Linkit 7688 DUO(六) 加入MQTT物聯網協議

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Linkit 7688 DUO(六) 加入MQTT物聯網協議

本篇介紹 將 MQTT物聯網協議載入到 Linkit 7688 DUO開發板上 ( 其中的源碼和方法也適用於所有的Linux系統、也適合於Windows系統)

MQTT是IBM開發的一種物聯網即時通訊協定，該協議支援所有平台，幾乎可以把所有連網物品、電腦APP、手機APP、網頁等串連起來，讓它們隨時相互交換資訊。

有了MQTT協議，Linkit 7688開發板就可以稱得上物聯網開發板了，可以實現很多情境，比如：手機遠端控制、網頁遠端控制、伺服器監測物體狀態等等。

一、MQTT協議簡介

1，MQTT是一種基於TCP的網路訊息協議，用於發送和接收訊息。 

在一個MQTT網路中，有一個伺服器和多個用戶端。 每個用戶端以TCP Socket與伺服器串連，並保持為長串連。

用戶端可以是一個連網物體、電腦軟體、手機APP、甚至是網頁。如：

2,  訊息傳輸採取發布/訂閱（publish/subscribe）模式。

  用戶端發行就緒(publish)訊息， 每個訊息由一個主題(topic)和一個訊息內容組成。比如：某溫度感應器發布一個訊息： topic = "sensor1/temperature"， message="25“

  用戶端可以訂閱(subscribe)一個或多個主題的訊息。 當網路中有人發布了這些主題的訊息，則用戶端將收到這條訊息。比如： 手機App訂閱了 “sensor1/temperature"訊息，則上述訊息將被收到, 手機App就知道sensor1的溫度值了。

  由於用戶端與伺服器保持著Socket長串連，訊息將立即即時推送到用戶端，也就是說：PUSH到用戶端。

  MQTT伺服器的主要作用是接收-轉寄：接收訊息、判斷哪些客訂閱了該主題的訊息，PUSH給相應用戶端。

  這種機制，可以實現一對一發送訊息，也可以實現一對多發送訊息（群發）。

應用情境舉例：

情境1：  手機APP發布查溫度的訊息， 各個感應器裝置收到訊息後，發布溫度訊息。則手機就可以收集到各個感應器的溫度。

情境2：  當火警感應器裝置檢測到起火後，發布訊息。 則訂閱了該類型訊息的手機、電腦等均可立即收到火警。

3，MQTT的訊息包傳輸資料量很小（固定長度的頭部僅為 2 位元組），能充分降低網路流量，非常適合於低頻寬、不可靠串連、嵌入式裝置。 

同時非常適合於手機等移動通訊環境，可以省流量、省電。因此，有人用MQTT作為手機PUSH使用。

4， 為保障訊息有效率到達，MQTT定義了三種訊息發布服務品質(Qos， Quality Of Service)：

“至多一次”（At most once)，開銷最小，訊息發布完全依賴底層 TCP/IP 網路，會發生訊息丟失或重複。這一層級可用於如下情況，環境感應器資料，丟失一次讀記錄無所謂，因為不久後還會有第二次發送。
“至少一次”(At least once)，確保訊息到達，但訊息重複可能會發生。
“只有一次”(Exactly once)，確保訊息到達一次。這一層級可用於如下情況，在計費系統中，訊息重複或丟失會導致不正確的結果。常用於精確控制。

每一條訊息都可以有自己的Qos定義。每一個客訂閱某主題時，也可以指定Qos.

5， MQTT協議由IBM公司於1999年提出，經過多年發展已比較成熟，目前版本是3.1.1。伺服器和用戶端均有多個開源實現，支援各類作業系統和開發語言。

二、適合嵌入式裝置的MQTT協議用戶端（C語言實現）

對於Linkit 7688開發板，我選取 “Eclipse Paho C” 的MQTT 用戶端開原始碼庫 。其首頁在這：https://www.eclipse.org/paho/clients/c/

這個程式碼程式庫是IBM公司提供的，Eclipse項目組維護的，可以稱為官方的。

我的使用方式是：　將它作為一個函數庫，　在Linkit 7688上編寫C語言程式，實現MQTT訊息收發。

這個庫有一點點複雜，需要對協議比較瞭解。如果你要完全搞懂它，需要先讀它的文檔(http://www.eclipse.org/paho/files/mqttdoc/Cclient/index.html)

我們一般總是喜歡把複雜的事情簡單化，因此，我對這個庫進行了封裝,  變成幾個函數, 不需要懂太多就可以用.

