机器人系统能用MQTT5.0代替ROS2吗？

前言

    ROS2是目前最主流的机器人系统，但由于ROS2的学习曲线比较徒陗，而且对于资源受限的系统并不友好；而MQTT5.0是最新的MQTT消息传输协议，为现代IoT提供了更友好的支持，下面讨论MQTT5.0和ROS2结合使用，或机器人系统只用MQTT5.0来实现的新思路。

分析比较

    机器人系统能否完全用MQTT 5.0代替ROS 2，取决于具体的应用场景、系统需求以及对这两种技术特点的理解。MQTT 5.0和ROS 2虽然都可用于机器人通信，但它们在设计理念、功能范围、适用场景等方面存在显著差异。下面对两者的对比分析有助于回答这个问题：

MQTT 5.0

优点：

• 轻量级、跨平台：MQTT 5.0是一种轻量级的消息传输协议，适用于资源受限的嵌入式设备。它具有良好的跨平台支持，可在各种操作系统和硬件平台上运行。
• 发布/订阅模式：基于发布/订阅模型，易于实现一对多或多对多通信，适用于分布式系统中的数据广播和消息共享。
• 网络适应性强：适用于各种网络条件，包括低带宽、不稳定网络，支持QoS级别保证消息传递可靠性。
• 安全与标准化：支持TLS加密传输，有完善的错误处理机制和标准化的协议规范，易于与其他系统集成。

局限性：

• 功能相对基础：MQTT本身专注于消息传输，不具备高级功能如数据类型自动转换、服务调用、参数服务器、时序数据处理等，需要额外开发或集成其他工具来实现这些功能。
• 缺乏系统级框架：MQTT不提供机器人软件开发的完整框架，如节点管理、进程间通信、软件包管理、调试工具等，需要自行搭建或使用其他工具填补这些空白。
• 没有统一的数据模型：MQTT消息基于主题和字节流，没有规定统一的数据结构或类型系统，可能导致数据解析和互操作性问题。

ROS 2

优点：

• 完整的机器人开发框架：提供了一整套机器人软件开发工具链，包括节点管理、服务调用、参数服务器、消息类型定义、时序数据处理、可视化工具等，大大简化了开发流程。
• 数据类型丰富：定义了丰富的消息类型和接口标准，支持自定义消息类型，具有类型安全的数据传输和自动化的序列化/反序列化功能。
• 分布式系统支持：内置DDS（Data Distribution Service）作为底层通信协议，支持高效的多节点、多进程通信，包括实时数据传输、数据一致性保证等。
• 跨平台与语言支持：支持多种编程语言（如C++、Python、Java等），并能在多种操作系统上运行。

局限性：

• 资源消耗相对较高：相比MQTT，ROS 2及其配套工具链可能需要更多的计算资源和内存，对于资源极其受限的嵌入式设备可能不太友好。
• 网络要求较高：虽然ROS 2通过DDS支持多种网络配置，但在复杂网络环境下（如高延迟、低带宽）的配置和优化可能较为复杂。
• 学习曲线较陡峭：ROS 2作为一个复杂的系统框架，初次使用者可能需要投入较多时间学习其概念、工具和最佳实践。

替代可能性分析

考虑到以上特点，MQTT 5.0在以下情况下可以考虑作为ROS 2的替代或补充方案：

• 轻量级通信需求：对于资源有限、仅需基本消息传递功能的嵌入式设备或传感器节点，MQTT 5.0的轻量级特性使其成为理想选择。
• 简单分布式系统：如果机器人系统结构相对简单，不需要复杂的节点管理、服务调用等功能，可以直接使用MQTT 5.0构建基于消息的通信架构。
• 与其他MQTT生态集成：如果机器人系统需要与已有的MQTT-based物联网平台无缝对接，使用MQTT 5.0可以简化集成工作。

然而，对于复杂机器人系统，尤其是需要高级功能支持、系统级框架管理以及高效分布式通信的场合，ROS 2仍然是更为合适的选择。MQTT 5.0可能更适合作为ROS 2系统中的某个通信层或与外部系统的接口，而不是完全替代ROS 2。

