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前一段有幸参与到一个智能家居项目的开发,由于之前都没有过这方面的开发经验,所以对智能硬件的开发模式和技术栈都颇为好奇。

产品是一款可燃气体报警器,如果家中燃气泄露浓度到达一定阈值,报警器检测到并上传气体浓度值给后台,后台以电话、短信、微信等方式,提醒用户家中可能有气体泄漏。

用户还可能向报警器发一些关闭报警、调整音量的指令等。整体功能还是比较简单的,大致的逻辑如下图所示:

但当我真正的参与其中开发时,其实有一点小小的失望,因为在整个研发过程中,并没用到什么新的技术,还是常规的几种中间件,只不过换个用法而已。

技术选型用rabbitmq 来做核心的组件,主要考虑到运维成本低,组内成员使用的熟练度比较高。


下面和小伙伴分享一下如何用 springboot + rabbitmq 搭建物联网(IOT)平台,其实智能硬件也没想象的那么高不可攀!

很多小伙伴可能有点懵?rabbitmq 不是消息队列吗?怎么又能做智能硬件了

其实rabbitmq有两种协议,我们平时接触的消息队列是用的AMQP协议,而用在智能硬件中的是MQTT协议。

一、什么是 MQTT协议?

MQTT 全称(Message Queue Telemetry Transport):一种基于发布/订阅(publish/subscribe)模式的轻量级通讯协议,通过订阅相应的主题来获取消息,是物联网(Internet of Thing)中的一个标准传输协议。

该协议将消息的发布者(publisher)与订阅者(subscriber)进行分离,因此可以在不可靠的网络环境中,为远程连接的设备提供可靠的消息服务,使用方式与传统的MQ有点类似。

TCP协议位于传输层,MQTT 协议位于应用层,MQTT 协议构建于TCP/IP协议上,也就是说只要支持TCP/IP协议栈的地方,都可以使用MQTT协议。

二、为什么要用 MQTT协议?

MQTT协议为什么在物联网(IOT)中如此受偏爱?而不是其它协议,比如我们更为熟悉的 HTTP协议呢?

  • 首先HTTP协议它是一种同步协议,客户端请求后需要等待服务器的响应。而在物联网(IOT)环境中,设备会很受制于环境的影响,比如带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定等,显然异步消息协议更为适合IOT应用程序。

  • HTTP是单向的,如果要获取消息客户端必须发起连接,而在物联网(IOT)应用程序中,设备或传感器往往都是客户端,这意味着它们无法被动地接收来自网络的命令。

  • 通常需要将一条命令或者消息,发送到网络上的所有设备上。HTTP要实现这样的功能不但很困难,而且成本极高。

    三、MQTT协议介绍

    前边说过MQTT是一种轻量级的协议,它只专注于发消息, 所以此协议的结构也非常简单。

MQTT数据包

MQTT协议中,一个MQTT数据包由:固定头(Fixed header)、 可变头(Variable header)、 消息体(payload)三部分构成。

  • 固定头(Fixed header),所有数据包中都有固定头,包含数据包类型及数据包的分组标识。
  • 可变头(Variable header),部分数据包类型中有可变头。
  • 内容消息体(Payload),存在于部分数据包类,是客户端收到的具体消息内容。


1、固定头

固定头部,使用两个字节,共16位:

DUP Flag(重试标识)

DUP Flag:保证消息可靠传输,消息是否已送达的标识。默认为0,只占用一个字节,表示第一次发送,当值为1时,表示当前消息先前已经被传送过。

QoS Level(消息质量等级)

QoS Level:消息的质量等级,后边会详细介绍

RETAIN(持久化)

  • 值为1:表示发送的消息需要一直持久保存,而且不受服务器重启影响,不但要发送给当前的订阅者,且以后新加入的客户端订阅了此Topic,订阅者也会马上得到推送。
    注意:新加入的订阅者,只会取出最新的一个RETAIN flag = 1的消息推送。

  • 值为0:仅为当前订阅者推送此消息。

Remaining Length(剩余长度)

