MQTT简介和如何通过MQTT进行数据传输

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：

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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

1. 安装

sudo apt install mosquitto

2. 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。

3. 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()

可以在跟mosquitto所在的同一台机器上运行上面两个脚本，否则就要修改代码中的host为mosquitto实际的IP地址，还要确保网络没有限制。

测试的时候，要先运行subscriber，然后再运行publisher，否则subscriber很可能接收不到数据。