在树莓派上使用 MQTT

树莓派由英国树莓派基金会开发，是一款基于 ARM 的微型计算机主板。该主板提供 USB 接口和以太网接口，可以连接键盘、鼠标和网线，该主板具备 PC 的基本功能，同时树莓派集成了 Wi-Fi，蓝牙以及大量 GPIO，被广泛运用在教学、家庭娱乐、物联网等。

MQTT 是一种基于发布/订阅模式的 轻量级物联网消息传输协议 ，可以用极少的代码和带宽为联网设备提供实时可靠的消息服务，它适用于硬件资源有限的设备及带宽有限的网络环境。因此，MQTT 协议广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、电力能源等行业。

在此项目中，我们将在树莓派上使用 Python 编写简单的 MQTT 客户端，并实现该客户端与 MQTT 服务器的连接、订阅、取消订阅、收发消息等功能。

环境搭建

安装 Python3

本项目使用 Python3 进行开发，一般情况下，树莓派系统会内置 Python3，如果不确定系统内是否已经安装，可以使用下面的命令进行确认。

python3 --version

如果显示 Python 3.x.x（x 表示数字）则表示已经安装，否则请使用 apt 命令安装（或跟随 Python3 安装指南操作）。

sudo apt install python3

安装 MQTT 客户端库

为了方便连接到 MQTT 服务器，我们需要安装 paho-mqtt 库。可以选择以下两种方法之一进行安装。

使用源码安装

git clone https://github.com/eclipse/paho.mqtt.python 
cd paho.mqtt.python 
python3 setup.py install

使用 pip3 安装

pip3 install paho-mqtt

MQTT 的使用

连接 MQTT 服务器

本文将使用 EMQ X 提供的免费公共 MQTT 服务器，该服务基于 EMQ X 的 MQTT 物联网云平台创建。服务器接入信息如下：

Broker: broker.emqx.io
TCP Port: 1883
Websocket Port: 8083

如果有需要，您也可以使用 docker 在本地快速安装 EMQ X 服务器。

docker run -d --name emqx -p 1883:1883 -p 8083:8083 -p 8084:8084 -p 18083:18083 emqx/emqx

连接示例代码

# test_connect.py 
import paho.mqtt.client as mqtt 

# 回调函数。当尝试与 MQTT broker 建立连接时，触发该函数。
# client 是本次连接的客户端实例。
# userdata 是用户的信息，一般为空。但如果有需要，也可以通过 user_data_set 函数设置。
# flags 保存服务器响应标志的字典。
# rc 是响应码。
# 一般情况下，我们只需要关注 rc 响应码是否为 0 就可以了。
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    if rc == 0:
        print("Connected success")
    else:
        print(f"Connected fail with code {rc}")

client = mqtt.Client() 
client.on_connect = on_connect 
client.connect("broker.emqx.io", 1883, 60) 
client.loop_forever()

将上面的代码保存为 test_connect.py 文件，并运行

python3 test_connect.py

我们在 on_connect 函数里对响应码进行了判断，为 0 则输出 Connected success 表示连接成功。如果返回的是其它数字，我们就需要对照下面的响应码进行判断。

0: 连接成功
1: 连接失败-不正确的协议版本
2: 连接失败-无效的客户端标识符
3: 连接失败-服务器不可用
4: 连接失败-错误的用户名或密码
5: 连接失败-未授权
6-255: 未定义
如果是其它问题，可以检查网络情况，或者确认是否安装了 `paho-mqtt`。

在 MQTT 协议的概念中，消息是通过主题传递的，比如设备 A 向主题 T 发送消息，那么只有订阅了主题 T 的设备才能接收到。所以仅仅接入 MQTT 服务器并没有太大意议，要完整地使用 MQTT 服务，我们还需要知道如何订阅和发布消息。

