引言

前一段有幸參與到一個智能家居項目的開發(fā)，由于之前都沒有過這方面的開發(fā)經驗，所以對智能硬件的開發(fā)模式和技術棧都頗為好奇。

智能可燃氣體報警器

產品是一款可燃氣體報警器，如果家中燃氣泄露濃度到達一定閾值，報警器檢測到并上傳氣體濃度值給后臺，后臺以電話、短信、微信等方式，提醒用戶家中可能有氣體泄漏。

用戶還可能向報警器發(fā)一些關閉報警、調整音量的指令等。整體功能還是比較簡單的，大致的邏輯如下圖所示：

但當我真正的參與其中開發(fā)時，其實有一點小小的失望，因為在整個研發(fā)過程中，并沒用到什么新的技術，還是常規(guī)的幾種中間件，只不過換個用法而已。

技術選型用rabbitmq 來做核心的組件，主要考慮到運維成本低，組內成員使用的熟練度比較高。

下面和小伙伴分享一下如何用 springboot + rabbitmq 搭建物聯(lián)網(wǎng)（IOT）平臺，其實智能硬件也沒想象的那么高不可攀！

很多小伙伴可能有點懵？rabbitmq 不是消息隊列嗎？怎么又能做智能硬件了？

其實rabbitmq有兩種協(xié)議，我們平時接觸的消息隊列是用的AMQP協(xié)議，而用在智能硬件中的是MQTT協(xié)議。

一、什么是 MQTT協(xié)議？

MQTT 全稱(Message Queue Telemetry Transport)：一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的輕量級通訊協(xié)議，通過訂閱相應的主題來獲取消息，是物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Thing）中的一個標準傳輸協(xié)議。

該協(xié)議將消息的發(fā)布者（publisher）與訂閱者（subscriber）進行分離，因此可以在不可靠的網(wǎng)絡環(huán)境中，為遠程連接的設備提供可靠的消息服務，使用方式與傳統(tǒng)的MQ有點類似。

TCP協(xié)議位于傳輸層，MQTT 協(xié)議位于應用層，MQTT 協(xié)議構建于TCP/IP協(xié)議上，也就是說只要支持TCP/IP協(xié)議棧的地方，都可以使用MQTT協(xié)議。

二、為什么要用 MQTT協(xié)議？

MQTT協(xié)議為什么在物聯(lián)網(wǎng)（IOT）中如此受偏愛？而不是其它協(xié)議，比如我們更為熟悉的 HTTP協(xié)議呢？

• 首先HTTP協(xié)議它是一種同步協(xié)議，客戶端請求后需要等待服務器的響應。而在物聯(lián)網(wǎng)（IOT）環(huán)境中，設備會很受制于環(huán)境的影響，比如帶寬低、網(wǎng)絡延遲高、網(wǎng)絡通信不穩(wěn)定等，顯然異步消息協(xié)議更為適合IOT應用程序。
• HTTP是單向的，如果要獲取消息客戶端必須發(fā)起連接，而在物聯(lián)網(wǎng)（IOT）應用程序中，設備或傳感器往往都是客戶端，這意味著它們無法被動地接收來自網(wǎng)絡的命令。
• 通常需要將一條命令或者消息，發(fā)送到網(wǎng)絡上的所有設備上。HTTP要實現(xiàn)這樣的功能不但很困難，而且成本極高。

三、MQTT協(xié)議介紹

前邊說過MQTT是一種輕量級的協(xié)議，它只專注于發(fā)消息， 所以此協(xié)議的結構也非常簡單。

MQTT數(shù)據(jù)包

在MQTT協(xié)議中，一個MQTT數(shù)據(jù)包由：固定頭（Fixed header）、 可變頭（Variable header）、 消息體（payload）三部分構成。

• 固定頭（Fixed header），所有數(shù)據(jù)包中都有固定頭，包含數(shù)據(jù)包類型及數(shù)據(jù)包的分組標識。
• 可變頭（Variable header），部分數(shù)據(jù)包類型中有可變頭。
• 內容消息體（Payload），存在于部分數(shù)據(jù)包類，是客戶端收到的具體消息內容。

