物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中MQTT通信協(xié)議詳解以及使用

一 概述

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議），是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級(jí)”通訊協(xié)議，該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上，由IBM在1999年發(fā)布。

MQTT最大優(yōu)點(diǎn)在于，用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。

作為一種低開銷、低帶寬占用的即時(shí)通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用等方面有較廣泛的應(yīng)用。

二 MQTT協(xié)議特點(diǎn)

MQTT是一個(gè)基于客戶端-服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。

MQTT協(xié)議是輕量、簡(jiǎn)單、開放和易于實(shí)現(xiàn)的，這些特點(diǎn)使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環(huán)境中，如：機(jī)器與機(jī)器（M2M）通信和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。

其在，通過(guò)衛(wèi)星鏈路通信傳感器、偶爾撥號(hào)的醫(yī)療設(shè)備、智能家居、及一些小型化設(shè)備中已廣泛使用。

MQTT協(xié)議當(dāng)前版本為，2014年發(fā)布的MQTT v3.1.1。除標(biāo)準(zhǔn)版外，還有一個(gè)簡(jiǎn)化版MQTT-SN，該協(xié)議主要針對(duì)嵌入式設(shè)備，這些設(shè)備一般工作于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，如：ZigBee。

MQTT 與 HTTP 一樣，MQTT 運(yùn)行在傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (TCP/IP) 堆棧之上。

MQTT OSI

發(fā)布和訂閱

MQTT使用的發(fā)布/訂閱消息模式，它提供了一對(duì)多的消息分發(fā)機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用程序的解耦。

這是一種消息傳遞模式，消息不是直接從發(fā)送器發(fā)送到接收器（即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)），而是由MQTT server（或稱為 MQTT Broker）分發(fā)的。

MQTT 服務(wù)器是發(fā)布-訂閱架構(gòu)的核心。

它可以非常簡(jiǎn)單地在Raspberry Pi或NAS等單板計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也可以在大型機(jī)或 Internet 服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)。

服務(wù)器分發(fā)消息，因此必須是發(fā)布者，但絕不是訂閱者！

客戶端可以發(fā)布消息（發(fā)送方）、訂閱消息（接收方）或兩者兼而有之。

客戶端（也稱為節(jié)點(diǎn)）是一種智能設(shè)備，如微控制器或具有 TCP/IP 堆棧和實(shí)現(xiàn) MQTT 協(xié)議的軟件的計(jì)算機(jī)。

消息在允許過(guò)濾的主題下發(fā)布。主題是分層劃分的 UTF-8 字符串。不同的主題級(jí)別用斜杠/作為分隔符號(hào)。

我們來(lái)看看下面的設(shè)置。

光伏發(fā)電站是發(fā)布者（Publisher）。

主要主題（Topic）級(jí)別是"PV"，這個(gè)工廠發(fā)布兩個(gè)子級(jí)別"sunshine"和"data"；

"PV/sunshine"是一個(gè)布爾值（true/fault，也可以是 1/0），充電站需要它來(lái)知道是否應(yīng)該裝載電動(dòng)汽車（僅在陽(yáng)光普照時(shí) :)）。

充電站（EVSE）是訂閱者，訂閱"PV/sunshine"從服務(wù)器獲取信息。

"PV/data" 另一方面，以 kW 為單位傳輸工廠產(chǎn)生的瞬時(shí)功率，并且該主題可以例如通過(guò)計(jì)算機(jī)或平板電腦訂閱，以生成一天內(nèi)傳輸功率的圖表。

這就是一個(gè)簡(jiǎn)單的MQTT的應(yīng)用場(chǎng)景，具體如下圖所示；

MQTT 發(fā)布和訂閱

QoS（Quality of Service levels）

服務(wù)質(zhì)量是 MQTT 的一個(gè)重要特性。當(dāng)我們使用 TCP/IP 時(shí)，連接已經(jīng)在一定程度上受到保護(hù)。但是在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，中斷和干擾很頻繁，MQTT 在這里幫助避免信息丟失及其服務(wù)質(zhì)量水平。這些級(jí)別在發(fā)布時(shí)使用。如果客戶端發(fā)布到 MQTT 服務(wù)器，則客戶端將是發(fā)送者，MQTT 服務(wù)器將是接收者。當(dāng)MQTT服務(wù)器向客戶端發(fā)布消息時(shí)，服務(wù)器是發(fā)送者，客戶端是接收者。