在当前消息中剩余的byte(字节)数,包含可变头部和消息体payload。

2、可变头

固定头部仅定义了消息类型和一些标志位,一些消息的元数据需要放入可变头部中。可变头部内容字节长度 + 消息体payload = 剩余长度。

可变头部居于固定头部和payload中间,包含了协议名称,版本号,连接标志,用户授权,心跳时间等内容。

可变头存在于这些类型的消息:PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

3、消息体payload

消息体payload只存在于CONNECTPUBLISHSUBSCRIBESUBACKUNSUBSCRIBE这几种类型的消息:

  • CONNECT:包含客户端的ClientId、订阅的TopicMessage以及用户名密码
  • PUBLISH:向对应主题发送消息。
  • SUBSCRIBE:要订阅的主题以及QoS
  • SUBACK:服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
  • UNSUBSCRIBE:取消要订阅的主题。

消息质量(QoS )

消息质量(Quality of Service),即消息的发送质量,发布者(publisher)和订阅者(subscriber)都可以指定qos等级,有QoS 0QoS 1QoS 2三个等级。

下边分别说明一下这三个等级的区别。

1、Qos 0At most once(至多一次),只发送一次消息,不保证消息是否成功送达,没有确认机制,消息可能会丢失或重复。


2、Qos 1At least once(至少一次),相对于QoS 0而言Qos 1增加了ack确认机制,发送者(publisher)推送消息到MQTT代理(broker)时,两者自身都会先持久化消息,只有当publisher 或者 Broker分别收到 PUBACK确认时,才会删除自身持久化的消息,否则就会重发。

但有个问题,尽管我们可以通过确认来保证一定收到客户端 或 服务器的message,可我们却不能保证仅收到一次message,也就是当客户端publisher没收到Brokerpuback或者 Broker没有收到subscriberpuback,那么就会一直重发。

publisher -> broker 大致流程:

  1. publisher store msg -> publish ->broker (传递message)
  2. broker -> puback -> publisher delete msg (确认传递成功)


3、Qos 2Exactly once(只有一次),相对于QoS 1QoS 2升级实现了仅接受一次messagepublisherbroker 同样对消息进行持久化,其中 publisher 缓存了message和 对应的msgID,而 broker 缓存了 msgID,可以保证消息不重复,由于又增加了一个confirm 机制,整个流程变得复杂很多。

publisher -> broker 大致流程:

  1. publisher store msg -> publish ->broker -> broker store
    1. msgID(传递message) broker -> puberc (确认传递成功)
    2. publisher -> pubrel ->broker delete msgID (告诉broker删除msgID)
    3. broker -> pubcomp -> publisher delete msg (告诉publisher删除msg)

LWT(最后遗嘱)

LWT 全称为 Last Will and Testament,其实遗嘱是一个由客户端预先定义好的主题和对应消息,附加在CONNECT的数据包中,包括遗愿主题遗愿 QoS遗愿消息等。

当MQTT代理 Broker 检测到有客户端client非正常断开连接时,再由服务器主动发布此消息,然后相关的订阅者会收到消息。

举个栗子:聊天室中所有人都订阅一个叫talk的主题 ,但小富由于网络抖动突然断开了链接,这时聊天室中所有订阅主题 talk的客户端都会收到一个 “小富离开聊天室” 的遗愿消息。

遗嘱的相关参数:

  • Will Flag:是否使用 LWT,1 开启
  • Will Topic:遗愿主题名,不可使用通配符
  • Will Qos:发布遗愿消息时使用的 QoS
  • Will Retain:遗愿消息的 Retain 标识
  • Will Message:遗愿消息内容

那客户端Client 有哪些场景是非正常断开连接呢?

