【Android】MQTT

MQTT 协议

简介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种基于发布/订阅模式的轻量级消息传输协议，专门针对低带宽、和不稳定网络环境的物联网应用而设计，它可以用极少的代码为互联网设备提供实时可靠的消息服务。

应用场景

MQTT 协议主要用于物联网和移动设备等资源有限的场景中，其中包括物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、智慧城市、远程医疗、电力、石油与能源等领域。案例例如：智能家居设备的控制与监控、传感器数据采集与监测、安防监控系统等。

优点

• 是一种低带宽占用的即时通讯协议，在低带宽和不稳定的网络环境中也能较好地工作。
• 针对低带宽网络，低计算能力的设备，做了特殊的优化，使得其能适应各种物联网应用场景。
• 简单轻量，相比于其他传输协议，其代码占用内存少，对硬件要求低，适用于受限环境和低带宽网络。
• 通过发布-订阅架构，实现了实时可靠的消息服务，并且具有 QoS 服务质量，能够保证消息的可靠传输。

QoS：是MQTT中消息传输的可靠性等级，由低到高分别是：

• QoS0：最多一次。消息尽力发送一次，但不保证一定会被接收。
• QoS1：至少一次。消息至少发送一次，但可能会被接收多次。
• QoS2：有且仅有一次。消息只发送一次，且只会被接收一次

缺点

• 不提供扩展性的支持，需要使用其他技术来实现分布式消息传递和扩展性。
• 没有提供加密和身份验证机制。如果需要安全通信，则需要使用TLS/SSL等其他协议。
• MQTT是一种轻量级的协议，但在高并发和大规模消息传递的环境中，可能会面临性能瓶颈。此外，在使用较高的QoS级别时，可能会导致更多的网络流量和延迟，从而影响系统的性能。

分布式：是一种计算和数据处理的方式，将计算任务或数据分散到多个计算机或节点中进行处理，可以提供高性能、高可用性和弹性的计算和数据处理能力，满足不同规模和复杂度的应用需求。
TLS/SSL：详情请看文章 SSL/TLS 整理

部署服务端

话说在前，本文使用的是 EMQ 集成好的 MQTT 协议，使用起来相当简单，由于我的服务器即将到期，又没有续费的打算，我这里是在我的电脑上部署，如果你只是想着体验体验 MQTT ，跟着搞，准没错。

下载安装包

MQTT 支持部署在 Docker、Debian、Ubuntu、CentOS/RHEL、macOS、Kubernetes、Windows以及源码编译安装，小编电脑使用的是 Windows 系统，使用 Windows 下载 方式 前往下载所有版本的EMQX

如果没有服务器，你可以考虑部署在你的自用电脑上。

启动服务器

Windows 版本的 EMQX 下载完成后，解压文件，打开解压后的 bin 目录，使用 CMD 命令启动 EMQX。

# 解压后的 emqx 文件位于 D:\Softwares\emqx-5.2.0-windows-amd64\bin 目录下，因此使用 CMD 命令如下
D:\Softwares\emqx-5.2.0-windows-amd64\bin>emqx start

PS：EMQX 是部署在自用电脑上，当电脑重启时，需要重新启动 EMQX 服务。

完成这一步，打开浏览器，在地址栏输入 http:// 服务器IP :18083/ ，能打开服务器网页即完成部署。

搭建客户端

下载SDK

客户端，小编使用 Android 的Kotlin进行开发，MQTT 客户端 SDK 截止目前，已支持除 Android 外的 16 种 SDK，可根据自身需求不同，选择适合自身需求的开发包 MQTT SDKs 下载

添加依赖

打开项目的 build.gradle 文件，添加 Eclipse Paho Java Client 和 Eclipse Paho Android Service 依赖到 dependencies ，并 Sync Now。

dependencies {
    implementation 'org.eclipse.paho:org.eclipse.paho.client.mqttv3:1.2.4'
    implementation 'org.eclipse.paho:org.eclipse.paho.android.service:1.1.1' 
}

配置MQTT服务和权限

打开项目的 AndroidManifest.xml 文件，加入以下配置。

<manifest>
	<uses-permission android:name="android.permission.INTERNET" />
	
	<uses-permission android:name="android.permission.WAKE_LOCK" />
	<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_NETWORK_STATE" />

	<application
	   ...
	    android:name="org.eclipse.paho.android.service.MqttService" />
	application>
manifest>

