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springboot + rabbitmq 做智能家居，我也没想到会这么简单

2012 年 6 月 12 日

本文收录在个人博客： www.chengxy-nds.top ，共享技术资源，共同进步

前一段有幸参与到一个智能家居项目的开发，由于之前都没有过这方面的开发经验，所以对智能硬件的开发模式和技术栈都颇为好奇。

产品是一款可燃气体报警器，如果家中燃气泄露浓度到达一定阈值，报警器检测到并上传气体浓度值给后台，后台以电话、短信、微信等方式，提醒用户家中可能有气体泄漏。

用户还可能向报警器发一些关闭报警、调整音量的指令等。整体功能还是比较简单的，大致的逻辑如下图所示：

但当我真正的参与其中开发时，其实有一点小小的失望，因为在整个研发过程中，并没用到什么新的技术，还是常规的几种中间件，只不过换个用法而已。

技术选型用 rabbitmq 来做核心的组件，主要考虑到运维成本低，组内成员使用的熟练度比较高。

下面和小伙伴分享一下如何用 springboot + rabbitmq 搭建物联网（ IOT ）平台，其实智能硬件也没想象的那么高不可攀！

很多小伙伴可能有点懵？ rabbitmq 不是消息队列吗？ 怎么又能做智能硬件了 ？

其实 rabbitmq 有两种协议，我们平时接触的消息队列是用的 AMQP 协议，而用在智能硬件中的是 MQTT 协议。

一、什么是 MQTT协议？

MQTT 全称(Message Queue Telemetry Transport)：一种基于发布/订阅（ publish / subscribe ）模式的 轻量级 通讯协议，通过订阅相应的主题来获取消息，是物联网（ Internet of Thing ）中的一个标准传输协议。

该协议将消息的发布者（ publisher ）与订阅者（ subscriber ）进行分离，因此可以在不可靠的网络环境中，为远程连接的设备提供可靠的消息服务，使用方式与传统的MQ有点类似。

TCP 协议位于传输层， MQTT 协议位于应用层， MQTT 协议构建于 TCP/IP 协议上，也就是说只要支持 TCP/IP 协议栈的地方，都可以使用 MQTT 协议。

二、为什么要用 MQTT协议？

MQTT 协议为什么在物联网（IOT）中如此受偏爱？而不是其它协议，比如我们更为熟悉的 HTTP 协议呢？

  • 首先 HTTP 协议它是一种同步协议，客户端请求后需要等待服务器的响应。而在物联网（IOT）环境中，设备会很受制于环境的影响，比如带宽低、网络延迟高、网络通信不稳定等，显然异步消息协议更为适合 IOT 应用程序。
  • HTTP 是单向的，如果要获取消息客户端必须发起连接，而在物联网（IOT）应用程序中，设备或传感器往往都是客户端，这意味着它们无法被动地接收来自网络的命令。
  • 通常需要将一条命令或者消息，发送到网络上的所有设备上。 HTTP 要实现这样的功能不但很困难，而且成本极高。

三、MQTT协议介绍

前边说过 MQTT 是一种轻量级的协议，它只专注于发消息， 所以此协议的结构也非常简单。

MQTT数据包

在 MQTT 协议中，一个 MQTT 数据包由： 固定头 （Fixed header）、 可变头 （Variable header）、 消息体 （payload）三部分构成。

  • 固定头（Fixed header），所有数据包中都有固定头，包含数据包类型及数据包的分组标识。
  • 可变头（Variable header），部分数据包类型中有可变头。
  • 内容消息体（Payload），存在于部分数据包类，是客户端收到的具体消息内容。

1、固定头

固定头部，使用两个字节，共16位：

(4-7)位表示消息类型，使用4位二进制表示，可代表如下的16种消息类型，不过 0 和 15位置属于保留待用，所以共14种消息事件类型。

DUP Flag（重试标识）

DUP Flag：保证消息可靠传输，消息是否已送达的标识。默认为0，只占用一个字节，表示第一次发送，当值为1时，表示当前消息先前已经被传送过。

QoS Level（消息质量等级）

QoS Level：消息的质量等级，后边会详细介绍

RETAIN（持久化）

  • 值为 1 ：表示发送的消息需要一直持久保存，而且不受服务器重启影响，不但要发送给当前的订阅者，且以后新加入的客户端订阅了此 Topic ，订阅者也会马上得到推送。

