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物联网之MQTT

article 2024/9/20 0:29:56

一，MQTT 及其在物联网中的应用

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的消息传输协议，设计用于低带宽、延迟高、不稳定的网络环境，特别适合物联网（IoT）应用。它采用了发布/订阅（Pub/Sub）模型，以简化设备之间的消息交换，是物联网领域广泛采用的通信协议之一。

MQTT 的核心概念：

Broker（消息代理）：MQTT Broker 是 MQTT 通信的核心，负责接收、存储并分发消息。所有客户端通过 Broker 进行通信，客户端之间不会直接相互通信。
Publisher（发布者）：客户端可以作为发布者，向某个主题（Topic）发布消息。
Subscriber（订阅者）：客户端可以订阅一个或多个主题，Broker 会将对应主题的消息推送给订阅者。
Topic（主题）：消息通过主题组织，Publisher 发布消息时会指定主题，Subscriber 订阅相应主题来接收消息。
QoS（服务质量）：MQTT 提供三种消息传递服务质量：
QoS 0：消息最多传递一次，不保证消息会被成功接收。
QoS 1：消息至少传递一次，保证消息至少会被接收到一次。
QoS 2：消息传递一次且仅一次，保证消息不会重复或丢失。

MQTT 专为物联网(IoT)设备和低带宽、高延迟或不可靠的网络设计。它的主要特点包括:

轻量级: 协议简单,消息开销小,适合资源受限的设备。
发布/订阅模式: 允许一对多的消息分发和应用程序解耦。
可靠性: 提供三种服务质量级别(QoS),确保消息传递。
安全性: 支持TLS加密和用户名/密码认证。
保留消息: 可以存储最后一条消息,新订阅者可立即获得最新状态。

由于其轻量级的特性，MQTT 广泛应用于物联网中，适用于以下场景：

远程监控与管理：通过 MQTT 协议，物联网设备（如传感器、智能家居设备等）可以定期向服务器上传数据，实现远程监控。服务器也可以通过 MQTT 向设备发送控制命令，进行远程管理。
实时数据传输：MQTT 支持低延迟的消息传输，适合需要实时数据更新的场景，如工业自动化、智能电网、车联网等。
低功耗设备通信：由于 MQTT 协议的低带宽和低开销，适合电池供电的物联网设备，通过节省功耗延长设备的使用寿命。
智能家居：MQTT 协议广泛应用于智能家居系统中，例如控制灯光、恒温器、安防设备等，用户可以通过手机或其他终端远程控制家中的设备。
车联网（V2X）：在车联网中，MQTT 可以用于车辆与后台服务器之间的数据传输，如状态监控、远程控制、紧急事件处理等。

在典型的物联网架构中，MQTT 作为一种协议桥接了物联网设备与云平台之间的数据传输，架构通常包括以下主要部分：

物联网设备（IoT Devices）：如传感器、智能家居设备等，设备通过 MQTT 协议将数据发布到 MQTT Broker，也可以订阅主题接收命令。
MQTT Broker：位于物联网系统的核心位置，负责管理客户端的连接和消息的传输。所有设备和服务器的通信都通过 Broker 进行，Broker 根据主题分发消息。
云平台（Cloud Platform）：云平台通常订阅设备的数据主题，接收到设备上传的数据进行存储和处理。云平台也可以通过 Broker 向设备发布控制命令。
用户终端（User Interface）：通过手机应用、网页等形式，用户可以远程查看设备状态和数据，并发送控制命令，控制物联网设备的运行。

         +--------------------+         +--------------------+
         |                    |         |                    |
         |  User Interface    |         |    Cloud Platform  |
         |      (Mobile)      |         |(Web App, Analytics)|
         +--------------------+         +--------------------+
                   ^                                ^
                   |                                |
                   |        Subscribe/Publish       |
                   |                                |
                   v                                v
         +----------------------------------------------+
         |               MQTT Broker                    |
         |    (Mosquitto, EMQX, HiveMQ, etc.)           |
         +----------------------------------------------+
                   ^                                ^
                   |                                |
            Publish|                                |Subscribe
                   |                                |
                   v                                v
       +--------------------+              +--------------------+
       |  IoT Device 1       |              |  IoT Device 2       |
       | (Sensors, Actuators)|              | (Sensors, Actuators)|
       +--------------------+              +--------------------+