QoS 0

這一級(jí)別會(huì)發(fā)生消息丟失或重復(fù)，消息發(fā)布依賴于底層TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。即：<=1

QoS 1

QoS 1 承諾消息將至少傳送一次給訂閱者。

QoS 2

使用 QoS 2，我們保證消息僅傳送到目的地一次。為此，帶有唯一消息 ID 的消息會(huì)存儲(chǔ)兩次，首先來(lái)自發(fā)送者，然后是接收者。QoS 級(jí)別 2 在網(wǎng)絡(luò)中具有最高的開銷，因?yàn)樵诎l(fā)送方和接收方之間需要兩個(gè)流。

三 MQTT 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

固定頭（Fixed header），存在于所有MQTT數(shù)據(jù)包中，表示數(shù)據(jù)包類型及數(shù)據(jù)包的分組類標(biāo)識(shí)；

可變頭（Variable header），存在于部分MQTT數(shù)據(jù)包中，數(shù)據(jù)包類型決定了可變頭是否存在及其具體內(nèi)容；

消息體（Payload），存在于部分MQTT數(shù)據(jù)包中，表示客戶端收到的具體內(nèi)容；

整體MQTT的消息格式如下圖所示；

3.1 MQTT固定頭

固定頭存在于所有MQTT數(shù)據(jù)包中，其結(jié)構(gòu)如下：

下面簡(jiǎn)單分析一下固定頭的消息格式；

MQTT消息類型 / message type

**位置：**byte 1, bits 7-4。

4位的無(wú)符號(hào)值，類型如下：

標(biāo)識(shí)位 / DUP

**位置：**byte 1, bits 3-0。

在不使用標(biāo)識(shí)位的消息類型中，標(biāo)識(shí)位被作為保留位。如果收到無(wú)效的標(biāo)志時(shí)，接收端必須關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接：

DUP：發(fā)布消息的副本。用來(lái)在保證消息的可靠傳輸，如果設(shè)置為 1，則在下面的變長(zhǎng)中增加MessageId，并且需要回復(fù)確認(rèn)，以保證消息傳輸完成，但不能用于檢測(cè)消息重復(fù)發(fā)送。

QoS發(fā)布消息的服務(wù)質(zhì)量（前面已經(jīng)做過(guò)介紹），即：保證消息傳遞的次數(shù)

00：最多一次，即：<=1

01：至少一次，即：>=1

10：一次，即：=1

11：預(yù)留

RETAIN：發(fā)布保留標(biāo)識(shí)，表示服務(wù)器要保留這次推送的信息，如果有新的訂閱者出現(xiàn)，就把這消息推送給它，如果設(shè)有那么推送至當(dāng)前訂閱者后釋放。

剩余長(zhǎng)度（Remaining Length）

位置：byte 1。

固定頭的第二字節(jié)用來(lái)保存變長(zhǎng)頭部和消息體的總大小的，但不是直接保存的。這一字節(jié)是可以擴(kuò)展，其保存機(jī)制，前7位用于保存長(zhǎng)度，后一部用做標(biāo)識(shí)。當(dāng)最后一位為 1時(shí)，表示長(zhǎng)度不足，需要使用二個(gè)字節(jié)繼續(xù)保存。例如：計(jì)算出后面的大小為0

3.2 MQTT可變頭 / Variable header

MQTT數(shù)據(jù)包中包含一個(gè)可變頭，它駐位于固定的頭和負(fù)載之間?？勺冾^的內(nèi)容因數(shù)據(jù)包類型而不同，較常的應(yīng)用是做為包的標(biāo)識(shí)：

