springboot + rabbitmq 做智能家居，我也沒想到會這么簡單

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前一段有幸參與到一個智能家居項目的開發，由於之前都沒有過這方面的開發經驗，所以對智能硬件的開發模式和技術棧都頗為好奇。

產品是一款可燃氣體報警器，如果家中燃氣泄露濃度到達一定閾值，報警器檢測到並上傳氣體濃度值給后台，后台以電話、短信、微信等方式，提醒用戶家中可能有氣體泄漏。

用戶還可能向報警器發一些關閉報警、調整音量的指令等。整體功能還是比較簡單的，大致的邏輯如下圖所示：

但當我真正的參與其中開發時，其實有一點小小的失望，因為在整個研發過程中，並沒用到什么新的技術，還是常規的幾種中間件，只不過換個用法而已。

技術選型用rabbitmq 來做核心的組件，主要考慮到運維成本低，組內成員使用的熟練度比較高。

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下面和小伙伴分享一下如何用 springboot + rabbitmq 搭建物聯網（IOT）平台，其實智能硬件也沒想象的那么高不可攀！

很多小伙伴可能有點懵？rabbitmq 不是消息隊列嗎？怎么又能做智能硬件了？

其實rabbitmq有兩種協議，我們平時接觸的消息隊列是用的AMQP協議，而用在智能硬件中的是MQTT協議。

一、什么是 MQTT協議？

MQTT 全稱(Message Queue Telemetry Transport)：一種基於發布/訂閱（publish/subscribe）模式的輕量級通訊協議，通過訂閱相應的主題來獲取消息，是物聯網（Internet of Thing）中的一個標准傳輸協議。

該協議將消息的發布者（publisher）與訂閱者（subscriber）進行分離，因此可以在不可靠的網絡環境中，為遠程連接的設備提供可靠的消息服務，使用方式與傳統的MQ有點類似。

TCP協議位於傳輸層，MQTT 協議位於應用層，MQTT 協議構建於TCP/IP協議上，也就是說只要支持TCP/IP協議棧的地方，都可以使用MQTT協議。

二、為什么要用 MQTT協議？

MQTT協議為什么在物聯網（IOT）中如此受偏愛？而不是其它協議，比如我們更為熟悉的 HTTP協議呢？

• 首先HTTP協議它是一種同步協議，客戶端請求后需要等待服務器的響應。而在物聯網（IOT）環境中，設備會很受制於環境的影響，比如帶寬低、網絡延遲高、網絡通信不穩定等，顯然異步消息協議更為適合IOT應用程序。

• HTTP是單向的，如果要獲取消息客戶端必須發起連接，而在物聯網（IOT）應用程序中，設備或傳感器往往都是客戶端，這意味着它們無法被動地接收來自網絡的命令。

• 通常需要將一條命令或者消息，發送到網絡上的所有設備上。HTTP要實現這樣的功能不但很困難，而且成本極高。

三、MQTT協議介紹

前邊說過MQTT是一種輕量級的協議，它只專注於發消息， 所以此協議的結構也非常簡單。

MQTT數據包

在MQTT協議中，一個MQTT數據包由：固定頭（Fixed header）、 可變頭（Variable header）、 消息體（payload）三部分構成。

• 固定頭（Fixed header），所有數據包中都有固定頭，包含數據包類型及數據包的分組標識。
• 可變頭（Variable header），部分數據包類型中有可變頭。
• 內容消息體（Payload），存在於部分數據包類，是客戶端收到的具體消息內容。

1、固定頭

固定頭部，使用兩個字節，共16位：

(4-7)位表示消息類型，使用4位二進制表示，可代表如下的16種消息類型，不過 0 和 15位置屬於保留待用，所以共14種消息事件類型。

DUP Flag（重試標識）

DUP Flag：保證消息可靠傳輸，消息是否已送達的標識。默認為0，只占用一個字節，表示第一次發送，當值為1時，表示當前消息先前已經被傳送過。

QoS Level（消息質量等級）

QoS Level：消息的質量等級，后邊會詳細介紹

RETAIN（持久化）

• 值為1：表示發送的消息需要一直持久保存，而且不受服務器重啟影響，不但要發送給當前的訂閱者，且以后新加入的客戶端訂閱了此Topic，訂閱者也會馬上得到推送。
  注意：新加入的訂閱者，只會取出最新的一個RETAIN flag = 1的消息推送。