物联网设备（如 IoT Device 1 和 IoT Device 2）通过 MQTT 协议连接到 Broker，并且分别发布数据或订阅控制命令的主题。
MQTT Broker 是中心节点，负责接收物联网设备发布的消息，并将消息推送给订阅者（如云平台或用户终端）。
云平台订阅设备的数据，并通过处理这些数据实现监控、分析或控制操作。云平台也可以通过发布控制命令，控制物联网设备的行为。
用户终端（如移动应用或 Web 界面）允许用户查看设备的状态和数据，并发送控制命令到云平台，云平台再通过 MQTT Broker 传递给相应的物联网设备。

二，在 Windows 10 中安装与测试 MQTT broker

下载 Mosquitto:
- 访问 https://mosquitto.org/download/
- 下载最新版本的 Windows 安装程序 (64-bit)
安装 Mosquitto:
- 运行下载的安装程序
- 按照安装向导的提示进行操作
添加添加 Mosquitto 安装路径到系统路径。

配置 Mosquitto:
- 打开记事本，以管理员身份运行
- 打开安装路径的文件: mosquitto.conf
- 添加或修改以下行:

 listener 1883 # MQTT默认端口
 allow_anonymous true # 允许匿名连接(仅用于测试)
 persistence true # 开启持久化,重启后保留消息
 persistence_location G:\mosquitto\data # 持久化文件存储路径

启动 Mosquitto 服务:
- 打开命令提示符（以管理员身份运行）
- 输入以下命令:
```
 net start mosquitto
```
设置 Mosquitto 为自动启动:
- 打开 “Services” (服务)
- 找到 “Mosquitto Broker” 服务
- 右击并选择 “Properties”
- 将 “Startup type” 设置为 “Automatic”
- 点击 “Apply” 然后 “OK”
测试 Mosquitto:
- 打开两个命令提示符窗口
- 在第一个窗口中，输入订阅命令: mosquitto_sub -t test/topic
- 在第二个窗口中，输入发布命令: mosquitto_pub -t test/topic -m “Hello MQTT”
- 如果在第一个窗口中看到 “Hello MQTT”，则说明 Mosquitto 运行正常
安全配置(生产环境)——启用用户认证:
- 添加用户: mosquitto_passwd -c G:\mosquitto\passwd username
- 在配置文件中启用认证: password_file G:\mosquitto\password.txt
监控和日志
- 查看Mosquitto日志文件: G:\mosquitto\log\mosquitto.log
- 使用工具如Prometheus+Grafana对Mosquitto进行监控

三，物联网设备通过 MQTT 发布与订阅数据

（一）模拟

由于手边暂时没有设备，这里就用python写一个程序来模拟。

1，首先开一个命令行窗口启动 MQTT：

G:\mosquitto>mosquitto -v
1725282189: mosquitto version 2.0.18 starting
1725282189: Using default config.
1725282189: Starting in local only mode. Connections will only be possible from clients running on this machine.
1725282189: Create a configuration file which defines a listener to allow remote access.
1725282189: For more details see https://mosquitto.org/documentation/authentication-methods/
1725282189: Opening ipv4 listen socket on port 1883.
1725282189: Opening ipv6 listen socket on port 1883.
1725282189: mosquitto version 2.0.18 running

此命令会启动 Mosquitto 并以详细模式输出日志。

2，编写模拟物联网设备的 Python 客户端。
用 paho-mqtt Python 库，它是一个流行的 MQTT 客户端库，可以方便地发布和订阅消息。

import json
import random
import time

import paho.mqtt.client as mqtt

# MQTT Broker 的地址和端口
broker_address = "localhost"  # 本地服务器
broker_port = 1883

# 设备 ID
device_id = "device_001"
data_topic = f"devices/{device_id}/data"
control_topic = f"devices/{device_id}/control"

# MQTT 客户端
client = mqtt.Client(mqtt.CallbackAPIVersion.VERSION1, device_id)


# 连接回调函数
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print(f"Connected with result code {rc}")
    # 连接成功后，订阅控制命令主题
    client.subscribe(control_topic)


# 消息回调函数
def on_message(client, userdata, msg):
    print(f"Message received from {msg.topic}: {msg.payload.decode()}")


# 连接 MQTT 服务器
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message
client.connect(broker_address, broker_port, 60)

# 启动 MQTT 客户端的网络循环
client.loop_start()

# 模拟设备定期发送数据
try:
    while True:
        # 模拟传感器数据
        sensor_data = {
            "temperature": round(random.uniform(20.0, 30.0), 2),
            "humidity": round(random.uniform(30.0, 70.0), 2),
            "timestamp": time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S', time.localtime())
        }

        # 将数据发布到 data_topic
        client.publish(data_topic, json.dumps(sensor_data))
        print(f"Published data: {sensor_data}")

        # 每隔 5 秒发送一次数据
        time.sleep(5)

except KeyboardInterrupt:
    print("Simulation stopped.")

