云平台组成

5.1 阿里云物联网平台介绍

物联网体系架构

感知层：通过传感器设备来识别和收集信息

网络层：安全的把这些信息进行传输

应用层：结合具体的应用需求，通过对这些数据进行计算、处理、挖掘，来实现智能化的物联网应用

平台层：枢纽位置，向下接入感知层，汇集感知的数据。向上面向应用开发的基础性平台，是构建物联网应用的基础

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云平台端的主要作用：帮助开发者搭建数据通道、方便终端

物联网平台的内容

IoT Hub：帮助设备连接到阿里云的loT服务，并提供设备和云端之间进行安全通信的数据通道。
设备管理：生命周期、固件升级、在线调试、实时监控等等

数据分析：

• 流数据分析：用于设置数据处理任务。
• 空间可视化：将设备数据实时在二维地图或三维模型上展示出来

规则引擎：负责数据流转，即用户可以通过SQL语句来实现规则的配置，从而方便地对数据进行处理、过滤和转发的操作

安全认证&权限策略模块：提供多重的防护机制来保障设备和云端的安全

设备端SDK

• 异构网络设备的接入：如2G/3G/4G以及正在落地的5G
• NB-loT网络接入
• Lora网络接入

产品与设备

使用物联网平台的第一步是在云端先创建产品和然后创建对应设备

产品：设备的集合，通常指一组具有相同功能的设备。物联网平台为每个产品颁发全局唯一ProductKey。每个产品下可以有成千上万的设备

设备：归属于某个产品下的具体设备。物联网平台为设备颁发产品内唯一的证书DeviceName。设备可以直接连接物联网平台，也可以作为子设备通过网关连接物联网平台

网关与设备

网关：能够直接连接物联网平台的设备，且具有子设备管理功能，能够代理子设备连接云端

子设备：本质上也是设备。子设备不能直接连接物联网平台，只能通过网关连接

设备：能够直接能够直接连接物联网平台

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三元组

与产品、设备相关的还有一个特别重要的名词是三元组。它是指ProductKey、DevicesName和DeviceSecret

在创建好产品，并且在产品下面添加了一个新设备后，这个设备都会拥有一个在云端唯一的三元组信息

用于鉴权，需要妥善保管好

5.2 物模型介绍

物模型介绍

传统IoT开发和基于物模型的IoT开发

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什么是“物模型”

物模型指将物理空间中的实体数字化，并在云端构建该实体的数据模型

物模型本质上是属于功能定义，它是从属性、服务和事件三个维度，分别描述了该实体是什么、能做什么，可以对外提供哪些信息

物模型三个维度的说明

属性（Property）
一般用于描述设备运行时的状态，如环境监测设备所读取的当前环境温度等。属性支持GET和SET请求方式。应用系统可发起对属性的读取和设置请求

服务（Service）
设备可被外部调用的能力或方法，可设置输入参数和输出参数。相比于属性，服务可通过一条指令实现更复杂的业务逻辑，如执行某项特定的任务

事件（Event）
设备运行时的事件。事件一般包含需要被外部感知和处理的通知信息，可包含多个输出参数。如某项任务完成的信息，或者设备发生故障或告警时的温度等，事件可以被订阅和推送

小屋的功能定义

属性：室内温度、可燃气体传感器读数、光敏传感器读数、土壤湿度、二氧化碳浓度、有机气体浓度，空调制冷开闭，风扇开合，窗帘开合，灯光开关，水泵开关

服务：清除报警。当危险状态已经解除，而设备端仍处于可燃气泄漏报警状态时，用户可以调用该服务清除报警状态

事件：可燃气体报警。当可燃气体传感器采样到的数值高于设定阈值时，设备向平台上报报警信息

平台端定义功能

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“物模型”用ISON格式数据表述

“物模型”是用JSON格式的数据来表述的，称之为TSL（即Thing Specification Language），用于描述产品“是什么、能做什么、可以对外提供哪些服务”

