ • Nerves の構成、デモ、利用例 • 始めるとしたら？
4. Nerves とはどんなもの？ まずは見てみる！
5. まずは見てみる！で見る（た）こと • Nerves on Rpi4 • SSH 接続 ◦ iex shell （ Elixir のシェル） ▪ ifconfig ▪ RingLogger.next • デバイス操作（GPIO） ◦ Circuits.GPIO.write_one("GPIO27", 1) • ブラウザから操作 • 電断 Nerves Linux カーネル Elixir アプリケーション Erlang VM ファイルシステム リポジトリ https://github.com/pojiro/fp_matsuri_2025
6. 関数型まつりで Elixir で IoT ！？なんで？ • サーバサイド の関数型言語と認識されている（と思う） Elixir を、 IoT （組み込み Linux として）に活かせる Nerves が素晴らしい技術だと思うのでその魅力を伝えたい • そして Nerves や Nerves にインスパイアされたような仕組みをもつ技術に よって、ソフトとハードを組み合わせる敷居が低くなり、様々なアイデアが 形になったら嬉しい 5m
7. Elixir
8. Elixir • 2011年から開発される関数型言語（動的型付け） ◦ 最初の公式リリースは 2012.05 の v0.5.0 ◦ 参考 Erlang は 1987年に first experiments • 著者は元 Rails core team の José Valim さん • Erlang VM 上で動作する言語で 「書きやすい」「Erlang が持つ強み」をもった言語 Java VM Java Scala Clojure Erlang VM Erlang Elixir Gleam
9. Elixir の関数型言語として特徴 • 関数は first-class citizen ◦ 変数束縛可、関数引数可、関数戻値可 • 変数は不変、ただし再束縛可 • map, reduce 等が標準で使える（Enum モジュール） • if, case は値を返す式（if は else がなければ nil を返す • マッチによる宣言的な記述（:ok = FpMatsuri2025.start()） ◦ マッチ不可なら MatchError 例外 • パイプラインオペレータ |> （部分適用ではなく第一引数に渡すだけ • 関数パターンマッチ（引数マッチでオーバーロード）
10. （主観）書きやすい Elixir のコード • 関数はデータ変換器、パイプラインオペレータ ◦ "Fp Matsuri 2025" |> String.upcase() |> String.split(“ “) |> Enum.reverse() |> Enum.join(" ") "2025 MATSURI FP" • データ変換をデータを流すように書ける💡 • コードの足し引きがしやすい💡
11. （主観）書きやすい Elixir のコード • 関数パターンマッチ、引数でマッチ ◦ def fp_matsuri_date(year = 2025), do: Date.new(year, 6, 14) ◦ def fp_matsuri_date(year = 2026), do: raise(“not implemented yet”) • バイナリパターンマッチ ◦ <<変数名::フォーマット, …>> = データ　　　　　と書くと変数に値を切り出せる 4byte をリトルエンディアンの16bitの ch_0, ch_1 変数にマッチ コードの足し引き がしやすい💡 データ変換に 便利💡
12. Erlang が持つ強み：並行志向 • 並行志向は Erlang VM の「軽量プロセス」によって実現される ◦ VM 上にプロセスが生成される、プロセスは状態を保持できる ◦ VM のスケジューラによって、プロセスの処理は並行に進められる • プロセス同士はメッセージパッシングでやりとりする（アクターモデル ◦ プロセスはメールボックスに届くメッセージを受信順に一つずつ処理する ▪ これによってプロセスの処理は排他になり、並行処理の悩みが低減される💡 Erlang VM 📨 📨 P 📮 PID: x P 📮 PID: y P 📮 PID: z spawn 関数で プロセスを生成 send 関数で メッセージを投げる receive 関数で メッセージを受け取る
13. Erlang が持つ強み：耐障害性 • 耐障害性は Erlang OTP が提供する gen_server, supervisor の補助を受けてユーザが担保する ◦ GenServer（gen_server, generic server process ▪ プロセス実装を一般化した behaviour ◦ Supervisor ▪ プロセスを監視、復旧する behaviour ▪ 自身もプロセス ▪ 監視対象の再起動戦略を決めることができる • Erlang OTP ◦ > OTP is set of Erlang libraries and design principles providing middle-ware to develop these systems. 　ref. https://www.erlang.org/ 👆supervision tree 15m
14. Elixir ってサーバサイドでは？ • 通信機器向け Erlang 由来の並行志向、耐障害性を支えるOTP、 また、Elixir 製の Web フレームワーク Phoenix があり、 サーバサイドで使われることが多い ◦ ex. Real time communication at scale with Elixir at Discord ▪ from https://elixir-lang.org/cases.html サーバ data data data data data data data data data data 並行志向 耐障害性 データ変換
