MQTT發(fā)布/訂閱消息機制在Arduino傳感節(jié)點的實現(xiàn)

【摘要】本文介紹一種全新的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議——基于發(fā)布/訂閱范式的消息隊列遙測傳輸協(xié)議的原理、組成和實現(xiàn)。研究在計算和通信能力受限的基于單片機的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點上，實現(xiàn)基于MQTT的數(shù)據(jù)傳遞。

【關(guān)鍵詞】消息隊列遙測傳輸協(xié)議；發(fā)布/訂閱傳遞機制；基于主題

在設(shè)計和部署物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)時，選擇高效、低資源占用的消息傳遞協(xié)議是系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵一步。設(shè)計人員看到太多的通信協(xié)議，它們存在一些差別，而傳感節(jié)點提供僅能夠提供非常有限的計算能力、低可靠的通信鏈路和有限的電池電量，消息服務(wù)器通常部署在云端。本文討論一種適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)通信需要的輕量級可靠消息傳遞協(xié)議——MQTT，并介紹以8位單片機為傳感節(jié)點的系統(tǒng)實現(xiàn)。

1.MQTT簡介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸，以下簡稱MQTT）是IBM和Eurotech開發(fā)的一個發(fā)布/訂閱模式通信協(xié)議。MQTT建立在TCPIP上（圖1），為計算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)的遠程傳感器和控制設(shè)備通訊而設(shè)計的協(xié)議，是物聯(lián)網(wǎng)的重要通信協(xié)議之一。

MQTT可以在支持TCPIP的不同類型設(shè)備上實現(xiàn)，例如：計算機、移動設(shè)備（智能手機、平板、PDA）、計算機能力有限的傳感節(jié)點等；可以不用OS或者在不同OS環(huán)境下實現(xiàn)，包括：Windows、Linux、Android等；MQTT組織提供不同語言的開發(fā)包，目前已有C、JAVA、Python等；MQTT可以在帶寬受限的不可靠通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和使用者間有效傳輸。

本文研究MQTT在Arduino單片機開發(fā)板上的實現(xiàn)，描述MQTT實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑怼⒔M成和方法。MQTT建立在Arduino上。消息生產(chǎn)者與接收者之間保持低耦合性。

2.發(fā)布/訂閱消息傳遞機制

發(fā)布/訂閱（Publish/subscribe或pub/sub）是一種消息范式，在這種機制下，多個發(fā)布應(yīng)用（消息生產(chǎn)者）和多個訂閱應(yīng)用（消息消費者）通過建立在代理服務(wù)中的特定主題作為中介互相通信。生產(chǎn)者與消費者間不需要通過TCP建立直接的通信連接，發(fā)布的消息進入一個先入先出的隊列；訂閱者對一個或多個類別表達興趣，于是只接收感興趣的消息，而不需要知道什么樣的發(fā)布者發(fā)布的消息。這種發(fā)布者和訂閱者的解耦解耦可以允許更好的可擴放性和更為動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓撲。

在發(fā)布/訂閱模型中，訂閱者通常接收所有發(fā)布的消息的一個子集。選擇接受和處理的消息的過程被稱作過濾。有兩種常用的過濾形式：基于主題（例如：MQTT）和基于內(nèi)容。在基于主題的系統(tǒng)中，發(fā)布者發(fā)布消息到一個中間的消息代理，命名一個主題或通道上（圖2）。然后，訂閱者向該消息代理注冊訂閱，由消息代理來進行過濾。訂閱者將收到其訂閱的主題上的所有消息，并且所有訂閱同一主題的訂閱者將接收到同樣的消息。發(fā)布者負責定義訂閱者所訂閱的消息類別。消息代理通常執(zhí)行存儲轉(zhuǎn)發(fā)的功能將消息從發(fā)布者發(fā)送到訂閱者。

與點對點模型不同，使用發(fā)布/訂閱模型發(fā)布到一個主題的消息，能夠由多個訂閱者所接收。有時候，也稱這項技術(shù)為廣播（broad-casting）消息。每個訂閱者都會接收到每條消息的一個副本。總地來說，發(fā)布/訂閱消息傳送模型基本上是一個基于推送（push）的模型，其中消息自動地向消費者廣播，它們無須請求或輪詢主題來獲得新消息。在發(fā)布/訂閱消息傳送模型內(nèi)部，有多種不同類型的訂閱者。非持久訂閱者是臨時訂閱類型，它們只是在主動偵聽主題時才接收消息。而另一方面，持久訂閱者將接收到發(fā)布的每條消息的一個副本，即便在發(fā)布消息，它們處于\"離線\"狀態(tài)時也是如此。

3.基于Arduino UNO的MQTT實現(xiàn)

