DDS 與 RTI Connext DDS 教材：Raspberry Pi 5 與 Pico W2 實作

三、什麼是 DDS？

DDS（Data Distribution Service）是一種資料導向、即時、去中心化的通訊架構。它很常用在機器人、自駕車、工業控制、分散式感測系統與需要低延遲協作的系統中。

四、DDS 與 MQTT 的差異

五、為什麼選用 RTI Connext DDS

• RTI 提供 Get Connext Free 與學術用途免費授權方案，便於學習、實驗與研究使用。
• RTI Connext Professional 支援多種語言，官方公開資訊列出 C、C++、Python、C#、Java 等。
• RTI Connext Micro 明確定位為 resource-constrained systems，可延伸到微控制器與小型嵌入式裝置。

六、建議架構

方案 A：橋接式架構，入門成本較低

Pico W2 感測器 / 控制器
   │
   ├─(UART / HTTP / MQTT / UDP)
   │
Raspberry Pi 5 橋接程式（Python）
   │
   └─ RTI Connext DDS Domain
         ├─ Python Subscriber
         ├─ Python Publisher
         └─ 其他 DDS 節點

• Pi 5 跑原生 DDS。
• Pico W2 先用熟悉的方式送資料到 Pi 5。
• Pi 5 再把資料轉發進 DDS Domain。

方案 B：進階主題，做原生微控制器 DDS

Pico W2（C / C++） + 網路堆疊
   │
   └─ RTI Connext Micro / 類似 DDS for MCU 架構
         │
         └─ DDS Domain with Raspberry Pi 5

• 這一條路更貼近正式嵌入式系統。
• 但整合難度高，較不建議作為第一個 DDS 實作案例。

七、在 Raspberry Pi 5 上安裝 RTI Connext DDS

1. 系統前提

• Raspberry Pi 5
• Raspberry Pi OS（Debian 系）
• 可連網
• 可先安裝 Python 3 與 venv

2. 安裝 RTI 官方 apt repository

sudo curl -sSL -o /usr/share/keyrings/rti-official-archive.gpg \
  https://packages.rti.com/deb/official/repo.key

printf -- "deb [arch=%s, signed-by=%s] %s %s main\n" \
  $(dpkg --print-architecture) \
  /usr/share/keyrings/rti-official-archive.gpg \
  https://packages.rti.com/deb/official \
  $(. /etc/os-release && echo ${VERSION_CODENAME}) | \
  sudo tee /etc/apt/sources.list.d/rti-official.list >/dev/null

sudo apt update

3. 安裝 Connext DDS

sudo apt install rti-connext-dds-7.7.0

4. 取得免費授權檔

1. 到 RTI 的 Get Connext Free 頁面申請。
2. 下載授權檔 rti_license.dat。
3. 把授權檔放到例如 ~/rti/rti_license.dat。

5. 載入 RTI 環境

eval $(rtienv -l ~/rti/rti_license.dat)
echo $NDDSHOME

6. 建立 Python 虛擬環境與 Linux 建置工具

python3 -m venv ~/venvs/connext
source ~/venvs/connext/bin/activate
pip3 install --upgrade pip
pip3 install setuptools wheel cmake patchelf-wrapper

7. 依 RTI Python API 文件建置並安裝 connextdds-py

cd ~/dds-lab
git clone --recurse-submodules https://github.com/rticommunity/connextdds-py.git
cd connextdds-py
python3 configure.py --nddshome "$NDDSHOME" <platform>
pip3 install .

