Linkit 7688 DUO(六) 加入MQTT物联网协议

Linkit 系列博文：

联发科Linkit 7688 （一） 上手及在Mac下搭建OpenWrt交叉编译环境，C语言编译Hello,World

联发科Linkit 7688 （二）GPIO基本操作与C语言编程

联发科Linkit 7688 DUO(三): 通过 Arduino 控制外设和传感器

Linkit 7688 DUO(四): 接上各种Arduino传感器和模块——基础篇

Linkit 7688 DUO(五) 接上各种Arduino传感器和模块—扩展篇

Linkit 7688 DUO(六) 加入MQTT物联网协议

本篇介绍 将 MQTT物联网协议加载到 Linkit 7688 DUO开发板上 ( 其中的源码和方法也适用于所有的Linux系统、也适合于Windows系统)

MQTT是IBM开发的一种物联网即时通信协议，该协议支持所有平台，几乎可以把所有联网物品、电脑APP、手机APP、网页等连接起来，让它们随时相互交换信息。

有了MQTT协议，Linkit 7688开发板就可以称得上物联网开发板了，可以实现很多场景，比如：手机远程控制、网页远程控制、服务器监测物体状态等等。

一、MQTT协议简介

1，MQTT是一种基于TCP的网络消息协议，用于发送和接收消息。 

在一个MQTT网络中，有一个服务器和多个客户端。 每个客户端以TCP Socket与服务器连接，并保持为长连接。

客户端可以是一个联网物体、电脑软件、手机APP、甚至是网页。如下图：

2,  消息传输采取发布/订阅（publish/subscribe）模式。

  客户端可以发布(publish)消息， 每个消息由一个主题(topic)和一个消息内容组成。比如：某温度传感器发布一个消息： topic = "sensor1/temperature"， message="25“

  客户端可以订阅(subscribe)一个或多个主题的消息。 当网络中有人发布了这些主题的消息，则客户端将收到这条消息。比如： 手机App订阅了 “sensor1/temperature"消息，则上述消息将被收到, 手机App就知道sensor1的温度值了。

  由于客户端与服务器保持着Socket长连接，消息将立即实时推送到客户端，也就是说：PUSH到客户端。

  MQTT服务器的主要作用是接收-转发：接收消息、判断哪些客户端订阅了该主题的消息，PUSH给相应客户端。

  这种机制，可以实现一对一发送消息，也可以实现一对多发送消息（群发）。

应用场景举例：

场景1：  手机APP发布查温度的消息， 各个传感器装置收到消息后，发布温度消息。则手机就可以收集到各个传感器的温度。

场景2：  当火警传感器装置检测到起火后，发布消息。 则订阅了该类型消息的手机、电脑等均可立即收到火警。

3，MQTT的消息包传输数据量很小（固定长度的头部仅为 2 字节），能充分降低网络流量，非常适合于低带宽、不可靠连接、嵌入式设备。 

同时非常适合于手机等移动通信环境，可以省流量、省电。因此，有人用MQTT作为手机PUSH使用。

4， 为保障消息有效率到达，MQTT定义了三种消息发布服务质量(Qos， Quality Of Service)：

“至多一次”（At most once)，开销最小，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。
“至少一次”(At least once)，确保消息到达，但消息重复可能会发生。
“只有一次”(Exactly once)，确保消息到达一次。这一级别可用于如下情况，在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。常用于精确控制。

每一条消息都可以有自己的Qos定义。每一个客户端订阅某主题时，也可以指定Qos.

5， MQTT协议由IBM公司于1999年提出，经过多年发展已比较成熟，目前版本是3.1.1。服务器和客户端均有多个开源实现，支持各类操作系统和开发语言。

二、适合嵌入式设备的MQTT协议客户端（C语言实现）

对于Linkit 7688开发板，我选取 “Eclipse Paho C” 的MQTT 客户端开源代码库 。其主页在这：https://www.eclipse.org/paho/clients/c/

这个代码库是IBM公司提供的，Eclipse项目组维护的，可以称为官方的。

我的使用方式是：　将它作为一个函数库，　在Linkit 7688上编写C语言程序，实现MQTT消息收发。

这个库有一点点复杂，需要对协议比较了解。如果你要完全搞懂它，需要先读它的文档(http://www.eclipse.org/paho/files/mqttdoc/Cclient/index.html)

我们一般总是喜欢把复杂的事情简单化，因此，我对这个库进行了封装,  变成几个函数, 不需要懂太多就可以用.

