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

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发布于: 2020 年 06 月 21 日
springboot + rabbitmq 做智能家居,我也没想到会这么简单

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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

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CONNECTPUBLISHSUBSCRIBESUBACKUNSUBSCRIBE这几种类型的消息:



  • CONNECT:包含客户端的ClientId、订阅的TopicMessage以及用户名密码

  • 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 0QoS 1QoS 2三个等级。



下边分别说明一下这三个等级的区别。



1、Qos 0At 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 1At 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Brokerpuback或者 Broker没有收到subscriberpuback,那么就会一直重发。



publisher -> broker 大致流程:



1. publisher store msg -> publish ->broker (传递message)

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



3、Qos 2Exactly once(只有一次),相对于QoS 1QoS 2升级实现了仅接受一次messagepublisherbroker 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:是否使用 LWT,1 开启

  • Will Topic:遗愿主题名,不可使用通配符

  • Will Qos:发布遗愿消息时使用的 QoS

  • Will Retain:遗愿消息的 Retain 标识

  • Will Message:遗愿消息内容



**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 rabbitmqmqtt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-mqttorg.eclipse.paho.client.mqttv3两个工具包实现。



<!--mqtt依赖包-->
<dependency>
<groupId>org.springframework.integration</groupId>
<artifactId>spring-integration-mqtt</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.eclipse.paho</groupId>
<artifactId>org.eclipse.paho.client.mqttv3</artifactId>
<version>1.2.0</version>
</dependency>



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

mqttbox模拟订阅主题mqtt_test_topic,在后台向主题mqtttesttopic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=mqtttesttopic&message=我是后台向主题 mqtttesttopic 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。



双手奉上项目 demo 的github地址 :https://github.com/chengxy-nds/springboot-rabbitmq-mqtt.git



感兴趣的小伙伴可以下载跑一跑,实现起来非常的简单。





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发布于: 2020 年 06 月 21 日 阅读数: 79
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不积跬步,无以至千里 2018.07.03 加入

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