一般情况下，物模型表现为设备的“功能”，包括至少一个“属性”（Property）或"服务”（Service）或“事件”（Event）

JSON格式

是一种轻量级的数据交换格式

JSON格式的字符串可以在网络或者程序之间轻松地传递，并在需要的时候将它还原为各编程语言所支持的数据格式

JSON易于阅读和编写，同时也易于机器解析和生成，能有效地提升网络传输效率

JSON：“{}”花括号表示对象J，“[]”中括号表示数组，""双引号内是属性或值；“:”冒号表示后者是前者的值

JSON格式解释

在这个示例中，表示的是只有一个名为people的变量，值是包含两个条目的数组，每个条目是一个人“名和姓”的记录

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JSON字段说明文档

阿里云提供的物模型JSON字段说明：https://www.alibabacloud.com/help/zh/doc-detail/88250.htm

“物模型”的好处

“物模型”的好处在于将很多重复工作标准化、模式化，并最终形成ICA联盟标准

明确了产品的“物模型”，就可同步开发各个端同步开发：设备端只需要考虑端侧应用的实现，云端可以马上利用虚拟设备，并同步开发应用端软件

5.3 MQTT协议介绍

MQTT协议原理

协议实现方式

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在MQTT协议框架图中，我们可以看到有三种角色：代理服务器、发布者客户端以及订阅者客户端。我们需要注意的是发布者客户端也可以是订阅者客户端，甚至可以订阅自己发布的消息

以智慧小屋为例

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我们想要在在手机端APP获取到智慧小屋的温度信息

在智慧小屋端通过温度传感器获取到温度信息，通过WIFI上传一个智慧小屋主题为“温度”的数据

云端收到这条信息，将其放置到智慧小屋设备的“温度”主题中

由于手机APP订阅了智慧小屋“温度”主题，在有智慧小屋新的温度消息传递过来，云端推送了该主题的数据给手机

发布者和订阅者的解耦（decouple）

MQTT采用代理的发布/订阅模式实现了发布者和订阅者的解耦（decouple）

空间上解耦：传送消息不需要知道对方的IP地址和端口，只需要和服务器通信即可，发布者和订阅者都一样

时间上的解耦：发布者和订阅者不需要同时在线，由于消息是暂存在服务器的，发布消息的时候，订阅者在不在线是不会影响发布者发布消息的。但是消息的传输必须通过Topic（主题）来进行，也就是发布者和订阅者都必须是同一个主题

MQTT协议中三种身份

MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）订阅者（Subscribe）

消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者

MQTT中传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：Topic：可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）

MQTT客户端的作用

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接

客户端可以：

• 发布其他客户端可能会订阅的信息
• 订阅其它客户端发布的消息
• 退订或删除应用程序的消息
• 断开与服务器连接

MQTT服务器的作用

MQTT服务器可以称为“消息代理”（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

• 接收来自客户端发起的网络连接
• 接收客户端发布的认证和授权信息
• 处理来自客户端的订阅服务和退订服务请求
• 将消息下发到订阅者

MQTT协议中的订阅、会话、主题

订阅（Subscription）

• 订阅包含主题筛选器（Topic Filter）和最大服务质量（QoS）。订阅会与一个会话（Session）关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器

会话（Session）

• 每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接

主题名（Topic Name）

• 连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端

主题筛选器（Topic Filter）

• 个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题，告诉服务器对哪些主题感兴趣，服务器将你感兴趣的主题进行过滤，推送给你需要的消息

负载（Payload）

• 消息订阅者所具体接收的内容

Topic类与Topic

Topic类是针对产品的概念，在设备产品功能定义完成后，生成的是Topic类列表

Topic是针对设备的概念，添加设备后，设备产品的是Topic列表，是继承了Topic类的实体

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MQTT协议中的方法

MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现

Connect：等待与服务器建立连接

Disconnect：等待MQTT客户端完成所做的工作，并与服务器断开TCP/IP会话

Subscribe：等待完成订阅

UnSubscribe：等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅Publish：MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程

网络传输与应用消息

MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输

当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量（Qos）和主题名（Topic）相关连

传输消息三种服务质量（QoS）

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QoS0，最多发一次（《=1），意味着消息发出去了，就不再管了。消息可能被接收，也可能丢失。这种传递方式最简单、传递可靠性最弱

QoS0协议流程图，非规范示例

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QoS1，至少收到一次，发布方将保留数据，没有收到服务器响应收到信息的话，间隔一段时间重发，直至服务器响应

QoS 1协议流程图，非规范示例

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Qos2，确保消息被接收，并不会被重复接收。阿里云平台目前不支QoS2，目前阿里云支持MQTT标准协议接入，兼容3.1.1和3.1版本协议

QoS 2协议流程图，非规范示例

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5.4 设备基于MQTT接入云的认证方式

物联网平台支持两种通信模式，PUB/SUB以及RRPC，这两种形式均基于MQTT实现，用户可以根据业务需求灵活选择

PUB/SUB

在Topic的基础上，物联网平台基于Pub/Sub机制进行消息的路由转发，让备端可以发布或订阅消息，实现通信。IoT平台维护所有Topic的发布订阅用户列表，当发布者将消息发布到Topic后，IoT平台会检查该Topic的所有订阅用户，然后将消息转发给所有订阅了该Topic的设备，这些设备就会收到该Topic内的消息内容。在这个流程中，我们可以看到是一个异步的流程