库和例程在我的资源中下载：  MQTT客户端Paho C代码

解压后，其中mqtt目录是Paho C所有的库文件( 原有的文件都没改，我增加了 mqtt_client.c ,  mqtt_client.h 两个文件)，使用时将mqtt目录复制到你的项目文件夹中即可。

在使用前，需要有一个测试用的MQTT服务器， 我用的是 IBM提供的测试服务器：  messagesight.demos.ibm.com， 端口是1883 (1883是MQTT的默认端口)

同时需要有一个测试用的MQTT客户端作为对端，我用的是IBM提供的网页版MQTT客户端：http://m2m.demos.ibm.com/mqttclient/

1, 在Linkit 7688上编一个发送MQTT消息的程序:

  用Eclipse 建立一个交叉编译项目 ( 开发环境搭建请见：联发科Linkit 7688 （一） 上手及在Mac下搭建OpenWrt交叉编译环境，C语言编译Hello,World)

  将mqtt目录复制到你的项目文件夹下。

  创建一个 mqtt_publish.c文件， 编写主程序如下：

#include 
#include 
#include 
#include "mqtt/mqtt_client.h"//这个是我对mqtt_client封装后的头文件


int publish(int argc, char ** argv) {

	mqtt_client *m; //mqtt_client 对象指针
	int ret; //返回值
	char *host = "messagesight.demos.ibm.com:1883";//测试服务器
	char *topic = "test_topic"; //主题
	char *client_id = "clientid33883";//客户端ID； 对测试服务器，可以随便写
	char *username = NULL;//用户名，用于验证身份。对测试服务器，无。
	char *password = NULL;//密码，用于验证身份。对测试服务器，无。
	int Qos; //Quality of Service

	//create new mqtt client object
	m = mqtt_new(host, MQTT_PORT, client_id); //创建对象，MQTT_PORT = 1883
	if ( m == NULL ) {
		printf("mqtt client create failure, return  code = %d\n", errno);
		return 1;
	} else {
		printf("mqtt client created\n");
	}

	//connect to server
	ret = mqtt_connect(m, username, password); //连接服务器
	if (ret != MQTT_SUCCESS ) {
		printf("mqtt client connect failure, return code = %d\n", ret);
		return 1;
	} else {
		printf("mqtt client connect\n");
	}

	//publish message
	Qos = QOS_EXACTLY_ONCE; //Qos
	ret = mqtt_publish(m, topic, "hello from Linkit 7688", Qos);//发布消息
	printf("mqtt client publish,  return code = %d\n", ret);

	mqtt_disconnect(m); //disconnect
	mqtt_delete(m);  //delete mqtt client object
	return 0;
}

主程序分为三个步骤：

1， 调用 mqtt_new()创建 客户端对象

2， 调用 mqtt_connect() 连接服务器

3， 调用 mqtt_publish() 发布消息

用Eclipse编译项目

如果出现错误提示：

undefined reference to `pthread_create’
undefined reference to `pthread_mutexattr_init’

这是因为没有在编译连接时包含pthread库， 解决办法： 需在GCC中添加 -lpthread 参数。

如果出现错误提示：

undefined reference to `dlclose’
undefined reference to `dlopen’
undefined reference to `dlsym
这是因为没有在编译连接时包含dl库， 解决办法： 需在GCC中添加 -ldl 参数

在eclipse中的操作是:   项目Property =>  C/C++ Build => Settings, 在"Tools Setting"页，选Cross GCC linker, 在 "Linker flags"编译框中填入:  -lpthread -ldl

OK, 编译成功了。

用scp将 mqtt_publish 程序上传到 linkit 7688：   scp mqtt_publish [email protected]:/root

先准备接收消息的网页客户端： 用浏览器打开 http://m2m.demos.ibm.com/mqttclient/

在Connect栏中， 点Connect.