15. そんな Elixir は IoT 機器でも活きる • センサデータの取得 • データの変換 • データのアップロード • ボタンの入力応答 • モータの出力 sup gen gen gen センサ ボタン モータ メッセージパッシング メッセージパッシング 各GenServerを監視し、落ちたら再起動 • だいたいのことは並行処理になる（処理を排他に簡単に書けるのは便利 • 運用中は障害で落ちても、回復可能なら自動復旧して機能を提供し続けたい CO2 温度 湿度 モータ ボタン 例）温室 をIoT で監視制御
16. でも、IoT 機器にするにはハードルがある • 不意の電源断の対策（ブレーカかもしれないし、スイッチで人間が切るかも • フィールドに散在する機器の更新 ◦ OS 更新（ex. セキュリティパッチ ◦ アプリの更新（OTA のような仕組みを自前で用意？ • ファームウェアのまとめ上げ、管理 ◦ 各サービスの設定、バージョンの管理、他 上記のような開発の共通課題を解決して、 Elixir のアプリケーション開発のみに専念させてくれるのが Nerves 💡 20m
17. Nerves とはどんなもの？ その実際！！
18. Nerves • 2016年から開発される組み込み Linux 開発を Elixir で可能にする OSS ◦ Nerves is an open-source platform that combines the rock-solid BEAM virtual machine and Elixir ecosystem to easily build and deploy production embedded systems. ref. https://nerves-project.org/ • 現コアメンバー ◦ Frank Hunleth @ SmartRent ◦ Jon Carstens @ SmartRent ◦ Connor Rigby ◦ Masatoshi Nishiguchi （昌利　西口） ▪ Nerves JP メンバー🎉 ◦ Lars Wikman @ Underjord ▪ https://nerves-project.org/newsletter/ 毎週配信 SmartRent は スマートホームソリューションの提供に Nerves を利用している
19. • Nerves Project 公式サポート：安価で入手可能な SBC が中心 ◦ BeagleBone Black/Green/Green Wireless, Pocket Beagle ◦ Raspberry Pi A+/B+, Zero/Zero W/Zero 2 W, 2B, 3A+, 3B/B+, 4, 5 ◦ MangoPiMQPro ◦ OSD32MP1-BRK ◦ x86_64 • Linux が動作する SBC であれば Nerves は移植可能なので、 公式サポートがなくても移植すれば使える💡 Nerves が動作するボード 気軽に始められる
20. Nerves の構成 • Linux カーネル ◦ Nerves に必要なドライバの追加 • ルートファイルシステム ◦ リードオンリー（squashfs） ◦ ファイルを必要なものだけに限定 • /sbin/init ◦ Linux 上で プロセス ID 1 となる /sbin/init を独自の erlinit に差し替えており、 そのプロセスから Erlang VM を起動する あらゆる処理を Erlang VM から行うことで組み込み Linux であることを意識せずに Elixir アプリケーションの開発に専念できるようにしている💡 Nerves Linux カーネル Elixir アプリケーション Erlang VM ファイルシステム nerves_system_***と呼ぶ *** は例えば rpi4 Elixir アプリが利用する ライブラリ扱いとなる
21. • 電断対策のユーザによるケアが不要 ◦ rootfs が リードオンリーであることより • すべての設定が Elixir アプリに閉じる ◦ ネットワーク設定含む • ファーム管理が用意 ◦ Elixir の mix.lock で nerves_system_*** 含めバージョンが管理される • ハード移行が容易 ▪ nerves_system_*** を切り替えればよい、 rpi4 -> bbb Elixir アプリと nerves_system_*** の分離 により可能になること Linux カーネル Elixir アプリケーション Erlang VM ファイルシステム nerves_system_***と呼ぶ *** は例えば rpi4 Elixir アプリが利用する ライブラリ扱いとなる
22. 百聞は一見に如かず、論より Run Nerves Demo
23. Demo で見る（た）のは • mix nerves.new ◦ プロジェクト作成 • mix firmware ◦ ファームウェアの作成 • mix burn ◦ ファームウェアの SD への書き込み ◦ パーティション A で起動, hello world • mix upload ◦ SSH 転送 ◦ パーティション B で起動, hello fp_matsuri_2025 • MIX_TARGET=bbb mix firmware ◦ 別ターゲット用ファームウェアの作成 • Nerves Hub 2.0 （2024.09.25 に 2.0.0 がリリース ◦ OTA サーバ, OSS なので自身でホストができる ◦ 自身でホストをしない場合は、 NervesCloud https://nervescloud.com/ が今後選択肢になりうる
24. 組み込み機器を支える特徴 • 冗長 A/B パーティション（ファームウェアのA面B面） ◦ ファームウェア転送毎に切り替え • IoT デバイス開発に欠かせないライブラリ群 Elixir Circuits ◦ GPIO, I2C, SPI, UART のライブラリが用意されている • OTA を可能とする Nerves Hub が OSS である ◦ https://github.com/nerves-hub/nerves_hub_web ◦ 自身でホスト ◦ 自身でホストをしない場合は、 NervesCloud https://nervescloud.com/