  • Broker 检测到底层的 I/O 异常;
  • 客户端 未能在心跳 Keep Alive 的间隔内和 Broker 进行消息交互;
  • 客户端 在关闭底层 TCP 连接前没有发送 DISCONNECT 数据包;
  • 客户端 发送错误格式的数据包到 Broker,导致关闭和客户端的连接等。

注意:当客户端通过发布 DISCONNECT 数据包断开连接时,属于正常断开连接,并不会触发 LWT 的机制,与此同时Broker 还会丢弃掉当前客户端在连接时指定的相关 LWT 参数。

四、MQTT协议应用场景

MQTT协议广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、电力能源等领域。使用的场景也是非常非常多,下边列举一些:

  • 物联网M2M通信,物联网大数据采集
  • Android消息推送,WEB消息推送
  • 移动即时消息,例如Facebook Messenger
  • 智能硬件、智能家具、智能电器
  • 车联网通信,电动车站桩采集
  • 智慧城市、远程医疗、远程教育
  • 电力、石油与能源等行业市场

五、代码实现

具体 rabbitmq 的环境搭建就不赘述了,网上教程比较多,有条件的用服务器,没条件的像我搞个Windows版的也很快乐嘛。

1、启用 rabbitmq的mqtt协议

我们先开启 rabbitmqmqtt协议,因为默认安装下是关闭的,命令如下:

rabbitmq-plugins enable rabbitmq_mqtt

2、mqtt 客户端依赖包

上一步中安装rabbitmq环境并开启 mqtt协议后,实际上mqtt 消息代理服务就搭建好了,接下来要做的就是实现客户端消息的推送和订阅。

这里使用spring-integration-mqttorg.eclipse.paho.client.mqttv3两个工具包实现。

<!--mqtt依赖包-->
<dependency>
    <groupId>org.springframework.integration</groupId>
    <artifactId>spring-integration-mqtt</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.eclipse.paho</groupId>
       <artifactId>org.eclipse.paho.client.mqttv3</artifactId>
    <version>1.2.0</version>
</dependency>

3、消息发送者

消息的发送比较简单,主要是应用到@ServiceActivator注解,需要注意messageHandler.setAsync属性,如果设置成false,关闭异步模式发送消息时可能会阻塞。

@Configuration
public class IotMqttProducerConfig {

    @Autowired
    private MqttConfig mqttConfig;

    @Bean
    public MqttPahoClientFactory mqttClientFactory() {
        DefaultMqttPahoClientFactory factory = new DefaultMqttPahoClientFactory();
        factory.setServerURIs(mqttConfig.getServers());
        return factory;
    }

    @Bean
    public MessageChannel mqttOutboundChannel() {
        return new DirectChannel();
    }

    @Bean
    @ServiceActivator(inputChannel = "iotMqttInputChannel")
    public MessageHandler mqttOutbound() {
        MqttPahoMessageHandler messageHandler = new MqttPahoMessageHandler(mqttConfig.getServerClientId(), mqttClientFactory());
        messageHandler.setAsync(false);
        messageHandler.setDefaultTopic(mqttConfig.getDefaultTopic());
        return messageHandler;
    }
}

MQTT 对外提供发送消息的API时,需要使用@MessagingGateway 注解,去提供一个消息网关代理,参数defaultRequestChannel 指定发送消息绑定的channel

可以实现三种API接口,payload 为发送的消息,topic 发送消息的主题,qos 消息质量。

@MessagingGateway(defaultRequestChannel = "iotMqttInputChannel")
public interface IotMqttGateway {

    // 向默认的 topic 发送消息
    void sendMessage2Mqtt(String payload);
    // 向指定的 topic 发送消息
    void sendMessage2Mqtt(String payload,@Header(MqttHeaders.TOPIC) String topic);
    // 向指定的 topic 发送消息,381sun.com:并指定服务质量参数
    void sendMessage2Mqtt(@Header(MqttHeaders.TOPIC) String topic, @Header(MqttHeaders.QOS) int qos, String payload);
}

4、消息订阅

消息订阅和我们平时用的MQ消息监听实现思路基本相似,@ServiceActivator注解表明当前方法用于处理MQTT消息,inputChannel 参数指定了用于接收消息的channel

/**
 * @Author: xiaofu
 * @Description: 消息订阅配置
 * @date 2020/6/8 18:24
 */
@Configuration
public class IotMqttSubscriberConfig {