注意：新加入的订阅者，只会取出最新的一个 RETAIN flag = 1 的消息推送。

  • 值为 0 ：仅为当前订阅者推送此消息。

Remaining Length（剩余长度）

在当前消息中剩余的 byte (字节)数，包含可变头部和消息体payload。

2、可变头

固定头部仅定义了消息类型和一些标志位，一些消息的元数据需要放入可变头部中。可变头部内容字节长度 + 消息体payload = 剩余长度。

可变头部居于固定头部和payload中间，包含了协议名称，版本号，连接标志，用户授权，心跳时间等内容。

可变头存在于这些类型的消息：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

3、消息体payload

消息体payload只存在于 CONNECT 、 PUBLISH 、 SUBSCRIBE 、 SUBACK 、 UNSUBSCRIBE 这几种类型的消息：

  • CONNECT ：包含客户端的 ClientId 、订阅的 Topic 、 Message 以及 用户名 和 密码 。
  • PUBLISH ：向对应主题发送消息。
  • SUBSCRIBE ：要订阅的主题以及 QoS 。
  • SUBACK ：服务器对于 SUBSCRIBE 所申请的主题及 QoS 进行确认和回复。
  • UNSUBSCRIBE ：取消要订阅的主题。

消息质量（QoS ）

消息质量 （Quality of Service），即消息的发送质量，发布者（ publisher ）和订阅者（ subscriber ）都可以指定 qos 等级，有 QoS 0 、 QoS 1 、 QoS 2 三个等级。

下边分别说明一下这三个等级的区别。

1、Qos 0： At most once （至多一次），只发送一次消息，不保证消息是否成功送达，没有确认机制，消息可能会丢失或重复。

2、Qos 1： At least once （至少一次），相对于 QoS 0 而言 Qos 1 增加了 ack 确认机制，发送者（ publisher ）推送消息到MQTT代理（ broker ）时，两者自身都会先持久化消息，只有当 publisher 或者 Broker 分别收到 PUBACK 确认时，才会删除自身持久化的消息，否则就会重发。

但有个问题，尽管我们可以通过确认来保证一定收到客户端 或 服务器的 message ，可我们却不能保证仅收到一次 message ，也就是当客户端 publisher 没收到 Broker 的 puback 或者 Broker 没有收到 subscriber 的 puback ，那么就会一直重发。

publisher -> broker 大致流程：

  1. publisher store msg -> publish ->broker （传递message）
  2. broker -> puback -> publisher delete msg （确认传递成功）

3、Qos 2： Exactly once （只有一次），相对于 QoS 1 ， QoS 2 升级实现了仅接受一次 message ， publisher 和 broker 同样对消息进行持久化，其中 publisher 缓存了 message 和 对应的 msgID ，而 broker 缓存了 msgID ，可以保证消息不重复，由于又增加了一个 confirm 机制，整个流程变得复杂很多。

publisher -> broker 大致流程：

  1. publisher store msg -> publish ->broker -> broker store

    1. msgID（传递message） broker -> puberc （确认传递成功）
    2. publisher -> pubrel ->broker delete msgID （告诉broker删除msgID）
    3. broker -> pubcomp -> publisher delete msg （告诉publisher删除msg）

LWT（最后遗嘱）

LWT 全称为 Last Will and Testament ，其实遗嘱是一个由客户端预先定义好的主题和对应消息，附加在 CONNECT 的数据包中，包括 遗愿主题 、 遗愿 QoS 、 遗愿消息 等。

当MQTT代理 Broker 检测到有客户端 client 非正常断开连接时，再由服务器主动发布此消息，然后相关的订阅者会收到消息。

举个栗子：聊天室中所有人都订阅一个叫 talk 的主题 ，但小富由于网络抖动突然断开了链接，这时聊天室中所有订阅主题 talk 的客户端都会收到一个 “ 小富离开聊天室 ” 的遗愿消息。

