【重点】springboot + rabbitmq + mqtt协议做智能家居

妖狐艹你老母 2022-12-23 13:29 436阅读 0赞

消息推送demo：[https://www.cnblogs.com/songyaru/p/13596600.html][https_www.cnblogs.com_songyaru_p_13596600.html]

发送/接收demo：[https://blog.csdn.net/z69183787/article/details/110079628][https_blog.csdn.net_z69183787_article_details_110079628]

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。

智能可燃气体报警器

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：

![74788dcaa3f2218a633187d324481cc8.png][]

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。

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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。

![bc2306fdf8003dbd870da0ddec205814.png][]

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** ###

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。

*  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。

![4dc2da889dd01568e16f93d0bb68039c.png][]

在这里插入图片描述

### 1、固定头 ###

固定头部，使用两个字节，共16位：

![cb68e779f07946380683d72e7129f81d.png][]

(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。

![a379de503b47da4a6df5dfc9b4cd3b60.png][]

**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（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 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 ###

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。

![b0a6eb0af55923507e757759a76b4333.png][]

图片源于网络，如有侵权联系删除

### 2、Qos 1 ###

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。

**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）

![8f6a6212e9029999e6ccf1010e7728f9.png][]

图片源于网络，如有侵权联系删除

### 3、Qos 2 ###

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 -> broker 大致流程：**

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

![d0968203a8ee4e797f433fc42e0c5d2f.png][]

图片源于网络，如有侵权联系删除

### **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。

![b352c34b376ecc4f9b8b74664d0fd4ab.png][]

在这里插入图片描述

### **1、启用 rabbitmq的mqtt协议** ###

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
    复制代码

### **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-mqtt、org.eclipse.paho.client.mqttv3两个工具包实现。

<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>
    复制代码

### **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;
        }
    }
    复制代码

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);
    }
    
    复制代码

### **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());
                }
            };
        }
    }
    复制代码

## 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://workswithweb.com/mqttbox.html][http_workswithweb.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。

![7eb97fce48162837a86546c41e098347.png][]

看到后台成功拿到了向主题mqtt\_test\_topic发送的消息。

![2b647b318cf78c0f65b2403a892760e6.png][]

### **2、测试消息订阅** ###

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=][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

![26b07540e8c5cf0054c81b6683330245.png][]

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。

![ebbd604b5d037bf24cb092b591656de4.png][]

## 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());
    复制代码

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...。

![888adcdfc6f2d3f624dac046485445c3.png][]

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 ：[https://github.com/chengxy-nds/springboot-rabbitmq-mqtt.git][https_github.com_chengxy-nds_springboot-rabbitmq-mqtt.git],感兴趣的小伙伴可以下载跑一跑，实现起来非常的简单。

[https_www.cnblogs.com_songyaru_p_13596600.html]: https://www.cnblogs.com/songyaru/p/13596600.html
[https_blog.csdn.net_z69183787_article_details_110079628]: https://blog.csdn.net/z69183787/article/details/110079628
[74788dcaa3f2218a633187d324481cc8.png]: /images/20221120/fcdbee67bff445799febf4f824a0e9c3.png
[bc2306fdf8003dbd870da0ddec205814.png]: /images/20221120/829c10b15bf84dc88fb694ffe6734ea8.png
[4dc2da889dd01568e16f93d0bb68039c.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/4dc2da889dd01568e16f93d0bb68039c.png
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[http_workswithweb.com_mqttbox.html]: https://link.zhihu.com/?target=http%3A//workswithweb.com/mqttbox.html
[7eb97fce48162837a86546c41e098347.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/7eb97fce48162837a86546c41e098347.png
[2b647b318cf78c0f65b2403a892760e6.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/2b647b318cf78c0f65b2403a892760e6.png
[http_127.0.0.1_8080_fun_testMqtt_topic_mqtt_test_topic_message]: https://link.zhihu.com/?target=http%3A//127.0.0.1%3A8080/fun/testMqtt%3Ftopic%3Dmqtt_test_topic%26message%3D
[26b07540e8c5cf0054c81b6683330245.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/26b07540e8c5cf0054c81b6683330245.png
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[888adcdfc6f2d3f624dac046485445c3.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/888adcdfc6f2d3f624dac046485445c3.png
[https_github.com_chengxy-nds_springboot-rabbitmq-mqtt.git]: https://link.zhihu.com/?target=https%3A//github.com/chengxy-nds/springboot-rabbitmq-mqtt.git