25. Nerves でできること
26. Nerves の利用例 @ SmartRent • SmartRent ◦ Nerves 著者のフランクさんとジョンさんが勤めるスマートホームソリューションの企業 • IoT Hub の合計運用台数は828K、 82万 8000台 ※2025/03/31 時点 • 内 10万台以上 が Elixir based な Nerves デバイス 残りは Java based なデバイス ◦ 彼らは、Elixir based な Nerves デバイスへの置き換えを予定
27. Nerves の利用例 https://nerves-project.org/cases/ Le Tote: 衣料品倉庫のRFIDと キオスクによる在庫管理 FarmBot: CNC農業プロジェクト Hop: 顔認証機能付きの キオスクビールサーバ
28. ウェザーステーション
29. 制御マシン、キオスク端末 • Nerves on ラズパイ CM4 ◦ DI x2、DO x2 ◦ RS232 x1、RS485 x1 ◦ LTE モジュール
30. Elixir と Nerves で実現できること 💡上（Cloud）から下（端末）まで Elixir で開発💡 クラウド エッジ 端末
31. 何からはじめよう？
32. B-104, B-105 トラックへ参加 • B-104 「ElixirでIoT!!」のこれまでとこれから ◦ 16:30 - 16:55 • B-105 産業機械をElixirで制御する ◦ 17:00 - 17:25 Nerves を使って実際にモノを動かす話が紹介されるはず💡
33. Nerves のテキストを読んでみる • Build a Weather Station with Elixir and Nerves ◦ Nerves のコア開発者 Frank さんが著者の一人 ◦ NervesJP で勉強会を実施し、そのときの動画あり ◦ ページ数：90 • 『ElixirではじめるIoT開発入門 　Nervesプラットフォームで組み込み開発にトライ！』 ◦ 著者：三宅 泰宏さん （NervesJP メンバー🎉） ◦ 発行日：2023/12/08 ◦ 発行社：インプレス NextPublishing ◦ ページ数：78（印刷版）
34. Elixir も Nerves もしっかり勉強してみる • Elixir 実践入門 ◦ 発行日： 2024/02/24 ◦ Elixir でできる様々なこと（Nerves 含む） が書かれる一冊 ◦ NervesJP メンバーの高瀬さんが著者の一人です！ ◦ 発表者はレビュワーとして協力しています！
35. コミュニティに参加 • NervesJP ◦ Connpass ▪ https://nerves-jp.connpass.com/ ◦ Slack ▪ NervesJP Slackの招待リンク • 世界 ◦ Discord: Elixir Language の #nerves チャンネル ▪ https://discord.com/channels/269508806759809042/592366299573649440 ◦ elixir forum: nerves-forum ▪ https://elixirforum.com/c/nerves-forum/74
36. 関数型言語Elixirで 組み込み Linux 開発ができる Nerves に興味を持っていただけたら嬉しいです！
37. さらに知りたい場合の資料 • Nerves と Linux の関係紹介
38. 寄り道）Application による分割統治 • Erlang VM 上では各 Application は独立して動作するので、 （VMが落ちない限りは）一つの App 障害で全体が落ちることが無い ◦ App A で障害が起きたとしても、App B に影響を与えない VM
39. • アプリケーションを個々に立ち上げる ◦ 設定が散る ◦ 各アプリケーションのバージョン管理 ▪ ファームのバージョン管理 • 電断対策が必要 • ハード移行が大変 • Elixir アプリケーションを開発するのみ ◦ 設定はElixirプロジェクトに閉じる ◦ ライブラリなどのバージョンは Elixir の mix.lock で管理 • 電断対策は Nerves に任すことができる • Elixirアプリケーションと nerves_system_*** で分かれているため ハード移行が容易 組み込み Linux 開発の課題を解決 Linux カーネル Linux カーネル Elixir アプリケーション Erlang VM Buildrootで構築する nerves_system_*** ファイルシステム ファイルシステム nerves_system_*** は ライブラリとして提供される
40. アプリケーションを（概ね）変えずに ハードを移行 nerves_system_rpi3 https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-3-model-b-plus/ nerves_system_kr260 https://github.com/b5g-ex/nerves_system_kr260 nerves_system_zybo_z7_10 https://github.com/zeam-vm/nerves_system_zybo_z7_10 ※「概ね」と書いたのは、ハードウェア入出力等は各ハードで合わせる必要があるため Linux カーネル Elixir アプリケーション Erlang VM ファイルシステム Linux カーネル Elixir アプリケーション Erlang VM ファイルシステム Linux カーネル Elixir アプリケーション Erlang VM ファイルシステム