订阅消息

打开任意编辑器，输入下面的代码，并保存为 subscriber.py 文件：

# subscriber.py
import paho.mqtt.client as mqtt

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print(f"Connected with result code {rc}")
    # 订阅，需要放在 on_connect 里
    # 如果与 broker 失去连接后重连，仍然会继续订阅 raspberry/topic 主题
    client.subscribe("raspberry/topic")

# 回调函数，当收到消息时，触发该函数
def on_message(client, userdata, msg):
    print(f"{msg.topic} {msg.payload}")
    
client = mqtt.Client()
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message

# 设置遗嘱消息，当树莓派断电，或者网络出现异常中断时，发送遗嘱消息给其他客户端
client.will_set('raspberry/status', {"status": "Off"})

# 创建连接，三个参数分别为 broker 地址，broker 端口号，保活时间
client.connect("broker.emqx.io", 1883, 60)

# 设置网络循环堵塞，在调用 disconnect() 或程序崩溃前，不会主动结束程序
client.loop_forever()

调用 subscribe() 函数，可以让树莓派订阅一个主题。在上面的代码中，我们使用它订阅了 raspberry/topic 主题，并监听消息。

另外，我们还使用 will_set() 设置了遗嘱消息。遗嘱消息是 MQTT 的一个特性，当设备在意外断开网络连接后，会向某个特定的主题发送消息。通过这个特性，我们可以得知树莓派是否断电，或者出现网络异常。

发布消息

打开任意编辑器，输入下面的代码，并保存为 publisher.py 文件：

import paho.mqtt.client as mqtt
import time

def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print(f"Connected with result code {rc}")
    
client = mqtt.Client()
client.on_connect = on_connect
client.connect("broker.emqx.io", 1883, 60)

# 每间隔 1 秒钟向 raspberry/topic 发送一个消息，连续发送 5 次
for i in range(5):
      # 四个参数分别为：主题，发送内容，QoS, 是否保留消息
    client.publish('raspberry/topic', payload=i, qos=0, retain=False)
    print(f"send {i} to raspberry/topic")
    time.sleep(1)

client.loop_forever()

调用 publish() 函数，可以向一个主题发送消息。在上面的代码中，我们使用了它向主题 raspberry/topic 发送消息。其中参数 QoS 是另一个 MQTT 特性，如果你想了解更多 QoS 的内容，可以查看 MQTT QoS（服务质量）介绍，这里我们暂且设为 0。

测试

我们使用 MQTT 5.0 客户端工具 - MQTT X 进行以下测试。

测试订阅消息

运行 Python 代码，并主动发送一个消息。

打开终端，运行 Python 代码，监听消息。
```
python3 subscriber.py
```
使用 MQTT X 客户端与 MQTT 服务器建立连接，并向主题 raspberry/topic 发送消息。
查看树莓派终端信息，将会看到已成功接收到 MQTT X 发布的消息。

测试发布消息

在 MQTT X 客户端中订阅 raspberry/topic 主题。
在终端运行 Python 代码。
在 MQTT X 客户端中，查看树莓派发送的消息。

测试遗嘱消息

接下来测试一下遗嘱消息是否设置成功。

在 MQTT X 客户端中，订阅 raspberry/status。
中断程序，或者断开树莓派的网络。
在 MQTT X 客户端中，查看 raspberry/status 主题接收到的消息。

总结

我们完成了在树莓派上使用 Python MQTT 客户端库 paho-mqtt 编写测试客户端，并实现了测试客户端与 MQTT 服务器的连接、订阅、取消订阅、收发消息等功能。

至此，您已经学会了如何简单的使用 MQTT 服务，虽然这只是 MQTT 服务的一小部分，但也足够完成很多有意思的事，比如：

   1. 使用手机发送 MQTT 消息，远程控制树莓派。
   2. 定时将树莓派的设备信息发送到 MQTT 服务器，通过手机接收消息，可以进行全天候监控。
   3. 可以通过将树莓派接入 MQTT 服务器，并配合各类传感器及 ESP 模块创建很多有趣的物联网应用。

接下来我们将会陆续发布更多关于物联网开发及树莓派的相关文章，尽情关注。

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