极客笔记js mqtt协议与应用
介绍
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种简单轻量级的通信协议，设计用于低带宽、高延迟或不可靠网络的物联网应用。它基于发布-订阅模式，允许设备通过发布消息将数据发送给服务器，同时允许其他设备通过订阅这些消息来接收数据。MQTT的优势在于其开销较小、易于实现和部署。
本文将介绍MQTT协议的基本概念、工作原理和应用实例，帮助读者理解和使用MQTT在物联网应用中进行可靠通信。
MQTT协议基础
1. 发布-订阅模式
MQTT是基于发布-订阅模式的协议，消息发送方被称为发布者（publisher），而消息接收方被称为订阅者（subscriber）。发布者不直接发送消息给特定的订阅者，而是将消息发布到一个或多个主题（topic）。订阅者可以选择订阅特定的主题，当有消息发布到已订阅的主题时，订阅者能够接收到该消息。
2. Broker
MQTT使用中介者模式，消息的发送和接收通过一个中介者来进行。这个中介者被称为Broker，它负责接收来自发布者的消息并将其分发给订阅者。Broker还负责维护订阅者和发布者之间的连接状态。
3. 三个概念
在MQTT中有三个核心概念：发布者、订阅者和主题（topic）。
- 发布者（Publisher）：消息发送方，将消息发布到Broker指定的主题。
- 订阅者（Subscriber）：消息接收方，订阅Broker上的特定主题以接收对应的消息。
- 主题（Topic）：消息的分类标识，订阅者可以根据主题进行消息的过滤和选择。
4. QoS级别
MQTT定义了三个服务质量（Quality of Service，QoS）级别，这些级别决定了消息传递的可靠性。三个级别分别为：
- QoS 0：最多一次传递，消息发布者将消息发送给Broker，Broker将消息发送给订阅者一次，不进行重试，消息可能会丢失。
- QoS 1：至少一次传递，消息发布者将消息发送给Broker，Broker必须向订阅者传递消息一次或多次，直到收到订阅者的确认消息，可靠性较高。
- QoS 2：只有一次传递，消息发布者将消息发送给Broker，Broker要求订阅者发送确认消息，若确认消息超时或丢失，Broker将重试，可靠性最高。
5. 保留消息和持久化
MQTT允许发布者发布保留消息，并将其存储到Broker中。当有新的订阅者订阅了与保留消息相关的主题时，Broker将立即将保留消息发送给订阅者。这样，订阅者可以获取到最近的消息状态。
可以选择将消息存储到持久化存储介质中，以便在断开连接并重新连接时，可以重新订阅到消息。
MQTT协议使用
1. 连接和认证
MQTT客户端在与Broker建立连接之前必须使用用户名和密码进行身份验证。连接建立后，客户端可以订阅主题、发布消息和接收消息。
2. 发布消息
发布消息需要指定主题和消息内容。例如，使用JavaScript的MQTT库mqtt.js发布一条消息的示例代码如下：
const mqtt = require('mqtt');
const client = mqtt.connect('mqtt://broker.example.com');
client.on('connect', () => {
client.publish('topic', 'Hello MQTT');
});
在上述示例代码中，使用mqtt.connect()方法连接到指定的MQTT Broker，并在connect事件触发后使用client.publish()方法发布一条内容为Hello MQTT的消息到名为topic的主题。
3. 订阅消息
订阅消息需要指定订阅的主题，并定义处理接收到消息的回调函数。例如，使用mqtt.js订阅主题的示例代码如下：
const mqtt = require('mqtt');
const client = mqtt.connect('mqtt://broker.example.com');
client.on('connect', () => {
client.subscribe('topic', (err) => {
if (!err) {
console.log('Successfully subscribed to topic');
}
});
});
client.on('message', (topic, message) => {
console.log('Received message:', message.toString());
});
在上述示例代码中，使用client.subscribe()方法订阅名为topic的主题，并在成功订阅后输出相应消息。然后，当收到消息时，message事件将被触发，回调函数会打印接收到的消息内容。
MQTT协议应用实例
1. 温度传感器监控
假设我们有一组温度传感器分布在不同的地区，我们希望实时监控各个传感器的温度数据。可以使用MQTT协议实现这样的监控系统。
首先，每个传感器都是MQTT的发布者，将温度数据发布到相应的主题中。然后，我们建立一个MQTT的订阅者，订阅所有传感器发送的温度数据主题。当订阅者收到新的温度数据时，可以根据需要进行处理，比如记录日志、触发报警等。
示例代码如下：
// Publisher (Sensor)
const mqtt = require('mqtt');
const client = mqtt.connect('mqtt://broker.example.com');
function getRandomTemperature() {
return Math.floor(Math.random() * 100);
}
setInterval(() => {
const temperature = getRandomTemperature();
client.publish('temperature/sensor1', temperature.toString());
}, 1000);
// Subscriber (Monitor)
const monitor = mqtt.connect('mqtt://broker.example.com');
monitor.on('connect', () => {
monitor.subscribe('temperature/#');
});
monitor.on('message', (topic, message) => {
console.log('Received temperature:', message.toString());
// Process temperature data
});
