全志科技T3开发板（4核ARM Cortex-A7）——MQTT通信协议案例
本文主要介绍基于T3处理器的MQTT通信协议开发案例，讲解内容主要包括了MQTT通信协议简介、概述、应用场景以及Mosquitto工具安装、mqtt_client案例和mqtt_sinewave_pub案例等。
本指导文档适用开发环境：
Windows开发环境：Windows 7 64bit、Windows 10 64bit
虚拟机：VMware15.1.0
Linux开发环境：Ubuntu18.04.4 64bit
U-Boot：U-Boot-2014.07
Kernel：Linux-3.10.65
LinuxSDK：LinuxSDK_AA_BB_CC_DD（基于T3_LinuxSDK_V1.3_20190122）
本次测试板卡为基于创龙科技TLT3-EVM是一款基于全志科技T3处理器设计的4核ARM Cortex-A7高性能低功耗国产评估板，每核主频高达1.2GHz。
评估板接口资源丰富，引出双路网口、双路CAN、双路USB、双路RS485等通信接口，板载Bluetooth、WIFI、4G（选配）模块，同时引出MIPI LCD、LVDS LCD、TFT LCD、CVBS OUT、CAMERA、LINE IN、H/P OUT等音视频多媒体接口，支持双屏异显、1080P@45fps H.264视频硬件编解码，并支持SATA大容量存储接口。
MQTT通信协议简介
概述
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。
MQTT是轻量、简单、开放和易于实现的，同时作为一种低开销、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。
图 1
MQTT具有如下特点：
- 轻量可靠：MQTT的报文格式精简、紧凑，可在严重受限的硬件设备和低带宽、高延迟的网络上实现稳定传输。
- 发布/订阅模式(Publish/Subscribe)：发布/订阅模式的优点在于发布者与订阅者的解耦，实现异步协议。即订阅者与发布者无需建立直接连接，亦无需同时在线。
- 为物联网而生：提供心跳机制、遗嘱消息、QoS质量等级 + 离线消息、主题和安全管理等全面的物联网应用特性。
- 生态更完善：覆盖范围广，已成为众多云厂商物联网平台的标准通信协议。
应用场景
MQTT作为一种低开销，低带宽占用的即时通讯协议，可以极少的代码和带宽为联网设备提供实时可靠的消息服务，适用于硬件资源有限的设备及带宽有限的网络环境。常见的应用场景如下：
- 物联网M2M通信，物联网大数据采集。
- 移动即时消息及消息推送。
- 智能硬件、智能家居、智能电器。
- 车联网通信，电动车站桩采集。
- 智慧城市、远程医疗、远程教育。
- 电力能源、石油能源。
Mosquitto工具安装
Mosquitto是一款开源的MQTT消息代理（服务器）软件，提供轻量级的、支持可发布/可订阅的的消息推送模式。我司提供的评估板文件系统已支持Mosquitto工具，本文mqtt_client案例采用Mosquitto工具演示MQTT通信协议的通信功能。由于上位机Ubuntu系统作为通信对象，因此需在Ubuntu终端执行如下命令安装Mosquitto工具。
Host# sudo apt-get install mosquitto-clients
图 2
mqtt_client案例
案例说明
案例功能：使用libmosquitto(MQTT version 3.1.1 client library)的API与MQTT代理服务器通信。基于MQTT通信协议，实现发布和订阅消息功能。
程序流程图如下图所示。
图 3
案例测试
本案例使用公网MQTT HiveMQ服务器与上位机Ubuntu Mosquitto工具通信。请通过网线将评估板千兆网口RGMII ETH和上位机连接至公网，确保可正常访问互联网。
下表提供了可用的在线公共MQTT服务器，可根据需要自行切换。
表 1
| 服务器名称 |
Broker地址 |
TCP端口 |
WebSocket |
| HiveMQ |
broker.hivemq.com |
1883 |
8000 |
| Mosquitto |
test.mosquitto.org |
1883 |
80 |
| Eclipse |
mqtt.eclipseprojects.io |
1883 |
80/443 |
| EMQ X（国内） |
broker-cn.emqx.io |
1883 |
8083/8084 |
评估板启动，将案例bin目录下mqtt_client可执行文件拷贝至评估板文件系统的任意目录下，执行如下命令查看程序参数说明。