建立连接

// 如果你使用的也是自用电脑搭建的 MQTT 服务器，则需要想办法使移动设备、物联网设备与服务器处于同一网段下（例如：自用电脑和设备连接同一个WiFi），否则无法连接上
val serverURI = "tcp://服务器IP:1883"
val username = "服务器账号"
val password = "服务器密码"
private lateinit var mqttClient: MqttAndroidClient

fun connect(context: Context) {
	mqttClient = MqttAndroidClient(context, serverURI, "kotlin_client")
	mqttClient.setCallback(object : MqttCallback {
	    override fun messageArrived(topic: String?, message: MqttMessage?) {
	        Log.d(TAG, "Receive message: ${message.toString()} from topic: $topic")
	    }
	
	    override fun connectionLost(cause: Throwable?) {
	        Log.d(TAG, "Connection lost ${cause.toString()}")
	    }
	
	    override fun deliveryComplete(token: IMqttDeliveryToken?) {
	
	    }
	})
	val options = MqttConnectOptions()
	options.userName = username
	options.password = password.toCharArray()
	
    mqttClient.connect(options, null, object : IMqttActionListener {
	    override fun onSuccess(asyncActionToken: IMqttToken?) {
	        Log.d(TAG, "Connection success")
	    }
	
	    override fun onFailure(asyncActionToken: IMqttToken?, exception: Throwable?) {
	        Log.d(TAG, "Connection failure")
	    }
	})
}

订阅主题

mqttClient.subscribe(topic, qos, null, object : IMqttActionListener {
    override fun onSuccess(asyncActionToken: IMqttToken?) {
        Log.d(TAG, "Subscribed to $topic")
    }

    override fun onFailure(asyncActionToken: IMqttToken?, exception: Throwable?) {
        Log.d(TAG, "Failed to subscribe $topic")
    }
})

发布消息

mqttClient.publish(topic, message, null, object : IMqttActionListener {
    override fun onSuccess(asyncActionToken: IMqttToken?) {
        Log.d(TAG, "$msg published to $topic")
    }

    override fun onFailure(asyncActionToken: IMqttToken?, exception: Throwable?) {
        Log.d(TAG, "Failed to publish $msg to $topic")
    }
})

取消订阅

mqttClient.unsubscribe(topic, null, object : IMqttActionListener {
    override fun onSuccess(asyncActionToken: IMqttToken?) {
        Log.d(TAG, "Unsubscribed to $topic")
    }

    override fun onFailure(asyncActionToken: IMqttToken?, exception: Throwable?) {
        Log.d(TAG, "Failed to unsubscribe $topic")
    }
})

断开连接

mqttClient.disconnect(null, object : IMqttActionListener {
    override fun onSuccess(asyncActionToken: IMqttToken?) {
        Log.d(TAG, "Disconnected")
    }

    override fun onFailure(asyncActionToken: IMqttToken?, exception: Throwable?) {
        Log.d(TAG, "Failed to disconnect")
    }
})

MQTT客户端工具

至此，代码写完，我们可以使用 EMQ 提供的MQTT客户端工具和我们的应用进行测试。

点击下载 MQTT 客户端工具

如果你只是抱着试一试的心态去了解MQTT，那么，你可以使用 EMQX MQTT Cloud 运营和维护的免费公共 MQTT 服务器， EMQX Cloud 是由 EMQ 推出的安全的 MQTT 物联网云服务平台，它提供一站式运维代管、独有隔离环境的 MQTT 5.0 接入服务。相关信息如下：

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

最终效果

同时使用 MQTTX 和 Android 客户端的最终效果如下所示：

实现传感器数据采集与监测功能思路

在文章开头我们有提到，MQTT 应用场景有包含 传感器数据采集与监测 一项，但经过我这段时间的研究，其实 MQTT 只是实现了设备消息的传递，并不能直接使用 MQTT 去对传感器数据进行采集与检测，实现传感器数据采集与监测这一功能，应该是传感器的事情，当传感器监测到设备数据有异常时，通过 MQTT 发送数据到服务端，再由服务端对接收到的异常数据进行处理。如图：

参考文献 & 资料来源

1、为什么智能硬件首选MQTT
2、MQTT 客户端库 & SDKs 下载
3、Android 使用 Kotlin 连接 MQTT
4、创建 MQTT 连接时如何设置参数？
5、MQTT 协议入门：基础知识和快速教程
6、物联网首选协议，关于 MQTT 你需要了解这些
7、MQTT在Android端的使用详解以及MQTT服务器搭建、Paho客户端使用