代码收藏家 使用Python实现MQTT物联网通信协议详解
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：
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：
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。
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。
“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。
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。
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：
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：
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：
接受来自客户的网络连接
接受客户发布的应用信息
处理来自客户端的订阅和退订请求
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：
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
解为，设备发布数据，云端订阅保存数据。
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
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。
pip3 install paho-maqtt -i
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()
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()
