MQTT简介和如何通过MQTT进行数据传输

panzhixiang

发布于 2024-10-30 11:20:23

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一、简介

MQTT 是 Message Queuing Telemetry Transport 的缩写，是一种轻量级的、基于发布/订阅模式的物联网通信协议。它具有以下特点：

简单易用：MQTT 的协议规范很简单，易于学习和使用。
可靠性高：MQTT 使用了 TCP 协议进行传输，具有较高的可靠性。
低延迟：MQTT 使用了发布/订阅模式，可以减少消息传递的延迟。

在机器人应用中，MQTT 可以用于以下场景：

传感器数据上传：使用 MQTT 可以将传感器数据上传到云端或其他机器人系统。
机器人控制：使用 MQTT 可以远程控制机器人。
机器人协作：使用 MQTT 可以实现多个机器人之间的协作。

MQTT 协议由三个主要部分组成：

客户端： MQTT 客户端是发送和接收消息的应用程序。
服务器： MQTT 服务器是处理消息的应用程序。
主题： 主题是消息的路径，用于区分不同类型的消息。

MQTT 协议使用发布/订阅模式进行通信。发布者将消息发布到主题，订阅者订阅主题，并接收发布者发布的消息。 这一点跟ros2里面的topic非常类似

1. MQTT 客户端

MQTT 客户端可以是任何类型的应用程序，包括嵌入式设备、PC 应用程序和 Web 应用程序。MQTT 客户端需要实现 MQTT 协议的三个主要功能：

连接： 客户端连接到 MQTT 服务器。
发布： 客户端发布消息到主题。
订阅： 客户端订阅主题，并接收发布者发布的消息。

2. MQTT 服务器

MQTT 服务器是一个运行 MQTT 协议的应用程序。MQTT 服务器需要实现 MQTT 协议的三个主要功能：

连接： 服务器接受客户端的连接请求。
发布： 服务器将发布者发布的消息传递给订阅者。
订阅： 服务器将订阅者的订阅信息存储起来。

3. MQTT 主题

MQTT 主题是消息的路径，用于区分不同类型的消息。主题的格式为：

/topic/[topic_name]

其中，topic_name 是主题名称。主题名称可以包含字母、数字、下划线和点。

4. MQTT 消息

MQTT 消息由两部分组成：

报头： 报头包含消息的标识符、主题、QoS 等信息。
数据： 数据是消息的内容。

QoS 是消息质量等级，用于控制消息的可靠性。QoS 有三个级别：

0：最多一次传递。
1：至少一次传递。
2：只有一次传递。

二、如何部署一个MQTT服务

1. 选择哪一种MQTT实现方案

根据前面的介绍，可以知道，要想使用MQTT，必须要有一个服务端。这个服务端既可以自己部署，也可以使用公有云提供的服务。

我这里目前选择在本地部署一个服务，但是后面为了稳定和网络问题，应该会选择使用阿里云的MQTT服务。

前面提到，MQTT是一种协议，具体的实现有很多种，我这里选择使用Mosquitto，它由Eclipse基金会维护，实现了MQTT协议版本5、3.1和3.1.1。

以下是一些使用Mosquitto的优点：

轻型： Mosquitto非常小巧，对系统资源要求低，这使得它可以在各种设备上运行，包括嵌入式设备
跨平台： 无论是Linux、Windows还是MacOS，甚至其他更多的操作系统都可以很好地支持Mosquitt
稳定性高： Mosquitto已经存在已久，并且被广泛使用在众多生产环境中，其稳定性得到了验证
活跃的社区： Mosquitto由Eclipse基金会维护，有着积极活跃的开发者和用户社区，这意味着当你遇到问题时，周围有许多人可能可以提供帮助
针对物联网的优化： MQTT协议本身就是为低功耗、不可靠网络设计的，而Mosquitto作为MQTT的实现，在物联网方案上也表现出色
强大的安全机制： Mosquitto支持SSL/TLS，还具备ACL（Access Control Lists）功能，以便您管理谁可以发布或订阅特定主题

让我感到意外的是，RabbiMQ竟然也支持MQTT协议，而且配置很简单，只是默认没有开启这个功能，以后可以试一下，互联网行业的开发者应该对RabbitMQ更熟悉一点。

2. 部署和配置过程

安装

sudo apt install mosquitto

配置

# 创建配置文件
vim /etc/mosquitto/mosquitto.conf
# 填充以下内容
# 端口 
listener 1883 
# 用户名和密码 
allow_anonymous true

注意：我在这里为了本地测试方便，允许匿名访问，但是实际开发应用中不应该这么做。

启动

sudo systemctl start mosquitto

到这里，一个简单MQTT服务端就搭建完成了。

使用MQTT进行数据传输

在ros里面，是有专门的工具帮忙做这一步的，但是ros2里面还没有，不过我看论坛上大家更加推荐使用代码的形式做数据传输。

我使用的是python的paho这个包，首先需要安装

pip install paho

我这里贴两个代码，分别是publisher和subscriber，也就是发布者和订阅者。

1. publisher

import time
import paho.mqtt.client as mqtt


class Publisher:
    def __init__(self, host="127.0.0.1", port=1883, topic="test_channel"):
        self.host = host
        self.port = port
        self.topic = topic
        self.client = mqtt.Client()

        self.client.on_connect = self.on_connect
        self.client.on_publish = self.on_publish

    def on_connect(self, client, userdata, flags, rc):
       print("Connected with result code "+str(rc))

    def on_publish(self, client, userdata, mid):
        print("Message Published ...")

    def start(self, msg="Hello MQTT", times=10, delay=1):
        self.client.connect(self.host, self.port, 60)
        self.client.loop_start()

        for i in range(times):
            time.sleep(delay)
            self.client.publish(self.topic, f"{msg} {i}")


if __name__ == "__main__":
    publisher = Publisher()
    publisher.start()

2. subscriber

import paho.mqtt.client as mqtt


class Subscriber:
    def __init__(self, host="127.0.0.1", port=1883, topic="test_channel"):
        self.host = host
        self.port = port
        self.topic = topic
        self.msg_count = 0
        self.client = mqtt.Client()

        self.client.on_connect = self.on_connect
        self.client.on_message = self.on_message

    def on_connect(self, client, userdata, flags, rc):
        print("Connected with result code "+str(rc))
        self.client.subscribe(self.topic)

    def on_message(self, client, userdata, msg):
        self.msg_count += 1
        print(f"Message {self.msg_count}: {msg.topic} {str(msg.payload)}")

    def start(self):
        self.client.connect(self.host, self.port, 60)
        self.client.loop_forever()


if __name__ == "__main__":
    subscriber = Subscriber()
    subscriber.start()