很多類型數(shù)據(jù)包中都包括一個(gè)2字節(jié)的數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)字段，這些類型的包有：

PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、

SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK

3.3 Payload消息體

Payload消息體是MQTT數(shù)據(jù)包的第三部分，CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類型的消息 有消息體：

CONNECT，消息體內(nèi)容主要是：客戶端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及用戶名和密碼

SUBSCRIBE，消息體內(nèi)容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。

SUBACK，消息體內(nèi)容是服務(wù)器對(duì)于SUBSCRIBE所申請(qǐng)的主題及QoS進(jìn)行確認(rèn)和回復(fù)。

UNSUBSCRIBE，消息體內(nèi)容是要訂閱的主題。

四 MQTT服務(wù)器搭建

目前MQTT代理的主流平臺(tái)有下面幾個(gè)：

Mosquitto：https://mosquitto.org/

VerneMQ：https://vernemq.com/

EMQTT：http://emqtt.io/

五 MQTT模擬客戶端

目前MQTT主流模擬客戶端有下面幾個(gè)：

MQTT fx：https://www.softblade.de/

MQTTX：https://mqttx.app/zh/downloads?os=windows

六 MQTT協(xié)議使用場(chǎng)景

MQTT協(xié)議的應(yīng)用場(chǎng)景非常豐富，特別是在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。以下是對(duì)MQTT協(xié)議應(yīng)用場(chǎng)景的清晰歸納：

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備控制和監(jiān)控：MQTT被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信，如智能家居、智能城市和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。設(shè)備可以發(fā)布自身狀態(tài)到特定主題，用戶或系統(tǒng)可以訂閱這些主題來(lái)獲取設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制。

傳感器數(shù)據(jù)傳輸：MQTT可以用于傳感器數(shù)據(jù)的采集、傳輸和監(jiān)控，例如氣象站、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)MQTT協(xié)議發(fā)布到指定的主題，相關(guān)系統(tǒng)可以訂閱這些主題以實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。

實(shí)時(shí)信息發(fā)布和訂閱：MQTT支持實(shí)時(shí)信息的發(fā)布和訂閱，例如新聞、股票行情、天氣預(yù)報(bào)等。信息發(fā)布者將信息發(fā)布到特定的主題，信息訂閱者可以訂閱這些主題以實(shí)時(shí)獲取最新的信息。

聊天應(yīng)用：MQTT也可以用于實(shí)時(shí)聊天應(yīng)用的消息傳輸。通過(guò)MQTT協(xié)議，用戶可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)通訊，發(fā)送和接收消息。

遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制系統(tǒng)：在遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制系統(tǒng)中，MQTT可以用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備的管理和控制。例如，遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)z像頭可以通過(guò)MQTT協(xié)議將實(shí)時(shí)視頻流發(fā)布到指定的主題，用戶可以通過(guò)訂閱這些主題來(lái)查看攝像頭的視頻內(nèi)容。

數(shù)據(jù)傳輸和同步：MQTT還可以用于跨平臺(tái)數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)備份等場(chǎng)景。通過(guò)將數(shù)據(jù)發(fā)布到MQTT主題，不同平臺(tái)或設(shè)備可以訂閱這些主題以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步和備份。

位置跟蹤：MQTT協(xié)議可以用于實(shí)時(shí)位置跟蹤，例如車輛追蹤、貨物追蹤等。相關(guān)設(shè)備可以通過(guò)MQTT協(xié)議將位置信息發(fā)布到指定的主題，跟蹤系統(tǒng)可以訂閱這些主題以實(shí)時(shí)獲取位置信息。

智能城市管理：在智能城市管理中，MQTT可以用于實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的信息交互和協(xié)調(diào)。例如，路燈、交通信號(hào)燈、垃圾桶等設(shè)備可以通過(guò)MQTT協(xié)議連接到一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些設(shè)備的集中管理和控制。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：MQTT可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制。傳感器通過(guò)MQTT協(xié)議將農(nóng)田的土壤濕度、溫度等信息發(fā)布到指定的主題，農(nóng)民可以訂閱這些主題以實(shí)時(shí)了解農(nóng)田環(huán)境情況，并進(jìn)行相應(yīng)的灌溉和施肥操作。