遗嘱的相关参数：

Will Flag
Will Topic
Will Qos
Will Retain
Will Message

那客户端 Client 有哪些场景是非正常断开连接呢？

  • Broker 检测到底层的 I/O 异常；
  • 客户端 未能在心跳 Keep Alive 的间隔内和 Broker 进行消息交互；
  • 客户端 在关闭底层 TCP 连接前没有发送 DISCONNECT 数据包；
  • 客户端 发送错误格式的数据包到 Broker ，导致关闭和客户端的连接等。

注意：当客户端通过发布 DISCONNECT 数据包断开连接时，属于正常断开连接，并不会触发 LWT 的机制，与此同时 Broker 还会丢弃掉当前客户端在连接时指定的相关 LWT 参数。

四、MQTT协议应用场景

MQTT 协议广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件、车联网、电力能源等领域。使用的场景也是非常非常多，下边列举一些：

  • 物联网M2M通信，物联网大数据采集
  • Android消息推送，WEB消息推送
  • 移动即时消息，例如Facebook Messenger
  • 智能硬件、智能家具、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、石油与能源等行业市场

五、代码实现

具体 rabbitmq 的环境搭建就不赘述了，网上教程比较多，有条件的用服务器，没条件的像我搞个 Windows 版的也很快乐嘛。

1、启用 rabbitmq的mqtt协议

我们先开启 rabbitmq 的 mqtt 协议，因为默认安装下是关闭的，命令如下： 

rabbitmq-plugins enable rabbitmq_mqtt

2、mqtt 客户端依赖包

上一步中安装 rabbitmq 环境并开启 mqtt 协议后，实际上 mqtt 消息代理服务就搭建好了，接下来要做的就是实现客户端消息的推送和订阅。

这里使用 spring-integration-mqtt 、 org.eclipse.paho.client.mqttv3 两个工具包实现。 



    org.springframework.integration
    spring-integration-mqtt


    org.eclipse.paho
       org.eclipse.paho.client.mqttv3
    1.2.0

3、消息发送者

消息的发送比较简单，主要是应用到 @ServiceActivator 注解，需要注意 messageHandler.setAsync 属性，如果设置成 false ，关闭异步模式发送消息时可能会阻塞。 

@Configuration
public class IotMqttProducerConfig {

    @Autowired
    private MqttConfig mqttConfig;

    @Bean
    public MqttPahoClientFactory mqttClientFactory() {
        DefaultMqttPahoClientFactory factory = new DefaultMqttPahoClientFactory();
        factory.setServerURIs(mqttConfig.getServers());
        return factory;
    }

    @Bean
    public MessageChannel mqttOutboundChannel() {
        return new DirectChannel();
    }

    @Bean
    @ServiceActivator(inputChannel = "iotMqttInputChannel")
    public MessageHandler mqttOutbound() {
        MqttPahoMessageHandler messageHandler = new MqttPahoMessageHandler(mqttConfig.getServerClientId(), mqttClientFactory());
        messageHandler.setAsync(false);
        messageHandler.setDefaultTopic(mqttConfig.getDefaultTopic());
        return messageHandler;
    }
}

MQTT 对外提供发送消息的 API 时，需要使用 @MessagingGateway 注解，去提供一个消息网关代理，参数 defaultRequestChannel 指定发送消息绑定的 channel 。

可以实现三种 API 接口， payload 为发送的消息， topic 发送消息的主题， qos 消息质量。 

@MessagingGateway(defaultRequestChannel = "iotMqttInputChannel")
public interface IotMqttGateway {

    // 向默认的 topic 发送消息
    void sendMessage2Mqtt(String payload);
    // 向指定的 topic 发送消息
    void sendMessage2Mqtt(String payload,@Header(MqttHeaders.TOPIC) String topic);
    // 向指定的 topic 发送消息，并指定服务质量参数
    void sendMessage2Mqtt(@Header(MqttHeaders.TOPIC) String topic, @Header(MqttHeaders.QOS) int qos, String payload);
}

4、消息订阅

消息订阅和我们平时用的MQ消息监听实现思路基本相似， @ServiceActivator 注解表明当前方法用于处理 MQTT 消息， inputChannel 参数指定了用于接收消息的 channel 。 

/**
 * @Author: xiaofu
 * @Description: 消息订阅配置
 * @date 2020/6/8 18:24
 */
@Configuration
public class IotMqttSubscriberConfig {