在這里插入圖片描述

1、固定頭

固定頭部，使用兩個字節(jié)，共16位：

(4-7)位表示消息類型，使用4位二進制表示，可代表如下的16種消息類型，不過 0 和 15位置屬于保留待用，所以共14種消息事件類型。

DUP Flag（重試標識）

DUP Flag：保證消息可靠傳輸，消息是否已送達的標識。默認為0，只占用一個字節(jié)，表示第一次發(fā)送，當值為1時，表示當前消息先前已經被傳送過。

QoS Level（消息質量等級）

QoS Level：消息的質量等級，后邊會詳細介紹

RETAIN（持久化）

• 值為1：表示發(fā)送的消息需要一直持久保存，而且不受服務器重啟影響，不但要發(fā)送給當前的訂閱者，且以后新加入的客戶端訂閱了此Topic，訂閱者也會馬上得到推送。注意：新加入的訂閱者，只會取出最新的一個RETAIN flag = 1的消息推送。
• 值為0：僅為當前訂閱者推送此消息。

Remaining Length（剩余長度）

在當前消息中剩余的byte(字節(jié))數(shù)，包含可變頭部和消息體payload。

2、可變頭

固定頭部僅定義了消息類型和一些標志位，一些消息的元數(shù)據(jù)需要放入可變頭部中?？勺冾^部內容字節(jié)長度 + 消息體payload = 剩余長度。

可變頭部居于固定頭部和payload中間，包含了協(xié)議名稱，版本號，連接標志，用戶授權，心跳時間等內容。

可變頭存在于這些類型的消息：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

3、消息體payload

消息體payload只存在于CONNECT、PUBLISH、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE這幾種類型的消息：

• CONNECT：包含客戶端的ClientId、訂閱的Topic、Message以及用戶名和密碼。
• PUBLISH：向對應主題發(fā)送消息。
• SUBSCRIBE：要訂閱的主題以及QoS。
• SUBACK：服務器對于SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進行確認和回復。
• UNSUBSCRIBE：取消要訂閱的主題。

消息質量（QoS ）

消息質量（Quality of Service），即消息的發(fā)送質量，發(fā)布者（publisher）和訂閱者（subscriber）都可以指定qos等級，有QoS 0、QoS 1、QoS 2三個等級。

下邊分別說明一下這三個等級的區(qū)別。

1、Qos 0

Qos 0：At most once（至多一次）只發(fā)送一次消息，不保證消息是否成功送達，沒有確認機制，消息可能會丟失或重復。

圖片源于網(wǎng)絡，如有侵權聯(lián)系刪除

2、Qos 1

Qos 1：At least once（至少一次），相對于QoS 0而言Qos 1增加了ack確認機制，發(fā)送者（publisher）推送消息到MQTT代理（broker）時，兩者自身都會先持久化消息，只有當publisher 或者 Broker分別收到 PUBACK確認時，才會刪除自身持久化的消息，否則就會重發(fā)。

但有個問題，盡管我們可以通過確認來保證一定收到客戶端 或 服務器的message，可我們卻不能保證僅收到一次message，也就是當客戶端publisher沒收到Broker的puback或者 Broker沒有收到subscriber的puback，那么就會一直重發(fā)。

publisher -> broker 大致流程：

publisher store msg -> publish ->broker （傳遞message）

broker -> puback -> publisher delete msg （確認傳遞成功）

圖片源于網(wǎng)絡，如有侵權聯(lián)系刪除

3、Qos 2

Qos 2：Exactly once（只有一次），相對于QoS 1，QoS 2升級實現(xiàn)了僅接受一次message，publisher 和 broker 同樣對消息進行持久化，其中 publisher 緩存了message和 對應的msgID，而 broker 緩存了 msgID，可以保證消息不重復，由于又增加了一個confirm 機制，整個流程變得復雜很多。

publisher -> broker 大致流程：

publisher store msg -> publish ->broker -> broker store

msgID（傳遞message） broker -> puberc （確認傳遞成功）

publisher -> pubrel ->broker delete msgID （告訴broker刪除msgID）

broker -> pubcomp -> publisher delete msg （告訴publisher刪除msg）

LWT（最后遺囑）

LWT 全稱為 Last Will and Testament，其實遺囑是一個由客戶端預先定義好的主題和對應消息，附加在CONNECT的數(shù)據(jù)包中，包括遺愿主題、遺愿 QoS、遺愿消息等。

