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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。
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。
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?
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。 HTTP
要实现这样的功能不但很困难,而且成本极高。 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。
在 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。
1、固定头
固定头部,使用两个字节,共16位:
(4-7)位表示消息类型,使用4位二进制表示,可代表如下的16种消息类型,不过 0 和 15位置属于保留待用,所以共14种消息事件类型。
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:消息的质量等级,后边会详细介绍
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。
0
:仅为当前订阅者推送此消息。 在当前消息中剩余的 byte
(字节)数,包含可变头部和消息体payload。
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。
消息体payload只存在于 CONNECT
、 PUBLISH
、 SUBSCRIBE
、 SUBACK
、 UNSUBSCRIBE
这几种类型的消息:
CONNECT
:包含客户端的 ClientId
、订阅的 Topic
、 Message
以及 用户名
和 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
(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 0
、 QoS 1
、 QoS 2
三个等级。
下边分别说明一下这三个等级的区别。
1、Qos 0: At 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 1: At 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 Broker
的 puback
或者 Broker
没有收到 subscriber
的 puback
,那么就会一直重发。
3、Qos 2: Exactly once
(只有一次),相对于 QoS 1
, QoS 2
升级实现了仅接受一次 message
, publisher
和 broker
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 store msg -> publish ->broker -> broker store
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 Will Topic Will Qos Will Retain Will Message
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; Keep Alive
的间隔内和 Broker
进行消息交互; TCP
连接前没有发送 DISCONNECT
数据包; 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。
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:
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。
我们先开启 rabbitmq
的 mqtt
协议,因为默认安装下是关闭的,命令如下:
rabbitmq-plugins enable rabbitmq_mqtt
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-mqtt
、 org.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>
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,并指定服务质量参数 void sendMessage2Mqtt(@Header(MqttHeaders.TOPIC) String topic, @Header(MqttHeaders.QOS) int qos, String payload); }
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()); } }; } }
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://workswithweb.com/mqttbox.html
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。
看到后台成功拿到了向主题 mqtt_test_topic
发送的消息。
用 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://127.0.0.1 :8080/fun/testMqtt?topic=mqtt_test_topic&message=我是后台向主题 mqtt_test_topic 发送的消息
我们看 mqttbox
的订阅消息,已经成功的接收到了后台的消息,到此我们的 MQTT
通信环境就算搭建成功了。如果把 mqttbox
工具换成具体硬件设备,整个流程就是我们常说的智能家居了,其实真的没那么难。
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。
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。
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
.....
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。
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