【内部分享】MQTT协议解读及使用经验

「只要有人的地方，就有物联网技术。」我不清楚这句话的出处，我只知道有人的地方就有江湖~哈哈。我想说的是，「物联网技术」这个名词是一个很大很泛的概念，我可以说不存在这种技术，我也可以说这技术实际上就是当今电子、通信、计算机三大领域的基础技术。

我在这问题下的回答「物联网和互联网的区别和联系？」简单阐明了物联网和互联网之间的关系。请问，1994年中国接入互联网以来，我们作为互联网原著居民的90后，认为互联网技术又是一种怎样的技术呢？

我就奇了怪了，当初教育局怎么不开一个互联网技术专业？实际上现在也没必要开设互联网专业了，当今大学的计算机系本科所学的大部分内容，就是互联网会用到的技术。其中之一是Web建站技术。

Web 建站技术中，HTML、HTML5、XHTML、CSS、SQL、JavaScript、PHP、ASPNET、Web Services 是什么？ - 张秋怡的回答

什么？你们计算机系不是学这些？来来来，我电脑坏了，过来帮我修一下电脑吧~

总之，互联网是一个时代，物联网，也是一个时代。物联网技术是当今电子、通信、计算机、IT行业技术的大融合。如图，物联网技术的技术组成（简单版）。

# 物联网技术之一：单片机/嵌入式开发

智能硬件，哎，不就是单片机吗？说到底就是一个微控制器，现在出现的智能手表，调光LED灯，蓝牙开锁，WiFi插座等等，说到底不就是单片机开发嘛？单片机，电子和通信专业一般都会教51或AVR、计算机系接触不到。现在流行的Arduino也是单片机开发的一种。

但是要做一款智能硬件，技术上只会单片机编程还是不行的。哎呀嘛什么智能硬件，本质上就是一个电子产品！。所以你要开发一款能拿得出手的智能硬件，电子系统设计必须要会的！

电子系统设计（电子系统设计与实践 (豆瓣)），我不是指《电子系统设计》这本书里的内容，而是一个动手实验过程。要做智能硬件，广看书没用，只会单片机编程也不够的！真正有用的是一个实打实的课程设计，或者一个项目经历。一个电子系统设计流程一般是这样的：

硬件设计阶段：

MCU选择

电路设计（电路图）

验证电路（面包板、万用板）

电路板设计（PCB图）

送工厂打板或自己做板

元器件、物料管理（采购等）

拿到电路板后

焊接芯片和元器件

上电测试

烧写最后版本的代码到芯片里

如果你熟悉以上硬件设计阶段，并知道要做什么事情，已经是一个合格的单片机硬件工程师了哈~接下来就是单片机软件工程师的事情了，单片机软件一般都不会太复杂，有的还是不用上 *** 作系统的裸机开发，做过单片机课程设计的学生都懂。

软件设计流程：

确定软件架构（主循环？状态机轮询？）

编写软件

调试代码（开发板或自己搭建好的电路）

烧写最终版本的代码到电路里

这些都不算复杂了，如果你用的芯片高级一点，不是微控制器而是微处理器的话，那么就是嵌入式开发了。

如图是ARM芯片架构系列。

一般网上STM32开发板的芯片是STM32F103，也就是Cortex-M3核，还算是单片机开发，如果外设没有太多功能，单片机想用更小巧一点的，可以选用M0核的芯片，名副其实的微控制器了。如果使用Cortex-A9开发，你这是要开发手机还是机顶盒（黑人问号）？

Cortex-A系列芯片的开发，或者说这类产品，一般一个人不可能独立完成所有工作，这种嵌入式开发的技术最少分为四个层次：硬件层、驱动层、系统层和应用层。每一层次都需要有人去设计。驱动和系统可以移植，硬件电路板肯定要专门的硬件工程师去做的，应用层可以交给应用工程师，只要上了Linux系统，不也就是Linux应用开发嘛？如果去网上买回来的嵌入式开发板，能拿得出手的项目只能应用层开发，比如什么「数码相框系统」、「视频点播系统」。别告诉我学会移植uboot或Linux就可以找工作了。