當MQTT代理 Broker 檢測到有客戶端client非正常斷開連接時，再由服務器主動發(fā)布此消息，然后相關的訂閱者會收到消息。

舉個栗子：聊天室中所有人都訂閱一個叫talk的主題 ，但小富由于網(wǎng)絡抖動突然斷開了鏈接，這時聊天室中所有訂閱主題 talk的客戶端都會收到一個 “小富離開聊天室” 的遺愿消息。

遺囑的相關參數(shù)：

Will Flag：是否使用 LWT，1 開啟

Will Topic：遺愿主題名，不可使用通配符

Will Qos：發(fā)布遺愿消息時使用的 QoS

Will Retain：遺愿消息的 Retain 標識

Will Message：遺愿消息內容

那客戶端Client 有哪些場景是非正常斷開連接呢？

• Broker 檢測到底層的 I/O 異常；
• 客戶端 未能在心跳 Keep Alive 的間隔內和 Broker 進行消息交互；
• 客戶端 在關閉底層 TCP 連接前沒有發(fā)送 DISCONNECT 數(shù)據(jù)包；
• 客戶端 發(fā)送錯誤格式的數(shù)據(jù)包到 Broker，導致關閉和客戶端的連接等。

注意：當客戶端通過發(fā)布 DISCONNECT 數(shù)據(jù)包斷開連接時，屬于正常斷開連接，并不會觸發(fā) LWT 的機制，與此同時Broker 還會丟棄掉當前客戶端在連接時指定的相關 LWT 參數(shù)。

四、MQTT協(xié)議應用場景

MQTT協(xié)議廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能硬件、車聯(lián)網(wǎng)、電力能源等領域。使用的場景也是非常非常多，下邊列舉一些：

• 物聯(lián)網(wǎng)M2M通信，物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)采集
• Android消息推送，WEB消息推送
• 移動即時消息，例如Facebook Messenger
• 智能硬件、智能家具、智能電器
• 車聯(lián)網(wǎng)通信，電動車站樁采集
• 智慧城市、遠程醫(yī)療、遠程教育
• 電力、石油與能源等行業(yè)市場

五、代碼實現(xiàn)

具體 rabbitmq 的環(huán)境搭建就不贅述了，網(wǎng)上教程比較多，有條件的用服務器，沒條件的像我搞個Windows版的也很快樂嘛。

在這里插入圖片描述

1、啟用 rabbitmq的mqtt協(xié)議

我們先開啟 rabbitmq 的 mqtt協(xié)議，因為默認安裝下是關閉的，命令如下：

rabbitmq-plugins?enable?rabbitmq_mqtt

2、mqtt 客戶端依賴包

上一步中安裝rabbitmq環(huán)境并開啟 mqtt協(xié)議后，實際上mqtt 消息代理服務就搭建好了，接下來要做的就是實現(xiàn)客戶端消息的推送和訂閱。

這里使用spring-integration-mqtt、org.eclipse.paho.client.mqttv3兩個工具包實現(xiàn)。

<!--mqtt依賴包-->
<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、消息發(fā)送者

消息的發(fā)送比較簡單，主要是應用到@ServiceActivator注解，需要注意messageHandler.setAsync屬性，如果設置成false，關閉異步模式發(fā)送消息時可能會阻塞。

@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 對外提供發(fā)送消息的API時，需要使用@MessagingGateway 注解，去提供一個消息網(wǎng)關代理，參數(shù)defaultRequestChannel 指定發(fā)送消息綁定的channel。

