原创 物联网行业中MQTT通信协议详解以及使用

2024-9-10 17:27 196 1 1 分类: MCU/ 嵌入式

一 概述

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,用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。

二 MQTT协议特点

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协议当前版本为,2014年发布的MQTT v3.1.1。除标准版外,还有一个简化版MQTT-SN,该协议主要针对嵌入式设备,这些设备一般工作于TCP/IP网络,如:ZigBee。
MQTT 与 HTTP 一样,MQTT 运行在传输控制协议/互联网协议 (TCP/IP) 堆栈之上。

MQTT OSI

发布和订阅

MQTT使用的发布/订阅消息模式,它提供了一对多的消息分发机制,从而实现与应用程序的解耦。
这是一种消息传递模式,消息不是直接从发送器发送到接收器(即点对点),而是由MQTT server(或称为 MQTT Broker)分发的。

MQTT 服务器是发布-订阅架构的核心
它可以非常简单地在Raspberry Pi或NAS等单板计算机上实现,当然也可以在大型机或 Internet 服务器上实现。
服务器分发消息,因此必须是发布者,但绝不是订阅者!
客户端可以发布消息(发送方)、订阅消息(接收方)或两者兼而有之。
客户端(也称为节点)是一种智能设备,如微控制器或具有 TCP/IP 堆栈和实现 MQTT 协议的软件的计算机。
消息在允许过滤的主题下发布。主题是分层划分的 UTF-8 字符串。不同的主题级别用斜杠/作为分隔符号。
我们来看看下面的设置。
  • 光伏发电站是发布者(Publisher)。
  • 主要主题(Topic)级别是"PV",这个工厂发布两个子级别"sunshine""data"
  • "PV/sunshine"是一个布尔值(true/fault,也可以是 1/0),充电站需要它来知道是否应该装载电动汽车(仅在阳光普照时 )。
  • 充电站(EVSE)是订阅者,订阅"PV/sunshine"从服务器获取信息。
  • "PV/data" 另一方面,以 kW 为单位传输工厂产生的瞬时功率,并且该主题可以例如通过计算机或平板电脑订阅,以生成一天内传输功率的图表。
这就是一个简单的MQTT的应用场景,具体如下图所示;

MQTT 发布和订阅

QoS(Quality of Service levels)

服务质量是 MQTT 的一个重要特性。当我们使用 TCP/IP 时,连接已经在一定程度上受到保护。但是在无线网络中,中断和干扰很频繁,MQTT 在这里帮助避免信息丢失及其服务质量水平。这些级别在发布时使用。如果客户端发布到 MQTT 服务器,则客户端将是发送者,MQTT 服务器将是接收者。当MQTT服务器向客户端发布消息时,服务器是发送者,客户端是接收者。
QoS 0
这一级别会发生消息丢失或重复,消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即:<=1

QoS 1
QoS 1 承诺消息将至少传送一次给订阅者。

QoS 2
使用 QoS 2,我们保证消息仅传送到目的地一次。为此,带有唯一消息 ID 的消息会存储两次,首先来自发送者,然后是接收者。QoS 级别 2 在网络中具有最高的开销,因为在发送方和接收方之间需要两个流。

MQTT 数据包结构

  • 固定头(Fixed header,存在于所有MQTT数据包中,表示数据包类型及数据包的分组类标识;
  • 可变头(Variable header,存在于部分MQTT数据包中,数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容;
  • 消息体(Payload),存在于部分MQTT数据包中,表示客户端收到的具体内容;
整体MQTT的消息格式如下图所示;