在上述示例代码中，我们假设存在一个名为sensor1的温度传感器，每隔1秒钟发布一次温度数据到temperature/sensor1主题。然后，我们使用monitor作为监控器，订阅以temperature/开头的所有主题。当监控器收到新的温度数据时，打印接收到的温度消息，并进行后续处理。
2. 物联网设备控制
MQTT协议不仅可以用于传输传感器数据，还可以用于远程控制物联网设备。下面是一个简单的示例，演示如何使用MQTT协议控制一个开关设备。
首先，我们需要一个MQTT发布者，用于向特定的主题发布控制命令。例如，我们可以使用以下代码模拟一个开关设备的发布者：
const mqtt = require('mqtt');
const client = mqtt.connect('mqtt://broker.example.com');
client.on('connect', () => {
// Publish ON command to turn on the switch device
client.publish('switch/control', 'ON');
});
在上述示例代码中，我们连接到MQTT Broker，并在连接成功后，使用client.publish()方法发布一条内容为ON的消息到switch/control主题。这将触发开关设备执行相应的操作。
接下来，我们需要一个MQTT订阅者来监听控制命令，并执行相应的操作。下面是一个示例代码：
const mqtt = require('mqtt');
const client = mqtt.connect('mqtt://broker.example.com');
client.on('connect', () => {
client.subscribe('switch/control');
});
client.on('message', (topic, message) => {
if (topic === 'switch/control') {
const command = message.toString();
// Execute the command
if (command === 'ON') {
// Turn on the switch device
console.log('Switch turned ON');
} else if (command === 'OFF') {
// Turn off the switch device
console.log('Switch turned OFF');
}
}
});
在上述示例代码中，我们也连接到MQTT Broker，并使用client.subscribe()方法订阅switch/control主题。当收到新的控制命令时，通过判断消息主题和内容，执行相应的操作。在这个示例中，如果收到的命令是ON，则打印”Switch turned ON”，如果命令是OFF，则打印”Switch turned OFF”。
使用上述代码示例，我们可以实现通过MQTT协议远程控制物联网设备的功能。
- 实时数据监控与反馈
MQTT协议在实时数据监控与反馈方面也有广泛的应用。例如，我们可以使用MQTT将实时传感器数据传输到Web应用程序，并实时显示和监控这些数据。
下面是一个示例，演示如何使用MQTT和Web Socket实现传感器数据的实时监控和反馈。
首先，我们需要一个MQTT发布者，将传感器数据发布到特定的主题。假设传感器数据存储在一个数组中，并每隔一段时间更新一次，我们可以使用以下代码模拟一个传感器数据的发布者：
const mqtt = require('mqtt');
const client = mqtt.connect('mqtt://broker.example.com');
const sensorData = [20, 25, 22, 23, 21]; // Sample sensor data array
setInterval(() => {
const data = sensorData[Math.floor(Math.random() * sensorData.length)];
client.publish('sensor/data', data.toString());
}, 1000);
在上述示例代码中，我们连接到MQTT Broker，并使用client.publish()方法发布传感器数据到sensor/data主题。每隔1秒钟，随机选择一个传感器数据发布到主题。
接下来，我们需要一个Web应用程序，通过Web Socket连接到MQTT Broker，并实时获取传感器数据并展示在页面上。下面是一个示例代码：
// HTML代码
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<title>Real-time Sensor Data</title>
</head>
<body>
<h1>Real-time Sensor Data</h1>
<div id="data-container"></div>
<script>
// JavaScript代码
const socket = new WebSocket('ws://broker.example.com'); // Web Socket连接到MQTT Broker
socket.addEventListener('open', (event) => {
socket.send('subscribe sensor/data'); // 订阅传感器数据主题
});
socket.addEventListener('message', (event) => {
const data = event.data;
const container = document.getElementById('data-container');
container.innerHTML = data; // 更新页面上的传感器数据
});
</script>
</body>
</html>
在上述示例代码中，我们在浏览器中创建了一个WebSocket连接，并在连接建立成功后，发送订阅命令到MQTT Broker，订阅sensor/data主题。然后，当收到新的传感器数据时，通过WebSocket的message事件将数据更新到页面上的data-container元素中。
使用上述代码示例，我们可以实时获取传感器数据，并在Web应用程序中展示出来，实现传感器数据的实时监控和反馈。
结论
本文介绍了MQTT协议的基本概念、工作原理和应用实例。通过发布-订阅模式，MQTT协议实现了设备之间的可靠通信。在物联网应用中，MQTT协议被广泛应用于传感器数据的传输、远程设备控制和实时数据监控等方面。