在Subscribe栏中，将topic设为 test_topic, 按subscribe

OK, 网页客户端准备好接收主题(topic)为 test_topic的消息了。

用SSH登录入Linkit 7688,  运行 mqtt_publish 程序。

运行结果， 显示mqtt 创建、连接、发布消息的过程， return code >=0 表示成功：

mqtt client created

mqtt client connect

mqtt client publish,  return code = 1

这时，可以看到浏览器中的MQTT网页客户端收到了Linkit 7688发布的MQTT消息

 

成功了： Linkit 7688发布MQTT消息到服务器， 网页客户端实时收到服务器推送来的消息。

2, 在Linkit 7688上编一个接收MQTT消息的程序:

  用Eclipse 建立一个交叉编译项目 ( 开发环境搭建请见：联发科Linkit 7688 （一） 上手及在Mac下搭建OpenWrt交叉编译环境，C语言编译Hello,World)

  将mqtt目录复制到你的项目文件夹下。

  创建一个 mqtt_subscribe.c文件， 编写主程序如下：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include "mqtt/mqtt_client.h"//这个是我对mqtt_client封装后的头文件

int running = 1;

void stop_running(int sig)
{
	signal(SIGINT, NULL);
	running = 0;
}


int main(int argc, char ** argv) {

	mqtt_client *m; //mqtt_client 对象指针
	int ret; //返回值
	char *host = "messagesight.demos.ibm.com:1883";//测试服务器
	char *topic = "test_topic"; //主题
	char *client_id = "clientid33883";//客户端ID； 对测试服务器，可以随便写
	char *username = NULL;//用户名，用于验证身份。对测试服务器，无。
	char *password = NULL;//密码，用于验证身份。对测试服务器，无。
	int Qos; //Quality of Service

	//create new mqtt client object
	m = mqtt_new(host, MQTT_PORT, client_id); //创建对象，MQTT_PORT = 1883
	if ( m == NULL ) {
		printf("mqtt client create failure, return  code = %d\n", errno);
		return 1;
	} else {
		printf("mqtt client created\n");
	}

	//connect to server
	ret = mqtt_connect(m, username, password); //连接服务器
	if (ret != MQTT_SUCCESS ) {
		printf("mqtt client connect failure, return code = %d\n", ret);
		return 1;
	} else {
		printf("mqtt client connect\n");
	}

	//subscribe
	Qos = QOS_EXACTLY_ONCE;
	ret = mqtt_subscribe(m, topic, Qos);//订阅消息
	printf("mqtt client subscribe %s,  return code = %d\n", topic, ret);

	signal(SIGINT, stop_running);
	signal(SIGTERM, stop_running);

	printf("wait for message of topic: %s ...\n", topic);

	//loop: waiting message, 循环
	while (running) {
		int timeout = 200;
		if ( mqtt_receive(m, timeout) == MQTT_SUCCESS ) { //recieve message，接收消息
			printf("received Topic=%s, Message=%s\n", m->received_topic, m->received_message);
		}
		mqtt_sleep(200); //sleep a while
	}

	mqtt_disconnect(m); //disconnect
	printf("mqtt client disconnect");
	mqtt_delete(m);  //delete mqtt client object
	return 0;
}

主程序分为几个步骤：

1， 调用 mqtt_new()创建 客户端对象

2， 调用 mqtt_connect() 连接服务器

3， 调用 mqtt_subscribe() 订阅消息

4， 进入循环：不断用 mqtt_receive()检测有否新消息，如有，则打印出来。

用Eclipse编译项目 (记得必须在GCC中加入连接选项：  -lpthread -ldl ）

OK, 编译成功了。

用scp将 mqtt_subscribe 程序上传到 linkit 7688：   scp mqtt_subscribe [email protected]:/root

用SSH登录入Linkit 7688,  运行 mqtt_subscribe 程序。则此时出现：

mqtt client created

mqtt client connect

mqtt client subscribe,  return code = 0

wait for message of topic: test_topic ...

显示程序在等待消息到来

准备发送消息的网页客户端： 用浏览器打开 http://m2m.demos.ibm.com/mqttclient/

在Connect栏中， 点Connect.

在Publish栏中，将topic设为 test_topic, 将Message设为 “Say hello to linkit 7688” 按publish, 则发出一条MQTT消息。

这时, 看Linkit 7688 SSH客户端，可以看到，Linkit7688立即收到了这条MQTT消息

mqtt client created

mqtt client connect

mqtt client subscribe,  return code = 0

wait for message of topic: test_topic ...

received Topic=test_topic, Message=Say hello to linkit 7688

成功了： Linkit 7688 实时收到了网页客户端发来的消息。

mqtt_subscribe 程序是死循环，一直在接收消息。 可按CTRL+C退出。

通用性： Eclipse Paho C 的 MQTT客户端代码，可以运行在Linux、Windows、Mac上。所以，上述的代码可以用于Linux、Windows、Mac操作系统，编写各种App。

对于Android手机， Eclipse Paho另提供了Java的代码库。