物联网通信协议-MQTT及使用python实现

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了物联网通信协议-MQTT及使用python实现。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

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。

python 物联网,计算机网络,物联网,python,网络

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:

  • 精简,不添加可有可无的功能
  • 发布/订阅(Pub/Sub)模式,方便消息在传感器之间传递
  • 允许用户动态创建主题,零运维成本
  • 把传输量降到最低以提高传输效率
  • 把低带宽、高延迟、不稳定的网络等因素考虑在内
  • 支持连续的会话控制
  • 理解客户端计算能力可能很低
  • 提供服务质量管理
  • 假设数据不可知,不强求传输数据的类型与格式,保持灵活性。

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:

  • 使用发布/订阅消息模式,提供一对多的消息发布,解除应用程序耦合。

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。

  • 对负载内容屏蔽的消息传输。

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。

  • 有三种消息发布服务质量:

“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。

  • 小型传输,开销很小(固定长度的头部是2字节),协议交换最小化,以降低网络流量。

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。

  • 使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。

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:

  • Topic可以理解为消息的类型,订阅者订阅(Subscribe)后,就会收到该主题的消息内容(payload)
  • payload,可以理解为消息的内容,是指订阅者具体要使用的内容。

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:

  • 发布其他客户端可能会订阅的信息
  • 订阅其它客户端发布的消息
  • 退订或删除应用程序的消息
  • 断开与服务器连接。

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:

  • Connect。等待与服务器建立连接。
  • disconnet. 等的MQT客户定完流所借的工作,并与服务都断开工CP/P会活。
  • Subscribe。等待完成订阅。
  • UnSubscribe。等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。
  • Publish。MQTT客户端发送消息请求,发送完成后返回应用程序线程。

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

  • 场景一: 云端订阅设备。设备采用MQTT协议发布(publish)数据,我们云端的iotplus平台需要接收数据并进行保存。我们可以理
    解为,设备发布数据,云端订阅保存数据。
  • **场景二:**向设备下发指令数据,设备侧订阅。用户一般采用移动APP应用软件控制物联网设备,如果移动APP应用也是采用MQTT协议发布(publish)指令数据,设备侧订阅到数据很容易。如果移动APP应用调用的是restfulapi接口,我们需要在接口的业务逻辑里增加发布(publish)指令的动作。(即在接口设置发布mqtt的发布程序)
  • **场景三:**MQTT动作。怎么理解MQTT动作呢?简单理解就是MQTT发布一个消息出去。MQTT动作的应用场景是什么呢?举例来说,在触发的情况下,当传感器A测量出的温度大于28摄氏度时,我们希望触发系统自动发布一个温度设置的指令给到空调,系统发布的动作,我们可以采用MQTT协议发布(publish)指令。这个就是我们理解的MQTT动作及其使用场景。
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_pubmosquitto_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。

  • 安装
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文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-691741.html

# 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()

到了这里,关于物联网通信协议-MQTT及使用python实现的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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