8. 若要預先打包 wheel 或做升級

# 建立 wheel
pip3 wheel .

# 若要升級前先移除舊版
pip3 uninstall rti -y

八、在 Raspberry Pi 5 上建立第一個 DDS Python 範例

1. 建立 IDL

先在新資料夾建立 HelloWorld.idl：

struct HelloWorld
{
    int32 value;
};

2. 產生 Python 範例

mkdir -p ~/dds-lab/hello
cd ~/dds-lab/hello
cat > HelloWorld.idl <<'EOF'
struct HelloWorld
{
    int32 value;
};
EOF

rtiddsgen -language python -example universal HelloWorld.idl

3. 執行 Subscriber

source ~/venvs/connext/bin/activate
cd ~/dds-lab/hello
eval $(rtienv -l ~/rti/rti_license.dat)
python HelloWorld_subscriber.py

4. 執行 Publisher

source ~/venvs/connext/bin/activate
cd ~/dds-lab/hello
eval $(rtienv -l ~/rti/rti_license.dat)
python HelloWorld_publisher.py

5. 預期結果

• Subscriber 端持續收到遞增的 HelloWorld(value=n)。
• 這表示 Pi 5 已成功成為 DDS Domain 中的節點。

九、用 Python 改成感測資料範例

可把 HelloWorld 換成溫度、濕度、光照等資料結構，例如：

struct SensorReading
{
    string device_id;
    float temperature;
    float humidity;
    int64 timestamp_ms;
};

之後讓 Pi 5 端的 Python Publisher 寫入這些資料，而另一個 Subscriber 顯示或存入資料庫。

十、Pico W2 可以直接跑 Python DDS 嗎？

就目前查到的 RTI 官方公開文件與頁面來看：

• RTI 提供官方 Python API，但對象是一般主機端作業系統環境。
• RTI 另有 Connext Micro，定位在資源受限系統與可能沒有作業系統的裝置。
• 未查到 RTI 官方提供給 Raspberry Pi Pico W / Pico 2 W 的現成 MicroPython DDS Framework。

十一、Pico W2 的兩種設置路線

路線 1：橋接模式，Pico W2 不直接跑 DDS

• Pico W2 仍使用 MicroPython 或 C 撰寫感測器/控制程式。
• 透過 UART、HTTP、MQTT 或簡單 UDP 把資料送給 Raspberry Pi 5。
• 由 Pi 5 上的 Python 橋接程式將資料轉成 DDS Topic。

路線 2：進階，Pico W2 原生 DDS 應用程式

• 使用 C / C++ 開發。
• 評估 Connext Micro 與 Pico SDK、網路堆疊、記憶體限制的整合。
• 需要處理編譯鏈、封包、記憶體配置與除錯流程。

十二、Pico W2 橋接式 DDS 實作建議

1. Pico W2 端工作

• 讀取感測器資料
• 組成簡單 JSON 或 CSV
• 送到 Pi 5（HTTP POST、MQTT publish、UDP datagram 皆可）

2. Pi 5 端工作

• 先在 Pi 5 上用純 Python 跑 RTI 官方範例，確認 DomainParticipant、Topic、DataWriter、DataReader 的基本觀念。
• 再把 Pico W2 傳來的 JSON / CSV 轉成 DDS Topic 型別。
• 最後把 bridge 程式取代原本的 publisher，讓既有 Subscriber、資料庫或 Web 程式直接接收 DDS 資料。

3. 架構優點

• 不必一開始就處理 MCU 端 DDS porting
• 可先掌握 DDS 的資料流與 QoS 概念
• 保留之後升級成原生 DDS MCU 節點的空間

十三、若一定要在 Pico W2 上做原生 DDS，C 語言方向怎麼規劃？

1. 先建立 Pico SDK 的 C / C++ 專案。
2. 確認 Wi-Fi / 網路通訊堆疊可正常工作。
3. 評估是否以 RTI Connext Micro 作為 DDS middleware。
4. 定義最小型的 Topic 資料型別，例如溫度、按鈕狀態、LED 命令。
5. 把 MCU 記憶體配置壓到最小，避免一開始就做太多 QoS 與大型型別。

最小可行題目

• Pico W2 送出一筆 temperature
• Pi 5 Subscriber 收到後顯示在終端機
• Pi 5 再發送 led_command 回來
• Pico W2 控制 LED 亮滅