# 物联网技术之二：网络通信协议

智能硬件与传统的电子产品最大的差别，就是智能硬件连上了网络。要连上网络，就需要用到网络通信模块及学习网络通信协议——TCP/IP。

TCP/IP是一个技术的总称，里面包含两种协议TCP、UDP，位于网络通信分层模型的传输层，同时也是由 *** 作系统管理。而>

为了让电子产品有联网的能力，只要在电路设计上给主控芯片连接一个通信模块，写好收发网络指令的代码，剩下的就是电子产品设计了。

到这里，基本是一个物联网产品的雏形了，以上也是物联网中基本会用到的电子和通信技术。

# 物联网技术之三：服务端开发框架

Client/Server架构，即客户端/服务器架构。智能硬件连上后台服务器后，其就是一个客户端，一个终端。由于单片机中资源受限，实际上是不太可能用>

服务端开发就比较复杂了。单片机/嵌入式软件开发还好，只要学习好C语言即可打遍天下无敌手，而服务端开发，用Java呢还是Python还是PHP？反正Java和Python选一个就好了，嵌入式出身的工程师，一般都会学Python。

Python服务器端的开发框架种类繁多，Web开发的有Django、Flask、Tornado Web Server，TCP服务器可以用Twisted，等等。MQTT有已经做好的服务器，像这样的服务器不用自己开发，直接部署即可。

如图，这是我开发一个智能硬件的服务器端的框架图。使用Redis作为>

在这个项目开发中，最少需要开发用户端的>

到了这里，服务端开发和前面两个技术可以作为一个分层，前面的单片机/嵌入式和网络通信的开发可以算作是一个电子设备的开发，后台工程师只要拿到了这个电子设备，知道这个设备提供了哪些接口（API），就可以进行后台开发了——把设备连上网络，分配给它一个IP或者什么的，配置好接口及相关 *** 作，剩下的事情就交给前端了。

## 关于前端技术

关于前端技术，我这里不好单独写一个主题，其一，我对前端技术没有那么熟悉，还处于前端技术=HTML+JavaScript+CCS的概念，以及手机端的APP开发；其二，前端技术与电子硬件技术间隔相差太远，前端更多的是和美工沟通，和后台协调，和设计师交流，甚至可能还需要有一定的美感；其三，大部分项目的最重要的是实现设备的稳定性、联网、数据的获取和控制。如果设备不稳定，数据出现差错，没法控制，再漂亮的前端页面也没用。其四，如果是做智能家居，做消费电子领域的项目，针对广大普通消费者，比如WiFi插座，一个漂亮的界面是很重要，但是大多数的物联网项目，只需要一个后台管理界面就行了。

所以，没有前端的设计，界面都是很丑咯！

# 物联网技术之四：无线自组网

无线自组网，或称无线传感网络，这肯定是物联网专业的学生要学的一门学科，属于通信领域，电子、计算机出身的人对这没有太多的概念。无线自组网最典型的技术之一是，ZigBee。

什么是自组网？做个对比，比如我们的WiFi，我们要用手机去连一个SSID，输入密码才能连上WiFi，而且你的手机，一般来说也不可能再发射Wifi出去让其他手机连接，WiFi网络拓扑成星型网。

而自组网不一样，不需要用户输入用户名和密码，直接连到最近的一个自组网设备，最后自组网设备也可以作为一个中间节点，让下一级的设备连接进来，网络拓扑可以成星型网、簇型网和网型网。那么无线自组网的数据怎么流动呢？流去哪？无线自组网一般都会有一个数据汇聚的地方，这个地方就是网关。

但是ZigBee并没有连上互联网啊，它最多只是一个局域网！——这还不简单？这是就是网关要处理的事情了。而且，ZigBee协议栈Z-Stack是有Linux网关版本的。

Z-Stack - ZigBee 协议栈

不过呢，由于各种原因，ZigBee开始走下坡路了，最新的6LoWPAN会逐渐替代。6LoWPAN，是一种低功耗的无线网状网络，其中每个节点都有自己的 IPv6 地址，允许其使用开放标准直接连接到互联网。Zigbee使用网内专用地址，互联网主机无法访问。集成 Ipv6/6LoWPAN 堆栈的开源 *** 作系统Contiki也会逐步取代Z-Stack。

如果大学开设了无线自组网的课程，不是学习ZigBee的Z-Stack就是Contiki。使用无线自组网也并不是一个单独的开发过程，其技术需要结合单片机/嵌入式开发。

## 电源问题

是的，如果要用无线自组网，电池续航的能力是一个问题。如果是类似与WiFi插座、智能饮水机、智能风扇等等，接上市电就能用，这些电源都不是问题。而对于无线自组网，往大的方向说就是所有的便携式智能设备，都受限于电池续航能力，比如智能手表，运动手环。不过呢，突破电池技术并不是物联网开发者所需要做的工作，我们能做的，只能是挑选更低功耗的芯片，设计电路功耗更低一点，让单片机休眠并使用中断唤醒机制。