庫和常式在我的資源中下載：  其中mqtt目錄是Paho C所有的庫檔案( 原有的檔案都沒改，我增加了 mqtt_client.c ,  mqtt_client.h 兩個檔案)，使用時將mqtt目錄複寫到你的專案檔夾中即可。

在使用前，需要有一個測試用的MQTT伺服器， 我用的是 IBM提供的測試伺服器：  messagesight.demos.ibm.com， 連接埠是1883 (1883是MQTT的預設連接埠)

同時需要有一個測試用的MQTT用戶端作為對端，我用的是IBM提供的網頁版MQTT用戶端：http://m2m.demos.ibm.com/mqttclient/

1, 在Linkit 7688上編一個發送MQTT訊息的程式:

  用Eclipse 建立一個交叉編譯項目 ( 開發環境搭建請見：聯發科Linkit 7688 （一） 上手及在Mac下搭建OpenWrt交叉編譯環境，C語言編譯Hello,World)

  將mqtt目錄複寫到你的專案檔夾下。

  建立一個 mqtt_publish.c檔案， 編寫主程式如下：

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <errno.h>#include "mqtt/mqtt_client.h"//這個是我對mqtt_client封裝後的標頭檔int publish(int argc, char ** argv) {mqtt_client *m; //mqtt_client 對象指標int ret; //傳回值char *host = "messagesight.demos.ibm.com:1883";//測試伺服器char *topic = "test_topic"; //主題char *client_id = "clientid33883";//用戶端ID； 對測試伺服器，可以隨便寫char *username = NULL;//使用者名稱，用於驗證身份。對測試伺服器，無。char *password = NULL;//密碼，用於驗證身份。對測試伺服器，無。int Qos; //Quality of Service//create new mqtt client objectm = mqtt_new(host, MQTT_PORT, client_id); //建立對象，MQTT_PORT = 1883if ( m == NULL ) {printf("mqtt client create failure, return  code = %d\n", errno);return 1;} else {printf("mqtt client created\n");}//connect to serverret = mqtt_connect(m, username, password); //串連伺服器if (ret != MQTT_SUCCESS ) {printf("mqtt client connect failure, return code = %d\n", ret);return 1;} else {printf("mqtt client connect\n");}//publish messageQos = QOS_EXACTLY_ONCE; //Qosret = mqtt_publish(m, topic, "hello from Linkit 7688", Qos);//發布訊息printf("mqtt client publish,  return code = %d\n", ret);mqtt_disconnect(m); //disconnectmqtt_delete(m);  //delete mqtt client objectreturn 0;}

主程式分為三個步驟：

1， 調用 mqtt_new()建立 用戶端對象

2， 調用 mqtt_connect() 串連伺服器

3， 調用 mqtt_publish() 發布訊息

用Eclipse編譯項目

如果出現錯誤提示：

undefined reference to `pthread_create’
undefined reference to `pthread_mutexattr_init’

這是因為沒有在編譯串連時包含pthread庫， 解決辦法： 需在GCC中添加 -lpthread 參數。

如果出現錯誤提示：

undefined reference to `dlclose’
undefined reference to `dlopen’
undefined reference to `dlsym
這是因為沒有在編譯串連時包含dl庫， 解決辦法： 需在GCC中添加 -ldl 參數

在eclipse中的操作是:   項目Property =>  C/C++ Build => Settings, 在"Tools Setting"頁，選Cross GCC linker, 在 "Linker flags"編譯框中填入:  -lpthread -ldl

OK, 編譯成功了。

用scp將 mqtt_publish 程式上傳到 linkit 7688：   scp mqtt_publish [email protected]:/root

先準備接收訊息的網頁用戶端： 用瀏覽器開啟 http://m2m.demos.ibm.com/mqttclient/

在Connect欄中， 點Connect.

