物联网行业中MQTT通信协议详解以及使用

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"和"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。

三 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：

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：

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：

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。

四 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_sdklibrariesamxtuam_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

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