3.1 MQTT固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中,其结构如下:

下面简单分析一下固定头的消息格式;
MQTT消息类型 / message type
**位置:**byte 1, bits 7-4。
4位的无符号值,类型如下:
td {white-space:nowrap;border:1px solid #dee0e3;font-size:10pt;font-style:normal;font-weight:normal;vertical-align:middle;word-break:normal;word-wrap:normal;}
名称流方向描述
Reserved0不可用保留位
CONNECT1客户端到服务器客户端请求连接到服务器
CONNACK2服务器到客户端连接确认
PUBLISH3双向发布消息
PUBACK4双向发布确认
PUBREC5双向发布收到(保证第1部分到达)
PUBREL6双向发布释放(保证第2部分到达)
PUBCOMP7双向发布完成(保证第3部分到达)
SUBSCRIBE8客户端到服务器客户端请求订阅
SUBACK9服务器到客户端订阅确认
UNSUBSCRIBE10客户端到服务器请求取消订阅
UNSUBACK11服务器到客户端取消订阅确认
PINGREQ12客户端到服务器PING请求
PINGRESP13服务器到客户端PING应答
DISCONNECT14客户端到服务器中断连接
Reserved15不可用保留位
标识位 / DUP
**位置:**byte 1, bits 3-0。
在不使用标识位的消息类型中,标识位被作为保留位。如果收到无效的标志时,接收端必须关闭网络连接:
td {white-space:nowrap;border:1px solid #dee0e3;font-size:10pt;font-style:normal;font-weight:normal;vertical-align:middle;word-break:normal;word-wrap:normal;}
数据包标识位Bit 3Bit 2Bit 1Bit 0
CONNECT保留位0000
CONNACK保留位0000
PUBLISHMQTT 3.1.1使用DUP1QoS2QoS2RETAIN3
PUBACK保留位0000
PUBREC保留位0000
PUBREL保留位0000
PUBCOMP保留位0000
SUBSCRIBE保留位0000
SUBACK保留位0000
UNSUBSCRIBE保留位0000
UNSUBACK保留位0000
PINGREQ保留位0000
PINGRESP保留位0000
DISCONNECT保留位0000
  • DUP:发布消息的副本。用来在保证消息的可靠传输,如果设置为 1,则在下面的变长中增加MessageId,并且需要回复确认,以保证消息传输完成,但不能用于检测消息重复发送。
  • QoS发布消息的服务质量(前面已经做过介绍),即:保证消息传递的次数
    • 00:最多一次,即:<=1
    • 01:至少一次,即:>=1
    • 10:一次,即:=1
    • 11:预留
  • RETAIN:发布保留标识,表示服务器要保留这次推送的信息,如果有新的订阅者出现,就把这消息推送给它,如果设有那么推送至当前订阅者后释放。
剩余长度(Remaining Length)
位置:byte 1。
固定头的第二字节用来保存变长头部和消息体的总大小的,但不是直接保存的。这一字节是可以扩展,其保存机制,前7位用于保存长度,后一部用做标识。当最后一位为 1时,表示长度不足,需要使用二个字节继续保存。例如:计算出后面的大小为0

3.2 MQTT可变头 / Variable header

MQTT数据包中包含一个可变头,它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同,较常的应用是做为包的标识:
td {white-space:nowrap;border:1px solid #dee0e3;font-size:10pt;font-style:normal;font-weight:normal;vertical-align:middle;word-break:normal;word-wrap:normal;}
Bit7 — 0
byte 1包标签符(MSB)
byte 2…包标签符(LSB)
很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段,这些类型的包有:
PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、
SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK

3.3 Payload消息体

Payload消息体是MQTT数据包的第三部分,CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息 有消息体:
  • CONNECT,消息体内容主要是:客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码
  • SUBSCRIBE,消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS
  • SUBACK,消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
  • UNSUBSCRIBE,消息体内容是要订阅的主题。

MQTT服务器搭建

目前MQTT代理的主流平台有下面几个:
  • Mosquitto:https://mosquitto.org/
  • VerneMQ:https://vernemq.com/
  • EMQTT:http://emqtt.io/

五 MQTT模拟客户端

目前MQTT主流模拟客户端有下面几个:
  • MQTT fx:https://www.softblade.de/
  • MQTTX:https://mqttx.app/zh/downloads?os=windows