# 停止 MQTT 客户端
client.loop_stop()
client.disconnect()

运行 Python 脚本，模拟设备会定期向 devices/device_001/data 主题发布传感器数据

3，测试设备与 MQTT Broker 的通信。
开一个命令行窗口监听设备数据：

mosquitto_sub -h localhost -t "devices/device_001/data"

在这里插入图片描述
开一个命令行窗口发送控制命令：

mosquitto_pub -h localhost -t "devices/device_001/control" -m '{"command": "turn_on", "target": "fan"}'

在这里插入图片描述

（二）使用 ESP8266 + DHT11 + MicroPython

使用ESP8266外接一个DHT11温湿度传感器，用MicroPython编程，让ESP8266采集温湿度数据，并通过MQTT发送到部署在电脑上的MQTTbroker。

1，硬件：
- ESP8266 板子（如 NodeMCU 或 Wemos D1 Mini）
- DHT11 温湿度传感器

2，接线：
- DHT11 VCC → ESP8266 3.3V
- DHT11 GND → ESP8266 GND
- DHT11 数据引脚 → ESP8266 GPIO 引脚（如 GPIO 2/D4）

3，下载并将 MicroPython 固件刷入 ESP8266 板子上：

安装 esptool.py：pip install esptool

刷入固件：

esptool.py --port /dev/ttyUSB0 erase_flash
esptool.py --port /dev/ttyUSB0 --baud 460800 write_flash --flash_size=detect 0 esp8266-<version>.bin

4，连接到 ESP8266：
通过串口工具（如 PuTTY 或 Thonny），连接到 ESP8266，使用 REPL 进行调试和执行 MicroPython 代码。

5，安装 MQTT 和 DHT11 驱动：
MicroPython 中已经有内置的 umqtt 和 dht 模块，用于 MQTT 通信和 DHT11 传感器数据采集。

6，编写 MicroPython 代码：

import network
import time
import dht
import machine
from umqtt.simple import MQTTClient

# Wi-Fi 配置
SSID = 'your_ssid'
PASSWORD = 'your_password'

# MQTT Broker 配置
MQTT_BROKER = '192.168.1.100'  # 电脑上的 MQTT Broker IP
MQTT_TOPIC = 'home/temperature'
CLIENT_ID = 'esp8266_dht11'

# 连接 Wi-Fi
def connect_wifi(ssid, password):
    wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
    wlan.active(True)
    if not wlan.isconnected():
        print('Connecting to network...')
        wlan.connect(ssid, password)
        while not wlan.isconnected():
            pass
    print('Network connected:', wlan.ifconfig())

# 初始化 DHT11 传感器
dht_pin = machine.Pin(2)  # DHT11 数据引脚接到 GPIO2/D4
sensor = dht.DHT11(dht_pin)

# 连接 Wi-Fi
connect_wifi(SSID, PASSWORD)

# 连接 MQTT
client = MQTTClient(CLIENT_ID, MQTT_BROKER)
client.connect()

try:
    while True:
        # 采集数据
        sensor.measure()
        temperature = sensor.temperature()
        humidity = sensor.humidity()
        
        # 创建消息
        msg = f'{{"temperature": {temperature}, "humidity": {humidity}}}'
        print('Publishing:', msg)
        
        # 发布到 MQTT 服务器：消息会发布到 home/temperature 主题上。
        client.publish(MQTT_TOPIC, msg)
        
        # 每隔10秒发送一次数据
        time.sleep(10)
        
except KeyboardInterrupt:
    print("Stopping...")
    client.disconnect()

连接到 Wi-Fi。
使用 DHT11 传感器采集温湿度数据。
将数据通过 MQTT 协议发送到本地的 MQTT Broker。

四，云平台通过 MQTT 订阅数据与发布命令

云平台要做的就是：

接收 MQTT 消息：Django 应用需要订阅 MQTT Broker 的温度数据。
分析数据并作出决策：当接收到的温度数据超过 50°C 时，发送命令打开风扇，否则关闭风扇。
通过 MQTT 发送控制命令：使用 Django 应用中的 MQTT 客户端发送控制命令（如 fan/on 或 fan/off）到 MQTT Broker，控制风扇。