在Subscribe欄中，將topic設為 test_topic, 按subscribe

OK, 網頁用戶端準備好接收主題(topic)為 test_topic的訊息了。

用SSH登入入Linkit 7688,  運行 mqtt_publish 程式。

運行結果， 顯示mqtt 建立、串連、發布訊息的過程， return code >=0 表示成功：

mqtt client created

mqtt client connect

mqtt client publish,  return code = 1

這時，可以看到瀏覽器中的MQTT網頁用戶端收到了Linkit 7688發布的MQTT訊息

 

成功了： Linkit 7688發布MQTT訊息到伺服器， 網頁用戶端即時收到伺服器推送來的訊息。

2, 在Linkit 7688上編一個接收MQTT訊息的程式:

  用Eclipse 建立一個交叉編譯項目 ( 開發環境搭建請見：聯發科Linkit 7688 （一） 上手及在Mac下搭建OpenWrt交叉編譯環境，C語言編譯Hello,World)

  將mqtt目錄複寫到你的專案檔夾下。

  建立一個 mqtt_subscribe.c檔案， 編寫主程式如下：

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <errno.h>#include <signal.h>#include "mqtt/mqtt_client.h"//這個是我對mqtt_client封裝後的標頭檔int running = 1;void stop_running(int sig){signal(SIGINT, NULL);running = 0;}int main(int argc, char ** argv) {mqtt_client *m; //mqtt_client 對象指標int ret; //傳回值char *host = "messagesight.demos.ibm.com:1883";//測試伺服器char *topic = "test_topic"; //主題char *client_id = "clientid33883";//用戶端ID； 對測試伺服器，可以隨便寫char *username = NULL;//使用者名稱，用於驗證身份。對測試伺服器，無。char *password = NULL;//密碼，用於驗證身份。對測試伺服器，無。int Qos; //Quality of Service//create new mqtt client objectm = mqtt_new(host, MQTT_PORT, client_id); //建立對象，MQTT_PORT = 1883if ( m == NULL ) {printf("mqtt client create failure, return  code = %d\n", errno);return 1;} else {printf("mqtt client created\n");}//connect to serverret = mqtt_connect(m, username, password); //串連伺服器if (ret != MQTT_SUCCESS ) {printf("mqtt client connect failure, return code = %d\n", ret);return 1;} else {printf("mqtt client connect\n");}//subscribeQos = QOS_EXACTLY_ONCE;ret = mqtt_subscribe(m, topic, Qos);//訂閱訊息printf("mqtt client subscribe %s,  return code = %d\n", topic, ret);signal(SIGINT, stop_running);signal(SIGTERM, stop_running);printf("wait for message of topic: %s ...\n", topic);//loop: waiting message, 迴圈while (running) {int timeout = 200;if ( mqtt_receive(m, timeout) == MQTT_SUCCESS ) { //recieve message，接收訊息printf("received Topic=%s, Message=%s\n", m->received_topic, m->received_message);}mqtt_sleep(200); //sleep a while}mqtt_disconnect(m); //disconnectprintf("mqtt client disconnect");mqtt_delete(m);  //delete mqtt client objectreturn 0;}

主程式分為幾個步驟：

1， 調用 mqtt_new()建立 用戶端對象

2， 調用 mqtt_connect() 串連伺服器

3， 調用 mqtt_subscribe() 訂閱訊息

4， 進入迴圈：不斷用 mqtt_receive()檢測有否新訊息，如有，則列印出來。

用Eclipse編譯項目 (記得必須在GCC中加入串連選項：  -lpthread -ldl ）

OK, 編譯成功了。

用scp將 mqtt_subscribe 程式上傳到 linkit 7688：   scp mqtt_subscribe [email protected]:/root

用SSH登入入Linkit 7688,  運行 mqtt_subscribe 程式。則此時出現：

mqtt client created

mqtt client connect

mqtt client subscribe,  return code = 0

wait for message of topic: test_topic ...

顯示程式在等待訊息到來

準備發送訊息的網頁用戶端： 用瀏覽器開啟 http://m2m.demos.ibm.com/mqttclient/

在Connect欄中， 點Connect.

在Publish欄中，將topic設為 test_topic, 將Message設為 “Say hello to linkit 7688” 按publish, 則發出一條MQTT訊息。

這時, 看Linkit 7688 SSH用戶端，可以看到，Linkit7688立即收到了這條MQTT訊息

mqtt client created

mqtt client connect

mqtt client subscribe,  return code = 0

wait for message of topic: test_topic ...

received Topic=test_topic, Message=Say hello to linkit 7688

成功了： Linkit 7688 即時收到了網頁用戶端發來的訊息。

mqtt_subscribe 程式是死迴圈，一直在接收訊息。 可按CTRL+C退出。

通用性： Eclipse Paho C 的 MQTT用戶端代碼，可以運行在Linux、Windows、Mac上。所以，上述的代碼可以用於Linux、Windows、Mac作業系統，編寫各種App。

對於Android手機， Eclipse Paho另提供了Java的程式碼程式庫。

Linkit 7688 DUO(六) 加入MQTT物聯網協議