图，用水果电池供电的某430单片机系统。

# 物联网技术之五：RFID

仔细观察上面那张无线技术的图，最右边，NFC/RFID。嗯，对，RFID，非接触射频识别，也是物联网技术重中之重的技术，很多物联网书籍都会介绍RFID，搞得很多人以为RFID就是物联网。

介绍RFID前先简单说一下条形码。去超市购物的时候，收银员把扫描q对准上面的条形码扫一扫，商品信息和价格就录入到电脑里了。条形码替代了收银员手动输入数据，工作效率提高了几倍。

可是，进入21世纪后，条形码已经不能满足人们的需求，存储能力小、工作距离近、穿透能力弱、不能写 *** 作等等都是条形码的缺点。这个时候就出现了RFID技术。典型应用如下图：

（。。。好像没有什么奇怪的啊？）

一二线城市早已实现了的公交卡，以及校园一卡通，用的就是RFID技术。RFID可读可写，所以公交卡、校园卡的钱能存在卡里面。

NFC，也是RFID的技术一种，目前大部分手机都支持的NFC功能，手机取代公交卡真的是迟早的事。要是手机没有NFC功能，也可以这么装逼：

上班，在地铁里碰到同事。
我看他用手机刷卡出入站挺方便，就问他怎么弄的，是不是要下载什么软件。
他告诉我：“这个很简单，只要把公交卡藏在手机套里就行了。”

同样，RFID开发也是离不开单片机开发，网上也有相关的RFID开发套件出售。

# 结语

当然，物联网技术绝对不止以上五种，物联网本身就是所有技术的大融合，做电子产品的还要考虑产品外壳，不过这是结构工程师的事情；做服务器后台的还要考虑用户帐号数据库读写等，前端也要考虑如何把设备数据和 *** 作方式优雅的展现给用户看，这些是IT程序员的事情；电池技术也需要单方面突破，超小体积、超大容量，这个还得等待多时。

与其说物联网是一种技术吧，不如说它是一个时代，物联网通过对相关技术进行整合，形成一个时代的概念，是一个建立在技术基础之上的时代。

实在看不下去了，网上怎么竟是些胡说八道的呢。太坑人。MQTT（Message
Queuing
Telemetry
Transport，消息队列遥测传输）是IBM开发的一个即时通讯协议，activemq只是apache下一个队列项目，不仅仅支持MQTT协议，也支持其他比如AMQP等协议。MQTT是协议，协议只是定义好的规则，比如文档也是协议。activemq只是实现了MQTT协议的一个程序

以原生支持“MQTT协议”切入物联网战场
原生支持MQTT协议成为百度开放云推出的物联网服务一大特点。首先需要解读的是，为什么百度开放云会选择“MQTT协议”？
百度开放云支持的MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是国际物联网标准协议，旨在为低带宽和不稳定的网络环境中的物联网设备提供可靠的网络服务，可以适应各种物联网应用场景。
相对于其它标准协议，MQTT属于轻量级双向消息传输协议，主要优势是开源、可靠、轻巧、简单。MQTT的传输格式非常精小，最小的数据包只有2个比特，且无应用消息头。MQTT可以保证消息的可靠性，它包括三种不同的服务质量（最多只传一次、最少被传一次、一次且只传一次），如果客户端意外掉线，可以使用“遗愿”发布一条消息，同时支持持久订阅。
MQTT在物联网应用中的主要优势有：一，可靠传输。MQTT可以保证消息可靠安全的传输，并可以与企业应用简易集成；二，消息推送。支持消息实时通知、丰富的推送内容、灵活的Pub-Sub以及消息存储和过滤。三，低带宽、低耗能、低成本。占用移动应用程序带宽小，并且带宽利用率高，耗电量较少。
MQTT的优势还表现在安全性。安全设计对于物联网项目而言，是需要非常重视的问题，但是却常常容易被工程师所轻视。今年央视315晚会，揭秘了无人机、智能摄像头、智能POS机、智能汽车、洗衣机、电烤箱、智能插座等智能家居存在的三大安全隐患——泄露隐私、财产损失、甚至危及生命安全。而MQTT协议则可以提供多层次的安全特性，在传输层上可以使用TLS加密；在应用层提供了客户标识（Client Identifier）以及用户名密码，不但传输的内容是二进制字节，而且还受惠于传输层的TLS加密。
MQTT开放协议已有17年历史，先期在2014年被国际标准化组织定义为物联网的推荐协议。在应用层传输协议这个领域，它已经走在了其它协议的前面。正因为MQTT的综合优势非常突显，业界不少专家认为，MQTT非常适合各种物联网场景，有望是未来最主流的物联网标准协议。
原生支持“MQTT协议”背后旨在推动物联网标准化
接下来的问题是，那么为什么百度开放云要在国内率先成为原生支持MQTT协议的公有云服务商？
在笔者看来，首先，这和百度开放云在物联网行业的核心目标有着紧密的关系。在去年的“百度世界2015”开放云论坛上,百度开放云高层曾对物联网的发展战略做出阐述，指出：打破行业与行业之间的界限，以“连接人与服务”为核

