物联网通信协议-MQTT及使用python实现

MQTT概念及其原理

简述

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅（publish/subscribe)模式的"轻量
级"通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。

MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M)通信和物联网(IoT)。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

在这里插入图片描述

MQTT Broker算是一个服务器中转站

设计规范

由于物联网的环境是非常特别的，所以MQTT遵循以下设计原则：

精简，不添加可有可无的功能
发布/订阅（Pub/Sub）模式，方便消息在传感器之间传递
允许用户动态创建主题，零运维成本
把传输量降到最低以提高传输效率
把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内
支持连续的会话控制
理解客户端计算能力可能很低
提供服务质量管理
假设数据不可知，不强求传输数据的类型与格式，保持灵活性。

主要特性

MQTT协议工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：

使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。

这一点很类似于XMPP，但是MQTT的信息冗余远小于XMPP，,因为XMPP使用XML格式文本来传递数据。可扩展消息处理现场协议(eXtensible Messaging and Presence Protocol,XMPP)是一种基于可扩展标记语言(eXtensible Markup Language,XML)的近端串流式即时通信协议。

对负载内容屏蔽的消息传输。

使用TCP/IP提供网络连接。主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。

有三种消息发布服务质量：

“至多一次”，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。这一种方式主要普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了。

“至少一次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。

“只有一次”，确保消息到达一次。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。

小型传输，开销很小（固定长度的头部是2字节），协议交换最小化，以降低网络流量。

这就是为什么在介绍里说它非常适合"在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集"，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了。

使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

Last Will：即遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备发送遗言的设备已经断开了连接。

Testament：遗嘱机制，功能类似于Last Will。

MQTT协议实现方式

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker) （服务
器）、订阅者(Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。
MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：

Topic可以理解为消息的类型，订阅者订阅(Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload)
payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

MQTT客户端

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：

发布其他客户端可能会订阅的信息
订阅其它客户端发布的消息
退订或删除应用程序的消息
断开与服务器连接。

MQTT服务器

MQTT服务器以称为"消息代理"(Broker)，可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

接受来自客户的网络连接
接受客户发布的应用信息
处理来自客户端的订阅和退订请求
向订阅的客户转发应用程序消息。

MQTT协议中的方法

MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据,
的这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：

Connect。等待与服务器建立连接。
disconnet. 等的MQT客户定完流所借的工作，并与服务都断开工CP/P会活。
Subscribe。等待完成订阅。
UnSubscribe。等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。
Publish。MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。

使用MQTT消息通信-Mosquitto搭建

MQTT协议广泛用于物联网设备的消息传输，关于MQTT和MQTT的使用，MQTT的服务软件Mosquitto的搭建和使用，MQTT的python开发软件包paho-mqtt的使用，以及我们的物联网平台如何集成MQTT消息服务及其代码开发。

MQTT物联网应用场景设计

场景一： 云端订阅设备。设备采用MQTT协议发布（publish）数据，我们云端的iotplus平台需要接收数据并进行保存。我们可以理
解为，设备发布数据，云端订阅保存数据。
**场景二：**向设备下发指令数据，设备侧订阅。用户一般采用移动APP应用软件控制物联网设备，如果移动APP应用也是采用MQTT协议发布（publish）指令数据，设备侧订阅到数据很容易。如果移动APP应用调用的是restfulapi接口，我们需要在接口的业务逻辑里增加发布(publish）指令的动作。（即在接口设置发布mqtt的发布程序）
**场景三：**MQTT动作。怎么理解MQTT动作呢？简单理解就是MQTT发布一个消息出去。MQTT动作的应用场景是什么呢？举例来说，在触发的情况下，当传感器A测量出的温度大于28摄氏度时，我们希望触发系统自动发布一个温度设置的指令给到空调，系统发布的动作，我们可以采用MQTT协议发布（publish）指令。这个就是我们理解的MQTT动作及其使用场景。

Mosquitto

Eclipse Mosquitto是一个开源消息代理，实现了MQTT协议版本3.1和3.1.1。Mosquitto轻量，适用于低功耗单板计算机到完整服务器的
所有设备。Mosquitto项目还提供了用于实现MQTT客户端的C库以及非常受欢迎的mosquitt_pub和mosquitto_sub命令行MQTT客户端。paho-mqtt就是实现MQTT客户端的python库。

unbutu上安装

apt install mosquitto

初步使用MQTT的python库paho-mqtt

我们在上次课讲到的iotplus使,用MQTT的三个场景还是非常复杂的，在正式开发MQTT的功能之前，我们需要掌握MQTT的python软件库的使用。我们已经搭建MQTT服务器，这次课主要讲解paho-mqtt的使用。

安装

pip3 install paho-maqtt -i

mqtt_pub.py

# python 3.6

import random
import time

from paho.mqtt import client as mqtt_client


broker = 'broker.emqx.io'
port = 1883
topic = "/python/mqtt"
# generate client ID with pub prefix randomly
client_id = f'python-mqtt-{random.randint(0, 1000)}'


def connect_mqtt():
    def on_connect(client, userdata, flags, rc):
        if rc == 0:
            print("Connected to MQTT Broker!")
        else:
            print("Failed to connect, return code %d\n", rc)

    client = mqtt_client.Client(client_id)
    client.on_connect = on_connect
    client.connect(broker, port)
    return client


def publish(client):
    msg_count = 0
    while True:
        time.sleep(1)
        msg = f"messages: {msg_count}"
        result = client.publish(topic, msg)
        # result: [0, 1]
        status = result[0]
        if status == 0:
            print(f"Send `{msg}` to topic `{topic}`")
        else:
            print(f"Failed to send message to topic {topic}")
        msg_count += 1


def run():
    client = connect_mqtt()
    client.loop_start()
    publish(client)


if __name__ == '__main__':
    run()

mqtt_sub.py

# python3.6

import random

from paho.mqtt import client as mqtt_client


broker = 'broker.emqx.io'
port = 1883
topic = "/python/mqtt"
# generate client ID with pub prefix randomly
client_id = f'python-mqtt-{random.randint(0, 100)}'


def connect_mqtt() -> mqtt_client:
    def on_connect(client, userdata, flags, rc):
        if rc == 0:
            print("Connected to MQTT Broker!")
        else:
            print("Failed to connect, return code %d\n", rc)

    client = mqtt_client.Client(client_id)
    client.on_connect = on_connect
    client.connect(broker, port)
    return client


def subscribe(client: mqtt_client):
    def on_message(client, userdata, msg):
        print(f"Received `{msg.payload.decode()}` from `{msg.topic}` topic")

    client.subscribe(topic)
    client.on_message = on_message


def run():
    client = connect_mqtt()
    subscribe(client)
    client.loop_forever()


if __name__ == '__main__':
    run()