Target# ./mqtt_client --help
图 4
评估板发布/上位机订阅
在上位机执行如下命令，使用mosquitto_sub工具订阅MQTT主题。
Host# mosquitto_sub -h broker.hivemq.com -p 1883 -t test/data
参数解析：
-h：指定MQTT服务器；
-p：指定MQTT服务器TCP端口；
-t：定义MQTT主题，可自定义命名。
图 5
在评估板文件系统执行如下命令发布消息至MQTT服务器。
Target# ./mqtt_client -h broker.hivemq.com -p 1883 -M publish -t test/data -m 'www.tronlong.com'
图 6 评估板发布
消息发布成功后，上位机将从MQTT服务器接收到对应的消息。
图 7 上位机订阅
评估板订阅/上位机发布
在评估板文件系统执行如下命令订阅MQTT主题。
Target# ./mqtt_client -h broker.hivemq.com -p 1883 -M subscribe -t test/data
图 8
在上位机执行如下命令发布消息至MQTT服务器。
Host# mosquitto_pub -h broker.hivemq.com -p 1883 -t test/data -m www.tronlong.com
图 9 上位机发布
消息发布成功后，评估板将从MQTT服务器接收到对应消息。
图 10 评估板订阅
案例编译
将案例src文件夹拷贝至Ubuntu工作目录下，请先确保已参考Linux系统使用手册编译过LinuxSDK，构建T3处理器对应的GCC编译器。进入src目录执行如下命令，使用LinuxSDK开发包目录下的GCC编译器进行案例编译。编译完成后，将在当前目录下生成可执行文件。
Host# CC=/home/tronlong/T3/lichee/out/sun8iw11p1/linux/common/buildroot/host/usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc make
图 11
关键代码
创建Mosquitto实例。
图 12
设置回调函数。
图 13
连接MQTT服务器。
图 14
发布消息。
图 15
订阅主题。
图 16
mqtt_sinewave_pub案例
案例说明
案例功能：使用libmosquitto(MQTT version 3.1.1 client library)的API与MQTT代理服务器通信。评估板生成正弦波数据，每秒发送512个采样点的数据至MQTT服务器；上位机通过Web页面从MQTT服务器接收到数据后，将会绘制波形。
程序流程图如下图所示。
图 17
案例测试
本案例使用公网MQTT HiveMQ服务器与上位机Ubuntu Web程序通信。请通过网线将评估板千兆网口RGMII ETH和上位机连接至公网，确保可正常访问互联网。
评估板启动，将案例bin目录下mqtt_sinewave_pub可执行文件拷贝至评估板文件系统的任意目录下，执行如下命令查看程序参数说明。
Target# ./mqtt_sinewave_pub --help
图 18
执行如下命令运行程序，连接MQTT服务器，并发送正弦波数据至MQTT服务器。
Target# ./mqtt_sinewave_pub -h broker.hivemq.com -p 1883
图 19
评估板程序运行后，将案例"tools\web_mqtt_sub\"目录下index.html文件，使用上位机浏览器打开。在弹出的Web页面（如下图），依次输入MQTT服务器：broker.hivemq.com，端口号：8000，最后点击连接，Web页面将会从MQTT服务器获取正弦波数据并进行波形绘制。
备注：ARM端MQTT通信协议基于TCP协议，Web端MQTT通信协议基于WebSocket协议，因此使用的端口号不同。
图 20
图 21
案例编译
将案例src文件夹拷贝至Ubuntu工作目录下，请先确保已参考Linux系统使用手册编译过LinuxSDK，构建T3处理器对应的GCC编译器。进入src目录执行如下命令，使用LinuxSDK开发包目录下的GCC编译器进行案例编译。编译完成后，将在当前目录下生成可执行文件。
Host# CC=/home/tronlong/T3/lichee/out/sun8iw11p1/linux/common/buildroot/host/usr/bin/arm-linux-gnueabihf-gcc make
图 22
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