    @Autowired
    private MqttConfig mqttConfig;

    @Bean
    public MqttPahoClientFactory mqttClientFactory() {
        DefaultMqttPahoClientFactory factory = new DefaultMqttPahoClientFactory();
        factory.setServerURIs(mqttConfig.getServers());
        return factory;
    }

    @Bean
    public MessageChannel iotMqttInputChannel() {
        return new DirectChannel();
    }

    @Bean
    public MessageProducer inbound() {
        MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter adapter = new MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter(mqttConfig.getClientId(), mqttClientFactory(), mqttConfig.getDefaultTopic());
        adapter.setCompletionTimeout(5000);
        adapter.setConverter(new DefaultPahoMessageConverter());
        adapter.setQos(1);
        adapter.setOutputChannel(iotMqttInputChannel());
        return adapter;
    }

    /**
     * @author xiaofu
     * @description 消息订阅
     * @date 2020/6/8 18:20
     */
    @Bean
    @ServiceActivator(inputChannel = "iotMqttInputChannel")
    public MessageHandler handlerTest() {

        return message -> {
            try {
                String string = message.getPayload().toString();
                System.out.println("接收到消息：" + string);
            } catch (MessagingException ex) {
                //logger.info(ex.getMessage());
            }
        };
    }
}

六、测试消息

额~ 由于本渣渣对硬件一窍不通，为了模拟硬件的发送消息，只能借助一下工具，其实硬件端实现 MQTT 协议，跟我们前边的基本没什么区别，只不过换种语言嵌入到硬件中而已。

这里选的测试工具为 mqttbox ，下载地址： http://workswithweb.com/mqttbox.html

1、测试消息发送

我们用先用 mqttbox 模拟向主题 mqtt_test_topic 发送消息，看后台是否能成功接收到。

看到后台成功拿到了向主题 mqtt_test_topic 发送的消息。

2、测试消息订阅

用 mqttbox 模拟订阅主题 mqtt_test_topic ，在后台向主题 mqtt_test_topic 发送一条消息，这里我简单的写了个 controller 调用API发送消息。

http://127.0.0.1 :8080/fun/testMqtt?topic=mqtt_test_topic&message=我是后台向主题 mqtt_test_topic 发送的消息

我们看 mqttbox 的订阅消息，已经成功的接收到了后台的消息，到此我们的 MQTT 通信环境就算搭建成功了。如果把 mqttbox 工具换成具体硬件设备，整个流程就是我们常说的智能家居了，其实真的没那么难。

七、应用注意事项

在我们实际的生产环境中遇到过的问题，这里分享一下让大家少踩坑。

clientId 要唯一

在客户端 connect 连接的时，会有一个 clientId 参数，需要每个客户端都保持唯一的。但我们在开发测试阶段 clientId 直接在代码中写死了，而且服务都是单实例部署，并没有暴露出什么问题。 

MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter(mqttConfig.getClientId(), mqttClientFactory(), mqttConfig.getDefaultTopic());

然而在生产环境内侧的时候，由于服务是多实例集群部署，结果出现了下边的奇怪问题。同一时间内只能有一个客户端能拿到消息，其他客户端不但不能消费消息，而且还在不断的掉线重连： Lost connection: 已断开连接; retrying... 。

这就是由于 clientId 相同导致客户端间相互竞争消费，最后将 clientId 获取方式换成从发号器中拿，问题就好了，所以这个地方是需要特别注意的。

平时程序在开发环境没问题，可偏偏到了生产环境就一大堆问题，很多都是因为服务部署方式不同导致的。所以多学习分布式还是很有必要的。

八、其他中间件

MQTT 它只是一种协议，支持 MQTT 协议的消息中间件产品非常多，下边的也只是其中的一部分

  • Mosquitto
  • Eclipse Paho
  • RabbitMQ
  • Apache ActiveMQ
  • HiveMQ
  • JoramMQ
  • ThingMQ
  • VerneMQ
  • Apache Apollo
  • emqttd Xively
  • IBM Websphere

…..

总结

我也是第一次做和硬件相关的项目，之前听到智能家居都会觉得好高大上，但实际上手开发后发现，技术嘛万变不离其宗，也只是换种用法而已。

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