能源監(jiān)測(cè)與管理：MQTT可用于能源監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)，如智能電網(wǎng)、智能能源監(jiān)測(cè)等。通過(guò)將能源設(shè)備連接到MQTT網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)時(shí)獲取能源數(shù)據(jù)并進(jìn)行能源調(diào)度和管理。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，MQTT協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，包括設(shè)備控制和監(jiān)控、傳感器數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)信息發(fā)布和訂閱、聊天應(yīng)用、遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和同步、位置跟蹤以及智能城市管理、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和能源監(jiān)測(cè)與管理等領(lǐng)域。這些應(yīng)用場(chǎng)景展示了MQTT協(xié)議在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的強(qiáng)大功能和靈活性。

七 MQTT組件的使用

1 Gitee鏈接地址

組件位于amaziot_bloom_os_sdklibrariesamxtuam_mqtt.c

Gitee源碼地址：https://gitee.com/ning./hongdou

Github源碼地址：https://github.com/ayumid/hongdou

2 應(yīng)用層組件功能介紹

提供MQTT連接實(shí)例，可以通過(guò)調(diào)用組件內(nèi)的API，來(lái)實(shí)現(xiàn)MQTT本地客戶端和服務(wù)器之間的通信。

3 代碼講解

1 dtu_mqtt_wait_init_mqtt

功能：該函數(shù)用于，初始化MQTT。

參數(shù)：

參數(shù)	釋義
st_dtu_file	文件地址

返回值：無(wú)

示例：

//連接mqtt服務(wù)器
dtu_mqtt_wait_connect_mqtt();

2 dtu_mqtt_wait_connect_mqtt

功能：該函數(shù)用于，等待mqtt連接。

參數(shù)：無(wú)

返回值：無(wú)

示例：

//連接mqtt服務(wù)器
dtu_mqtt_wait_connect_mqtt();

3 dtu_mqtt_subscribe_topic

功能：該函數(shù)用于，訂閱Topic。

參數(shù)：無(wú)

返回值：無(wú)

示例：

//訂閱Topic
dtu_mqtt_subscribe_topic();

4 dtu_mqtt_is_connect

功能：該函數(shù)用于，判斷mqtt是否連接。

參數(shù)：

參數(shù)	釋義
st_dtu_file	文件地址

返回值：無(wú)

示例：

//判斷是否配置了心跳
if(dtu_mqtt_is_connect(dtu_mqtt_ctx->dtu_mqtt_client) && dtu_file_ctx->gnss.gpsflag == 1)

5 dtu_mqtt_disconnect

功能：該函數(shù)用于，斷開mqtt連接狀態(tài)。

參數(shù)：無(wú)

返回值：無(wú)

示例：

6 dtu_mqtt_msg_dl_arriver

功能：該函數(shù)用于，mqtt下行數(shù)據(jù)回調(diào)函數(shù)。

參數(shù)：無(wú)

返回值：無(wú)

示例：

mqtt_set_interceptor_handler(dtu_mqtt_t.dtu_mqtt_client,dtu_mqtt_msg_dl_arriver);

7 dtu_mqtt_send

功能：該函數(shù)用于，mqtt信息發(fā)送。

參數(shù)：

參數(shù)	釋義
data	數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針
data_sz	數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

返回值：無(wú)

示例：

dtu_mqtt_send(send, strlen(send));

8 dtu_mqtt_send_serial_data

功能：該函數(shù)用于，at接口數(shù)據(jù)發(fā)送到mqtt服務(wù)器。

參數(shù)：

參數(shù)	釋義
uartData	數(shù)據(jù)指針

返回值：無(wú)

示例：

dtu_mqtt_send_serial_data(uartData);

4 Demo實(shí)戰(zhàn)

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審核編輯 黃宇