总的来说，MQTT 5.0可以作为机器人系统通信的一种选择，尤其在特定的轻量级或简单分布式场景中。然而，完全用MQTT 5.0代替ROS 2并不总是可行或最优的，因为ROS 2提供的不仅仅是通信机制，更是一个完整的机器人软件开发框架。在决定是否替代时，应充分考虑项目的具体需求、现有技术栈、团队技能以及未来扩展性等因素。在很多情况下，二者可以互补使用，MQTT 5.0作为ROS 2系统中的通信补充或对外接口，以充分利用各自的优势。

由上面的分析得出的结论

    更为灵活和友好的方案是通过把ROS（Robot Operating System）与MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议相结合的解决方案，利用MQTT的轻量级、跨平台和广泛适用性特点，扩展ROS系统的通信能力，或将非ROS系统接入ROS网络。具体而言，可能表现为以下几种形式：

1. ROS Package / Bridge：

   • ros-mqtt-bridge：这是一个开源的ROS package，它提供了一个双向桥接器，允许ROS节点通过MQTT协议与非ROS系统（如物联网设备、其他MQTT客户端等）进行通信。该桥接器可以订阅ROS话题并将消息发布到MQTT Broker，同时也能从MQTT Broker接收消息并发布到相应的ROS话题，实现ROS与MQTT之间的数据透明传输。

     使用示例：在一个混合环境中，机器人上的ROS节点可以通过ros-mqtt-bridge将传感器数据发布到MQTT Broker，供远程监控系统、数据分析平台或其他非ROS设备订阅。反之，远程控制指令也可以通过MQTT Broker传递给ros-mqtt-bridge，进而发布到ROS系统，控制机器人动作。

   • 类似的ROS packages：除了ros-mqtt-bridge外，还有其他类似功能的ROS packages，如mqtt_bridge、mqtt_cpp等，它们同样实现了ROS与MQTT之间的消息桥接。

2. ROS Middleware Integration：

   • ROS 2 with MQTT：在ROS 2中，可以通过集成DDS（Data Distribution Service）中间件的MQTT插件（如Eclipse Cyclone DDS的MQTT Gateway）或直接使用支持MQTT的DDS实现（如eProsima Fast RTPS with MQTT interoperability），将MQTT作为ROS 2的通信协议之一。这样，ROS 2节点可以直接通过MQTT与其他MQTT客户端进行通信，而无需额外的桥接组件。

3. Custom Implementations：

   • 自定义ROS-MQTT接口：根据项目需求，开发人员可能会编写自定义的ROS节点或库，直接在ROS节点内部实现MQTT客户端功能，以便直接订阅或发布MQTT消息，而不依赖于外部桥接器。这种方法提供了更高的灵活性，但需要更多的开发工作。

总的来说，创新的方案是通过各种方式将ROS系统与MQTT协议相结合，以实现ROS节点与非ROS系统（尤其是MQTT客户端）之间的通信。这种结合可以是通过现成的ROS package（如ros-mqtt-bridge）提供桥接功能，也可以是通过ROS 2中间件集成MQTT支持，或是开发自定义的ROS-MQTT接口。选择哪种方式取决于具体的项目需求、现有技术栈、团队技能以及对性能、可维护性、可扩展性的要求。

附录（Brainstorm）

GitHub - ika-rwth-aachen/mqtt_client: ROS / ROS 2 C++ Node for bi-directionally bridging messages between ROS and MQTT

Combining ROS2 and MQTT on ESP32 to send Twist messages | by RoboFoundry | Medium

ROS2 × AIoT 場域介紹 (playrobot.com)

ROS 和 MQTT (uq.edu.au)    //AIoT for 智能家居场景，ROS结合MQTT的思路。

Can we use MQTT in ROS2? - Robotics Stack Exchange  

ROS 2.0教學與應用：MQTT望塵莫及 工業4.0 5G AI 智慧工廠 - YouTube