• 值為0：僅為當前訂閱者推送此消息。

Remaining Length（剩余長度）

在當前消息中剩余的byte(字節)數，包含可變頭部和消息體payload。

2、可變頭

固定頭部僅定義了消息類型和一些標志位，一些消息的元數據需要放入可變頭部中。可變頭部內容字節長度 + 消息體payload = 剩余長度。

可變頭部居於固定頭部和payload中間，包含了協議名稱，版本號，連接標志，用戶授權，心跳時間等內容。

可變頭存在於這些類型的消息：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

3、消息體payload

消息體payload只存在於CONNECT、PUBLISH、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE這幾種類型的消息：

• CONNECT：包含客戶端的ClientId、訂閱的Topic、Message以及用戶名和密碼。
• PUBLISH：向對應主題發送消息。
• SUBSCRIBE：要訂閱的主題以及QoS。
• SUBACK：服務器對於SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進行確認和回復。
• UNSUBSCRIBE：取消要訂閱的主題。

消息質量（QoS ）

消息質量（Quality of Service），即消息的發送質量，發布者（publisher）和訂閱者（subscriber）都可以指定qos等級，有QoS 0、QoS 1、QoS 2三個等級。

下邊分別說明一下這三個等級的區別。

1、Qos 0：At most once（至多一次），只發送一次消息，不保證消息是否成功送達，沒有確認機制，消息可能會丟失或重復。

2、Qos 1：At least once（至少一次），相對於QoS 0而言Qos 1增加了ack確認機制，發送者（publisher）推送消息到MQTT代理（broker）時，兩者自身都會先持久化消息，只有當publisher 或者 Broker分別收到 PUBACK確認時，才會刪除自身持久化的消息，否則就會重發。

但有個問題，盡管我們可以通過確認來保證一定收到客戶端 或 服務器的message，可我們卻不能保證僅收到一次message，也就是當客戶端publisher沒收到Broker的puback或者 Broker沒有收到subscriber的puback，那么就會一直重發。

publisher -> broker 大致流程：

1. publisher store msg -> publish ->broker （傳遞message）
2. broker -> puback -> publisher delete msg （確認傳遞成功）

3、Qos 2：Exactly once（只有一次），相對於QoS 1，QoS 2升級實現了僅接受一次message，publisher 和 broker 同樣對消息進行持久化，其中 publisher 緩存了message和 對應的msgID，而 broker 緩存了 msgID，可以保證消息不重復，由於又增加了一個confirm 機制，整個流程變得復雜很多。

publisher -> broker 大致流程：

1. publisher store msg -> publish ->broker -> broker store
2. msgID（傳遞message） broker -> puberc （確認傳遞成功）
3. publisher -> pubrel ->broker delete msgID （告訴broker刪除msgID）
4. broker -> pubcomp -> publisher delete msg （告訴publisher刪除msg）

LWT（最后遺囑）

LWT 全稱為 Last Will and Testament，其實遺囑是一個由客戶端預先定義好的主題和對應消息，附加在CONNECT的數據包中，包括遺願主題、遺願 QoS、遺願消息等。

當MQTT代理 Broker 檢測到有客戶端client非正常斷開連接時，再由服務器主動發布此消息，然后相關的訂閱者會收到消息。

舉個栗子：聊天室中所有人都訂閱一個叫talk的主題 ，但小富由於網絡抖動突然斷開了鏈接，這時聊天室中所有訂閱主題 talk的客戶端都會收到一個 “小富離開聊天室” 的遺願消息。

遺囑的相關參數：

• Will Flag：是否使用 LWT，1 開啟
• Will Topic：遺願主題名，不可使用通配符
• Will Qos：發布遺願消息時使用的 QoS
• Will Retain：遺願消息的 Retain 標識
• Will Message：遺願消息內容

那客戶端Client 有哪些場景是非正常斷開連接呢？

• Broker 檢測到底層的 I/O 異常；
• 客戶端 未能在心跳 Keep Alive 的間隔內和 Broker 進行消息交互；
• 客戶端 在關閉底層 TCP 連接前沒有發送 DISCONNECT 數據包；
• 客戶端 發送錯誤格式的數據包到 Broker，導致關閉和客戶端的連接等。

注意：當客戶端通過發布 DISCONNECT 數據包斷開連接時，屬於正常斷開連接，並不會觸發 LWT 的機制，與此同時Broker 還會丟棄掉當前客戶端在連接時指定的相關 LWT 參數。

四、MQTT協議應用場景

MQTT協議廣泛應用於物聯網、移動互聯網、智能硬件、車聯網、電力能源等領域。使用的場景也是非常非常多，下邊列舉一些：

• 物聯網M2M通信，物聯網大數據采集
• Android消息推送，WEB消息推送
• 移動即時消息，例如Facebook Messenger
• 智能硬件、智能家具、智能電器
• 車聯網通信，電動車站樁采集
• 智慧城市、遠程醫療、遠程教育
• 電力、石油與能源等行業市場