1，接收温度数据并分析。
创建一个管理命令（management command）来启动 MQTT 客户端并订阅主题。

# myapp/
#  management/
#    commands/
#      mqtt_subscriber.py


import json
import paho.mqtt.client as mqtt
from django.core.management.base import BaseCommand

MQTT_BROKER = 'localhost'  # MQTT Broker 地址
TEMPERATURE_TOPIC = 'home/temperature'  # 订阅的温度主题
FAN_CONTROL_TOPIC = 'home/fan/control'  # 风扇控制命令主题
CLIENT_ID = 'django_subscriber'

# 温度阈值
TEMP_THRESHOLD = 50  # 摄氏度

# 定义 MQTT 客户端回调函数
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print(f"Connected with result code {rc}")
    client.subscribe(TEMPERATURE_TOPIC)

def on_message(client, userdata, msg):
    print(f"Message received from {msg.topic}: {msg.payload.decode()}")
    try:
        # 解析消息并提取温度数据
        data = json.loads(msg.payload.decode())
        temperature = data.get('temperature')

        # 检查温度是否超过阈值，并发送控制命令
        if temperature is not None:
            if temperature > TEMP_THRESHOLD:
                print("Temperature is above 50°C. Turning on the fan.")
                client.publish(FAN_CONTROL_TOPIC, 'on')
            else:
                print("Temperature is below 50°C. Turning off the fan.")
                client.publish(FAN_CONTROL_TOPIC, 'off')
        else:
            print("No temperature data found.")
    except Exception as e:
        print(f"Error processing message: {e}")

class Command(BaseCommand):
    help = 'Start MQTT subscriber and control fan based on temperature'

    def handle(self, *args, **kwargs):
        # 创建 MQTT 客户端并设置回调
        client = mqtt.Client(CLIENT_ID)
        client.on_connect = on_connect
        client.on_message = on_message

        # 连接 MQTT Broker
        client.connect(MQTT_BROKER, 1883, 60)

        # 开始 MQTT 客户端的循环
        try:
            client.loop_forever()
        except KeyboardInterrupt:
            client.disconnect()
            print("MQTT client disconnected.")

在项目根目录下运行以下命令启动 MQTT 订阅服务：

python manage.py mqtt_subscriber

2，ESP8266 接收风扇控制命令并控制风扇。
在 ESP8266 上编写代码，订阅 home/fan/control 主题，并根据接收到的消息来控制电机（模拟风扇）。

import machine
import network
import time
from umqtt.simple import MQTTClient

# Wi-Fi 配置
SSID = 'your_ssid'
PASSWORD = 'your_password'

# MQTT 配置
MQTT_BROKER = '192.168.1.100'  # 电脑上的 MQTT Broker IP
FAN_CONTROL_TOPIC = 'home/fan/control'
CLIENT_ID = 'esp8266_fan_controller'

# 定义 GPIO 引脚来控制电机（风扇）
fan_pin = machine.Pin(5, machine.Pin.OUT)  # GPIO5/D1

# 连接 Wi-Fi
def connect_wifi(ssid, password):
    wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
    wlan.active(True)
    if not wlan.isconnected():
        print('Connecting to network...')
        wlan.connect(ssid, password)
        while not wlan.isconnected():
            pass
    print('Network connected:', wlan.ifconfig())

# MQTT 回调函数
def on_message(topic, msg):
    print(f"Message received on topic {topic}: {msg}")
    if msg == b'on':
        fan_pin.on()  # 打开风扇
        print("Fan turned on")
    elif msg == b'off':
        fan_pin.off()  # 关闭风扇
        print("Fan turned off")

# 连接 Wi-Fi
connect_wifi(SSID, PASSWORD)

# 连接 MQTT Broker 并订阅主题
client = MQTTClient(CLIENT_ID, MQTT_BROKER)
client.set_callback(on_message)
client.connect()
client.subscribe(FAN_CONTROL_TOPIC)

try:
    while True:
        client.check_msg()  # 检查是否有新消息
        time.sleep(1)
        
except KeyboardInterrupt:
    print("Disconnecting from broker.")
    client.disconnect()