本文将介绍使用 Node-RED 连接到 MQTT 服务器，并对 MQTT 数据进行过滤和处理后再将其发送至 MQTT 服务器的完整 *** 作流程。读者可以快速了解如何使用 Node-RED 对 MQTT 数据进行简单的流处理。

Node-RED 无论是在你本地的电脑上，还是树莓派等设备，亦或是云端服务器，都可以快速安装和使用，下面将使用两种比较常见的安装方式：

使用 npm 进行全局安装：

使用 Docker 进行安装：

如果使用的是 npm 进行的全局安装，那么在提示安装成功后，只需要在全局运行 node-red 命令就可以立即启动 Node-RED。

无论是使用 Docker 还是 npm 在启动成功后，我们只需要打开浏览器，输入当前地址加 1880 端口号，即可打开 Node-RED 的浏览器编辑器页面，例如在本地运行的话，打开浏览器，输入 >从智能电灯到共享单车、从智能井盖到智慧农业，物联网的行业跨度非常大。毫不夸张的讲，所有行业都和物联网有关联。
应用场景分散化，技术集中化
物联网的应用场景，总结下来很一致：采集+传输+计算+展示（或反向）
物联网终端采集数据、把数据传输给服务器、服务器存储和处理数据、把数据展示给用户。
例如智能水表，水表采集到用水数据、无线传输给服务器、服务器存储并计算、展示给用户查询和缴费。
再例如共享单车，正向过程是：单车获取GPS位置数据、通过2G网络上报给服务器、服务器记录单车位置信息、用户在APP端查看单车位置。反向过程是：用户向服务器发出开锁的要求、服务器通过2G网络把开锁指令下发给单车，单车执行开锁指令。
大大小小的物联网应用，都是基于正向数据采集和反向指令控制这两个流程来实现的。
终端处理器的选择
物联网终端，主要是采集数据和执行指令。采集的数据如温湿度、位置、语音、图像视频等。执行的指令通常是开关和动作，如电机控制、内容显示等。
简单的数据指令，一般采用单片机。
语音图像视频和内容显示等复杂数据，一般采用多核ARM的Linux或Android处理器。
对于物联网行业初学者，可以先从单片机开始了解，像智能锁、水表、路灯控制、智能家居等清一色都是单片机内核的。
传输方式的选择
物联网，肯定要联网。联网方式有这些：
低功耗近距离，用BLE或Zigbee。
低功耗远距离，用NB-IOT或2G
大数据近距离，用WIFI
大数据远距离，用4G网络
网络布局上，远距离的网络直接连基站，无需自己布设网络节点。而近距离的网络都需要有一个网络节点，先把终端数据传给节点，节点再接入广域网。
远距离传输比近距离传输的价格更贵、功耗更高，合理利用远近搭配，能够有效降低物联网终端的成本。
例如原本的摩拜单车采用2G网络解锁，必须要保持数据长连接或使用下行短信开锁，功耗高费用大，而青桔单车抛弃了远程解锁，直接使用手机的蓝牙解锁单车，节省了数据流量、降低了功耗、还能提高开锁速度。
再例如农业物联网，在一个大范围内的农田中布设多个土壤传感器，如果都使用2G网络上报数据，也存在终端成本高、数据流量大的问题。而如果采用自组网的方式先构成局域网，再统一从一个2G数据节点和服务器对联，总体成本就会降低一些。
云服务的设计
物联网的云服务器和APP的设计，和互联网基本是一致的，JAVA、PHP、ASP都可以用来做物联网的后台处理。
移动互联网是“人--服务器--人”的架构，物联网是“物--服务器--人”的架构，两者本质是相同的，物联网终端设备也采用TCP、>