3.1 支持TCPIP的Arduino開發(fā)板：Arduino UNO單片機板+TCPIP以太網(wǎng)接口板

Arduino是一個開源電子平臺，板載AVR、ARM等單片機，使用Arduino編程語言編程，類似于C編程語言。可加載庫文件所提供的類和函數(shù)提供對外圍器件和通信接口的支持，庫文件用C++編寫。借助這個平臺，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)者可以快速驗證和在實驗室部署連接傳感器和執(zhí)行器的應(yīng)用。Arduino代碼主要由二部分組成：setup（ ）和loop（ ），前者在程序啟動后運行一次，后者在余下的時間循環(huán)運行，直至被復位。

本文中使用Arduino硬件由二部分組成：Arduino UNO單片機板和W5100 TCPIP以太網(wǎng)接口板（圖3）。Arduino UNO是一塊8位AVR單片機，負責驅(qū)動傳感器、執(zhí)行器，經(jīng)由SPI接口連接到內(nèi)置了TCPIP協(xié)議的W5100以太網(wǎng)接口板，連接互聯(lián)網(wǎng)和交互數(shù)據(jù)。MQTT服務(wù)器提供代理服務(wù)，介于發(fā)布與訂閱者之間。

3.2 MQTT代理服務(wù)器（MQTT Broker Server）

如表1所示，MQTT代理是運行MQTT協(xié)議的服務(wù)器，是介于MQTT客戶端（例如：遠程傳感節(jié)點等裝置）和企業(yè)數(shù)據(jù)集層二者間的中介通信。IBM等公司開發(fā)了商用MQTT代理服務(wù)，另有一些開源公共平臺供MQTT開發(fā)者研究和測試。Mosquitto是一個開放源代碼的MQTT代理服務(wù)器，支持C，C++，Python語言開發(fā)。

MQTT從低到高確定了三種服務(wù)質(zhì)量等級：QoS 0、QoS 1、QoS 2。等級越高，意味需要更多的系統(tǒng)開銷，通信效率受影響越多。

3.3 MQTT客戶端在Arduino上的實現(xiàn)

Arduino上的客戶端實現(xiàn)一個周期性的數(shù)據(jù)發(fā)布，通過一個庫提供MQTT客戶端的類與函數(shù)。這個庫包含Arduino下相應(yīng)代碼和功能——連接、發(fā)布、訂閱等。在下面這個簡單的示例中，首先依次初始化以太網(wǎng)、TCPIP協(xié)議和MQTT協(xié)議建立連接，然后，周期性地向代理服務(wù)器發(fā)布消息。這個案例支持QoS等級為0，可設(shè)置最大消息長度和心跳間隔時間，默認值分別為128字節(jié)和15秒。Arduino設(shè)備使用MQTT協(xié)議發(fā)布消息到代理的某一個主題。

修改如表2所示案例，讀取一個溫度傳感器DS18B20數(shù)值，并發(fā)布到環(huán)境溫度主題，可以通過一個WMQTT工具軟件充當代理服務(wù)器來實時監(jiān)測傳感器發(fā)布的數(shù)據(jù)。協(xié)議數(shù)據(jù)與關(guān)鍵代碼過程：

（1）創(chuàng)建MQTT客戶端對象，PubSubClient，例如：TempSensor_1；

（2）建立與MQTT代理服務(wù)器的連接，Temp Sensor_1.Connect，連接時需要客戶端ID；

（3）發(fā)布消息，TempSensor_1.Publish，帶上主題、內(nèi)容。

4.測試與分析

使用Wireshark數(shù)據(jù)包偵聽和獲取Arduion傳感節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包，觀察和分析這些數(shù)據(jù)包，詳細了解MQTT消息傳遞協(xié)議實現(xiàn)過程。本例發(fā)布的溫度數(shù)據(jù)，可以通過代理服務(wù)器，向多個訂閱者發(fā)放副本，為不同的數(shù)據(jù)集成應(yīng)用提供來自底層的數(shù)據(jù)信息。實驗驗證，這種輕量級的發(fā)布/訂閱機制實現(xiàn)，將使物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計帶來極大的靈活性和可靠性。結(jié)合云端的數(shù)據(jù)庫和WEB服務(wù)，可以建立功能強大的機到機通信和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

參考文獻

[1]Oracle，Sun Java System Message Queue 3.7 UR1技術(shù)概述，2010.

[2]徐冉，薛江波.WebSphere MQ V7發(fā)布/訂閱技術(shù)，IBM CHINA，2009.4.7.

[3]Boris Lublinsky，王麗娟（譯者）.基于AWS技術(shù)實現(xiàn)發(fā)布/訂閱服務(wù)，2013.8.20.

[4]Wiznet，W5100 datasheet，Version 1.2.4，2011.1.

[5]MQTT.org，MQTT specification V3.MQ Telemetry Transport（MQTT）V3.1 Protocol Specification，19 Aug 2010.

作者簡介：

張波（1968—），江蘇無錫人，副教授，現(xiàn)供職于無錫機電高等職業(yè)技術(shù)學校自動化系，研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用、工業(yè)自動化。

楊國華（1970—），江蘇武進人，副教授，現(xiàn)供職于無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)學院，研究方向：通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。