六 MQTT协议使用场景

MQTT协议的应用场景非常丰富,特别是在物联网领域。以下是对MQTT协议应用场景的清晰归纳:
物联网设备控制和监控:MQTT被广泛应用于物联网设备之间的通信,如智能家居、智能城市和工业自动化等领域。设备可以发布自身状态到特定主题,用户或系统可以订阅这些主题来获取设备信息,实现对设备的远程监控与控制。
传感器数据传输:MQTT可以用于传感器数据的采集、传输和监控,例如气象站、环境监测等领域。传感器将采集到的数据通过MQTT协议发布到指定的主题,相关系统可以订阅这些主题以实时获取数据并进行处理。
实时信息发布和订阅:MQTT支持实时信息的发布和订阅,例如新闻、股票行情、天气预报等。信息发布者将信息发布到特定的主题,信息订阅者可以订阅这些主题以实时获取最新的信息。
聊天应用:MQTT也可以用于实时聊天应用的消息传输。通过MQTT协议,用户可以实现即时通讯,发送和接收消息。
远程监控和控制系统:在远程监控和控制系统中,MQTT可以用于实现远程设备的管理和控制。例如,远程监控摄像头可以通过MQTT协议将实时视频流发布到指定的主题,用户可以通过订阅这些主题来查看摄像头的视频内容。
数据传输和同步:MQTT还可以用于跨平台数据同步和数据备份等场景。通过将数据发布到MQTT主题,不同平台或设备可以订阅这些主题以实现数据的实时同步和备份。
位置跟踪:MQTT协议可以用于实时位置跟踪,例如车辆追踪、货物追踪等。相关设备可以通过MQTT协议将位置信息发布到指定的主题,跟踪系统可以订阅这些主题以实时获取位置信息。
智能城市管理:在智能城市管理中,MQTT可以用于实现不同设备之间的信息交互和协调。例如,路灯、交通信号灯、垃圾桶等设备可以通过MQTT协议连接到一个统一的平台,实现对这些设备的集中管理和控制。
农业物联网:MQTT可以应用于农业物联网系统中,实现对农田环境的监测和控制。传感器通过MQTT协议将农田的土壤湿度、温度等信息发布到指定的主题,农民可以订阅这些主题以实时了解农田环境情况,并进行相应的灌溉和施肥操作。
能源监测与管理:MQTT可用于能源监测与管理系统,如智能电网、智能能源监测等。通过将能源设备连接到MQTT网络,可以实时获取能源数据并进行能源调度和管理。
总结来说,MQTT协议在物联网领域具有广泛的应用场景,包括设备控制和监控、传感器数据传输、实时信息发布和订阅、聊天应用、远程监控和控制系统、数据传输和同步、位置跟踪以及智能城市管理、农业物联网和能源监测与管理等领域。这些应用场景展示了MQTT协议在物联网领域的强大功能和灵活性。

七 MQTT组件的使用

1 Gitee链接地址

组件位于amaziot_bloom_os_sdk\libraries\am\xtu\am_mqtt.c
Gitee源码地址:https://gitee.com/ning./hongdou
Github源码地址:https://github.com/ayumid/hongdou

2 应用层组件功能介绍

提供MQTT连接实例,可以通过调用组件内的API,来实现MQTT本地客户端和服务器之间的通信。

3 代码讲解

1 dtu_mqtt_wait_init_mqtt
功能:该函数用于,初始化MQTT。
参数:
参数
释义
st_dtu_file
文件地址
返回值:无
示例:
//连接mqtt服务器
dtu_mqtt_wait_connect_mqtt();
2 dtu_mqtt_wait_connect_mqtt
功能:该函数用于,等待mqtt连接。
参数:无
返回值:无
示例:
//连接mqtt服务器
dtu_mqtt_wait_connect_mqtt();
3 dtu_mqtt_subscribe_topic
功能:该函数用于,订阅Topic。
参数:无
返回值:无
示例:
//订阅Topic
dtu_mqtt_subscribe_topic();
4 dtu_mqtt_is_connect
功能:该函数用于,判断mqtt是否连接。
参数:
参数
释义
st_dtu_file
文件地址
返回值:无
示例:
//判断是否配置了心跳
if(dtu_mqtt_is_connect(dtu_mqtt_ctx->dtu_mqtt_client) && dtu_file_ctx->gnss.gpsflag == 1)
5 dtu_mqtt_disconnect
功能:该函数用于,断开mqtt连接状态。
参数:无
返回值:无
示例:
6 dtu_mqtt_msg_dl_arriver
功能:该函数用于,mqtt下行数据回调函数。
参数:无
返回值:无
示例:
mqtt_set_interceptor_handler(dtu_mqtt_t.dtu_mqtt_client,dtu_mqtt_msg_dl_arriver);
7 dtu_mqtt_send
功能:该函数用于,mqtt信息发送。
参数:
参数
释义
data
数据缓冲区指针
data_sz
数据长度
返回值:无
示例:
dtu_mqtt_send(send, strlen(send));
8 dtu_mqtt_send_serial_data
功能:该函数用于,at接口数据发送到mqtt服务器。
参数:
参数
释义
uartData
数据指针
返回值:无
示例:
dtu_mqtt_send_serial_data(uartData);

4 Demo实战

本文章源自奇迹物联开源的物联网应用知识库Cellular IoT Wiki,更多技术干货欢迎关注收藏Wiki:Cellular IoT Wiki 知识库
https://rckrv97mzx.feishu.cn/wiki/wikcnBvAC9WOkEYG5CLqGwm6PHf

欢迎同学们走进AmazIOT知识库的世界!

这里是为物联网人构建的技术应用百科,以便帮助你更快更简单的开发物联网产品。 

文章评论0条评论)

登录后参与讨论
EE直播间
更多
我要评论
0
1
关闭 站长推荐上一条 /4 下一条