可以實現(xiàn)三種API接口，payload 為發(fā)送的消息，topic 發(fā)送消息的主題，qos 消息質量。

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

????//?向默認的?topic?發(fā)送消息
????void?sendMessage2Mqtt(String?payload);
????//?向指定的?topic?發(fā)送消息
????void?sendMessage2Mqtt(String?payload,@Header(MqttHeaders.TOPIC)?String?topic);
????//?向指定的?topic?發(fā)送消息，并指定服務質量參數(shù)
????void?sendMessage2Mqtt(@Header(MqttHeaders.TOPIC)?String?topic,?@Header(MqttHeaders.QOS)?int?qos,?String?payload);
}

4、消息訂閱

消息訂閱和我們平時用的MQ消息監(jiān)聽實現(xiàn)思路基本相似，@ServiceActivator注解表明當前方法用于處理MQTT消息，inputChannel 參數(shù)指定了用于接收消息的channel。

/**
?*?@Author:?xiaofu
?*?@Description:?消息訂閱配置
?*?@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?消息訂閱
?????*?@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、測試消息

額~ 由于本渣渣對硬件一竅不通，為了模擬硬件的發(fā)送消息，只能借助一下工具，其實硬件端實現(xiàn)MQTT協(xié)議，跟我們前邊的基本沒什么區(qū)別，只不過換種語言嵌入到硬件中而已。

這里選的測試工具為mqttbox，下載地址：http://workswithweb.com/mqttbox.html

1、測試消息發(fā)送

我們用先用mqttbox模擬向主題mqtt_test_topic發(fā)送消息，看后臺是否能成功接收到。

看到后臺成功拿到了向主題mqtt_test_topic發(fā)送的消息。

2、測試消息訂閱

用mqttbox模擬訂閱主題mqtt_test_topic，在后臺向主題mqtt_test_topic發(fā)送一條消息，這里我簡單的寫了個controller調用API發(fā)送消息。

http://127.0.0.1:8080/fun/testMqtt?topic=mqtt_test_topic&message=我是后臺向主題 mqtt_test_topic 發(fā)送的消息

我們看mqttbox的訂閱消息，已經成功的接收到了后臺的消息，到此我們的MQTT通信環(huán)境就算搭建成功了。如果把mqttbox工具換成具體硬件設備，整個流程就是我們常說的智能家居了，其實真的沒那么難。

七、應用注意事項

在我們實際的生產環(huán)境中遇到過的問題，這里分享一下讓大家少踩坑。

clientId 要唯一

在客戶端connect連接的時，會有一個clientId 參數(shù)，需要每個客戶端都保持唯一的。但我們在開發(fā)測試階段clientId直接在代碼中寫死了，而且服務都是單實例部署，并沒有暴露出什么問題。

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

然而在生產環(huán)境內側的時候，由于服務是多實例集群部署，結果出現(xiàn)了下邊的奇怪問題。同一時間內只能有一個客戶端能拿到消息，其他客戶端不但不能消費消息，而且還在不斷的掉線重連：Lost connection: 已斷開連接; retrying...。

這就是由于clientId相同導致客戶端間相互競爭消費，最后將clientId獲取方式換成從發(fā)號器中拿，問題就好了，所以這個地方是需要特別注意的。

平時程序在開發(fā)環(huán)境沒問題，可偏偏到了生產環(huán)境就一大堆問題，很多都是因為服務部署方式不同導致的。所以多學習分布式還是很有必要的。

八、其他中間件

MQTT它只是一種協(xié)議，支持MQTT協(xié)議的消息中間件產品非常多，下邊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 .....

總結

我也是第一次做和硬件相關的項目，之前聽到智能家居都會覺得好高大上，但實際上手開發(fā)后發(fā)現(xiàn)，技術嘛萬變不離其宗，也只是換種用法而已。

以上就是springboot+rabbitmq實現(xiàn)智能家居實例詳解的詳細內容，更多關于springboot rabbitmq智能家居的資料請關注腳本之家其它相關文章！

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