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RRPC

一个同步的通信模式RRPC（Revert Remote Procedure Call），它是物联网平台基于开源MQTT协议封装的。采用这种通信模式，服务端下发指令给设备时需要同步得到设备端的响应

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MQTT的报文结构

MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），这些方法主要包括Connect、Connack.Disconnect、Subscribe、UnSubscribe、Publish等等

任何一个MQTT的数据包都由三个部分组成：固定头、可变头和负载。所有的MQTT数据包都包含有固定头，长度是两个字节

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二字节的固定头

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CONNECT连接

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CleanSession（用于会话保持）

• 为“1"时，关闭会话重用机制。每次CONNECT都是新的Session
• 为"0”时开启会话重用机制，网络断开重连后，恢复之前的Session信息
• 当终端设备离线时，不管CleanSession的值是什么，不可能接收任何QoS-0，1，2消息
• 当CleanSession的值为1，当终端设备离线再上线时，离线期间发来QoS-0，1，2的消息一律接收不到。当CleanSession的值为0，当终端设备离线再上线时，离线期间发来QoS-1，2的消息仍然可以接收到

WillTopic等（遗嘱信息）

• 当客户端与服务器建立连接之后，在工作的过程中，可能会因为各种原因发生与服务器断开连接的情形

KeepAlive（保活时间、心跳间隔）

• 服务器通过KeepAlive这个保活时间（心跳间隔）来判定的客户端异常断开了
• 如果客户端在一段时间内既要保持连接，又没有数据消息需要发送，那么需要在保活时间内，主动发送心跳包给服务器，用于维护连接。断开连接时，如果有遗嘱信息，服务器按照约定发布相关消息给订阅者

CONNCT报文结构

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客户端向服务器发布消息

• 服务器向其他的订阅了消息的客户端发消息，包含的内容有唯一的Packet ID Topic.QoS、表明是否是重复信息的DUP标记和RetainFlag（保留消息）

保留消息标记

• 如设置了保留消息的，在没有新的消息来临前，服务器会将最近发生的一条消息在客户端上线的时候就推送给它。（阿里云暂不支持）

PUBISH和PUBACK

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消息的订阅：Subscribe，SUBACK数据包

SUBSCRIBE

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客户端可以向服务器订阅某个主题也可以取消订阅

消息订阅取消：unsubscribe和unsuback

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MQTT连接入物联网

阿里云物联网云端提供了两种连接方式：MQTT客户端直连和使用HTTPS认证再连接。

（详情可以参考：https://help.aliyun.com/document-detail/73742.html？spm-a2c4g.11186623.6.657.6e293f86N32RJS）

MQTT客户端域名直连方式更加适合于资源受限的设备使用，需要注意MQTT Connect时

• Connect指令中的KeepAlive不能小于30秒，否则会拒绝连接。建议值为[60秒，300秒]之间
• 如果同一个设备三元组，同时用于多个连接，可能导致客户端互相上下线

METT客户端域名直连方式

MQTT采用的是明码传输，安全的级别很低，密码很容易被截取。为了提高安全级别，如果使用TLS，需要下载根证书（http://aliyun-iot.oss-cn-hangzhou.aliyuncs.com/cert_pub/root.crt）

使用MQTT客户端连接服务器，自主接入可以使用开源MQTT客户端参考（https://github.com/mqtt/mqtt.github.io/wiki/libraries），MQTT的了解可以参考[http://matt.org]相关文档

MQTT连接使用说明

连接域名

• 华东2节点：SI{ProductKey}.ot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com：1883
• 其中的$I{productKey}请替换为你自己产品的ProductKey

可变报头（Variable header）

• Connect指令中需包含Keep Alive（保活时间）。保活心跳时间取值范围为30至1200秒。如果心跳时间不在此区间内，物联网平台会拒绝连接。建议取值300秒以上。如果网络不稳定，将心跳时间设置高一些

mgtt的Connect报文参数包括：mqttClientld.mgttUsername和mgttPassword。在设备端代码通过MQTT Connect阿里云物联网控制台时使用该参数即可。mqttPassword通过hmacsha1计算得到

HTTPS认证连接模式

使用HTTPS认证再连接模式见阿里云的网站，前面提供了链接。上面所阐述的两种设备认证方式各有其优缺点，MQTT客户端域名直连方式更加适合于资源受限的设备使用。在本次的项目例程当中，采用的就是MQTT客户端域名直连的方式