    @Autowired
    private MqttConfig mqttConfig;

    @Bean
    public MqttPahoClientFactory mqttClientFactory() {
        DefaultMqttPahoClientFactory factory = new DefaultMqttPahoClientFactory();
        factory.setServerURIs(mqttConfig.getServers());
        return factory;
    }

    @Bean
    public MessageChannel iotMqttInputChannel() {
        return new DirectChannel();
    }

    @Bean
    public MessageProducer inbound() {
        MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter adapter = new MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter(mqttConfig.getClientId(), mqttClientFactory(), mqttConfig.getDefaultTopic());
        adapter.setCompletionTimeout(5000);
        adapter.setConverter(new DefaultPahoMessageConverter());
        adapter.setQos(1);
        adapter.setOutputChannel(iotMqttInputChannel());
        return adapter;
    }

    /**
     * @author xiaofu
     * @description 消息订阅
     * @date 2020/6/8 18:20
     */
    @Bean
    @ServiceActivator(inputChannel = "iotMqttInputChannel")
    public MessageHandler handlerTest() {

        return message -> {
            try {
                String string = message.getPayload().toString();
                System.out.println("接收到消息:" + string);
            } catch (MessagingException ex) {
                //logger.info(ex.getMessage());
            }
        };
    }
}

六、测试消息

额~ 由于本渣渣对硬件一窍不通,为了模拟硬件的发送消息,只能借助一下工具,其实硬件端实现MQTT协议,跟我们前边的基本没什么区别,只不过换种语言嵌入到硬件中而已。

这里选的测试工具为mqttbox,下载地址:http://www.197.1168844.com/mqttbox.html

1、测试消息发送

我们用先用mqttbox模拟向主题mqtt_test_topic发送消息,看后台是否能成功接收到。

2、测试消息订阅

mqttbox模拟订阅主题mqtt_test_topic,在后台向主题mqtt_test_topic发送一条消息,这里我简单的写了个controller调用API发送消息。

http://xhe.ib911.com/277:8080/fun/testMqtt?topic=mqtt_test_topic&message=我是后台向主题 mqtt_test_topic 发送的消息

七、应用注意事项

在我们实际的生产环境中遇到过的问题,这里分享一下让大家少踩坑。

clientId 要唯一

在客户端connect连接的时,会有一个clientId 参数,需要每个客户端都保持唯一的。但我们在开发测试阶段clientId直接在代码中写死了,而且服务都是单实例部署,并没有暴露出什么问题。

MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter(mqttConfig.getClientId(), mqttClientFactory(), mqttConfig.getDefaultTopic());

然而在生产环境内侧的时候,由于服务是多实例集群部署,结果出现了下边的奇怪问题。同一时间内只能有一个客户端能拿到消息,其他客户端不但不能消费消息,而且还在不断的掉线重连:Lost connection: 已断开连接; retrying...


这就是由于clientId相同导致客户端间相互竞争消费,最后将clientId获取方式换成从发号器中拿,问题就好了,所以这个地方是需要特别注意的。

平时程序在开发环境没问题,可偏偏到了生产环境就一大堆问题,很多都是因为服务部署方式不同导致的。所以多学习分布式还是很有必要的。

八、其他中间件

MQTT它只是一种协议,支持MQTT协议的消息中间件产品非常多,下边的也只是其中的一部分

  • Mosquitto
  • Eclipse Paho
  • RabbitMQ
  • Apache ActiveMQ
  • HiveMQ
  • JoramMQ
  • ThingMQ
  • VerneMQ
  • Apache Apollo
  • emqttd Xively
  • IBM Websphere
    .....

总结

我也是第一次做和硬件相关的项目,之前听到智能家居都会觉得好高大上,但实际上手开发后发现,技术嘛万变不离其宗,也只是换种用法而已。

双手奉上项目 demo 的github地址 :http://www.346.cao748.com/chengxy-nds/springboot-rabbitmq-mqtt.git

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原创不易,燃烧秀发输出内容,希望你能有一丢丢收获!