十四、建議的 Python 教學順序（參考 rticonnextdds-examples）

1. 先做 Hello World 與 IDL：先用 rtiddsgen 產生 Python 範例，讓學生熟悉 Topic 型別、Publisher / Subscriber 與 Domain ID。
2. 再做 QoS Profiles：從 examples/connext_dds/using_qos_profiles/py 執行官方範例，學會用 dds.QosProvider("my_custom_qos_profiles.xml") 載入 XML QoS，並比較 transient_local 與 volatile 的差異。
3. 接著做 Partitions：從 examples/connext_dds/partitions/py 執行範例，理解「同一個 Topic 也能用 partition 做邏輯分群」，很適合拿來模擬不同小組、不同教室或不同設備群。
4. 第四步做 Content-Filtered Topic：從 examples/connext_dds/content_filtered_topic/py 執行 publisher / subscriber，觀察 subscriber 端如何只接收符合條件的資料，並在程式中動態修改 topic.filter_parameters。
5. 第五步做 WaitSet / QueryCondition：從 examples/connext_dds/waitset_query_cond/py 執行範例，理解事件驅動式等待與條件篩選，適合銜接即時監控、告警條件與邊緣分析。
6. 第六步做 Request-Reply：從 examples/connext_dds/request_reply/py 執行 primes_replier.py 與 primes_requester.py 100，理解 DDS 不只可做資料發布，也能做服務式互動。
7. 最後才接 Pico W2 Bridge：把前面範例的 publisher 角色換成 Pico W2 → Pi 5 bridge，讓學生先穩定掌握 DDS，再進入 IoT 整合。

推薦的課堂執行指令

git clone --depth 1 https://github.com/rticommunity/rticonnextdds-examples.git
cd rticonnextdds-examples/examples/connext_dds/using_qos_profiles/py
python3 profiles_program.py --pub
python3 profiles_program.py --sub

cd ../../partitions/py
python3 partitions_program.py -p
python3 partitions_program.py -s

cd ../../content_filtered_topic/py
python3 cft_publisher.py
python3 cft_subscriber.py

cd ../../waitset_query_cond/py
python3 waitset_query_cond_publisher.py
python3 waitset_query_cond_subscriber.py

cd ../../request_reply/py
python3 primes_replier.py
python3 primes_requester.py 100

十五、常見問題

1. DDS 一定要有 Broker 嗎？

不一定。DDS 常見的是節點自動發現彼此，不是像 MQTT 那樣預設依賴 Broker。

2. Pi 5 為什麼適合當 DDS 主節點？

因為它有完整 Linux、較多記憶體、可直接安裝 RTI 工具與 Python API，也更容易除錯。

3. Pico W2 為什麼不建議一開始就直接跑 DDS？

因為微控制器的開發與除錯成本較高，且目前沒有查到 RTI 官方提供給 Pico W2 的現成 MicroPython DDS 框架。

4. 要選 DDS 還是 MQTT？

若目標是理解即時分散式系統，可選 DDS；若目標是快速完成 IoT 實驗，MQTT 仍然是較低門檻的起點。

十六、資料來源與補充說明

• RTI 開發者頁面提供 Get Connext Free 與 Debian / Ubuntu 的 apt install 說明。
• RTI Connext DDS Python API 6.0.1 文件〈Building and Installing〉說明了 connextdds-py 的需求條件、configure.py、pip install .、pip wheel . 與開發安裝流程。
• rticommunity/rticonnextdds-examples repo 提供多個可直接用於 Python 教學的範例，特別適合安排成 QoS、Partitions、ContentFilteredTopic、WaitSet 與 Request-Reply 的循序課程。
• 分析官方範例後可觀察到：許多 Python 範例仰賴所在目錄中的 USER_QOS_PROFILES.xml 或自訂 XML，因此教學時必須強調執行目錄與 QoS 載入方式。
• RTI 官方公開資料顯示 Connext Professional 支援 Python API。
• RTI 官方公開資料顯示 Connext Micro 面向 resource-constrained systems，可作為微控制器進階研究方向。