物联网通信协议-MQTT及使用python实现_python mqtt
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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。
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：
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接受来自客户的网络连接
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接受客户发布的应用信息
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处理来自客户端的订阅和退订请求
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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
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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
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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()
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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()
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