五、代碼實現

具體 rabbitmq 的環境搭建就不贅述了，網上教程比較多，有條件的用服務器，沒條件的像我搞個Windows版的也很快樂嘛。

1、啟用 rabbitmq的mqtt協議

我們先開啟 rabbitmq 的 mqtt協議，因為默認安裝下是關閉的，命令如下：

rabbitmq-plugins enable rabbitmq_mqtt

2、mqtt 客戶端依賴包

上一步中安裝rabbitmq環境並開啟 mqtt協議后，實際上mqtt 消息代理服務就搭建好了，接下來要做的就是實現客戶端消息的推送和訂閱。

這里使用spring-integration-mqtt、org.eclipse.paho.client.mqttv3兩個工具包實現。

<!--mqtt依賴包-->
<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、消息發送者

消息的發送比較簡單，主要是應用到@ServiceActivator注解，需要注意messageHandler.setAsync屬性，如果設置成false，關閉異步模式發送消息時可能會阻塞。

@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 對外提供發送消息的API時，需要使用@MessagingGateway 注解，去提供一個消息網關代理，參數defaultRequestChannel 指定發送消息綁定的channel。

可以實現三種API接口，payload 為發送的消息，topic 發送消息的主題，qos 消息質量。

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

    // 向默認的 topic 發送消息
    void sendMessage2Mqtt(String payload);
    // 向指定的 topic 發送消息
    void sendMessage2Mqtt(String payload,@Header(MqttHeaders.TOPIC) String topic);
    // 向指定的 topic 發送消息，並指定服務質量參數
    void sendMessage2Mqtt(@Header(MqttHeaders.TOPIC) String topic, @Header(MqttHeaders.QOS) int qos, String payload);
}

4、消息訂閱

消息訂閱和我們平時用的MQ消息監聽實現思路基本相似，@ServiceActivator注解表明當前方法用於處理MQTT消息，inputChannel 參數指定了用於接收消息的channel。

/**
 * @Author: xiaofu
 * @Description: 消息訂閱配置
 * @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 消息訂閱
     * @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、測試消息

額~ 由於本渣渣對硬件一竅不通，為了模擬硬件的發送消息，只能借助一下工具，其實硬件端實現MQTT協議，跟我們前邊的基本沒什么區別，只不過換種語言嵌入到硬件中而已。

這里選的測試工具為mqttbox，下載地址：http://workswithweb.com/mqttbox.html

1、測試消息發送

我們用先用mqttbox模擬向主題mqtt_test_topic發送消息，看后台是否能成功接收到。

看到后台成功拿到了向主題mqtt_test_topic發送的消息。

2、測試消息訂閱

用mqttbox模擬訂閱主題mqtt_test_topic，在后台向主題mqtt_test_topic發送一條消息，這里我簡單的寫了個controller調用API發送消息。

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

我們看mqttbox的訂閱消息，已經成功的接收到了后台的消息，到此我們的MQTT通信環境就算搭建成功了。如果把mqttbox工具換成具體硬件設備，整個流程就是我們常說的智能家居了，其實真的沒那么難。

七、應用注意事項

在我們實際的生產環境中遇到過的問題，這里分享一下讓大家少踩坑。

clientId 要唯一

在客戶端connect連接的時，會有一個clientId 參數，需要每個客戶端都保持唯一的。但我們在開發測試階段clientId直接在代碼中寫死了，而且服務都是單實例部署，並沒有暴露出什么問題。

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

然而在生產環境內側的時候，由於服務是多實例集群部署，結果出現了下邊的奇怪問題。同一時間內只能有一個客戶端能拿到消息，其他客戶端不但不能消費消息，而且還在不斷的掉線重連：Lost connection: 已斷開連接; retrying...。

這就是由於clientId相同導致客戶端間相互競爭消費，最后將clientId獲取方式換成從發號器中拿，問題就好了，所以這個地方是需要特別注意的。

平時程序在開發環境沒問題，可偏偏到了生產環境就一大堆問題，很多都是因為服務部署方式不同導致的。所以多學習分布式還是很有必要的。

八、其他中間件

MQTT它只是一種協議，支持MQTT協議的消息中間件產品非常多，下邊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
  .....

總結

我也是第一次做和硬件相關的項目，之前聽到智能家居都會覺得好高大上，但實際上手開發后發現，技術嘛萬變不離其宗，也只是換種用法而已。

雙手奉上項目 demo 的github地址 ：https://github.com/chengxy-nds/springboot-rabbitmq-mqtt.git

感興趣的小伙伴可以下載跑一跑，實現起來非常的簡單。

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