MQTT服务搭建及python使用示例

1、MQTT协议

1.1、MQTT介绍

        MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的、基于发布/订阅模式的通信协议，通常用于物联网设备之间的通讯。它具有低带宽、低功耗和开放性等特点，适合在网络带宽有限或者网络连接不稳定的环境下使用。MQTT协议使用TCP/IP协议栈进行通讯，支持多种编程语言和平台，并且能够提供可靠的消息传递机制。

        在MQTT中，设备可以发布消息到特定的主题（topic），同时其他设备可以订阅这些主题以接收相应的消息。这种发布/订阅模式使得设备之间的通讯更加灵活和高效。MQTT还支持三种服务质量等级：至多一次（at most once）、至少一次（at least once）和恰好一次（exactly once），以满足不同场景下对消息传递可靠性的需求。

        优点：代码量少，开销低，带宽占用小，即时通讯协议。

1.2、MQTT概念

        订阅(Subscribtion)：订阅包含主题筛选器（ Topic Filter ）和最大服务质量（ QoS ）。订阅会与一个会话（ Session ）关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

        会话（Session）：每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

        主题名（Topic Name）：连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。需要注意的是， MQTT 中消息主题按照层级命名，使用 ‘/’ 进行分割。此外，主题中可以使用通配符进行多个主题或多层级的订阅，有两种常见的通配符：

        单层通配符 + ：单层通配符只能匹配一层的主题，例如： China/Beijing/+ ，可以匹配的只有 Beijing 这个主 题下面一层的主题，例如 Xicheng, DongCheng, Xuanwu 等等。

        多层通配符 # ：顾名思义，多层通配符就是可以匹配多个层级的主题，例如： China/# ，可以匹配到的主题可能有：China/Beijing/Dongcheng, China/Shanghai/PuDong ，等等。

        主题筛选器（Topic Filter）：一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。

        消息订阅：消息订阅者所具体接收的内容。

1.3、MQTT中的角色

        Publisher 和 Subscriber 为客户端，Broker 为服务器端，消息主题为消息类型，Broker 根据 Topic 过滤消息，并将消息向客户端推送。

MQTT 中用 QoS 表示服务质量， MQTT 协议中有三种服务质量 (QoS) ：

        1 ） QoS =0 ，至多一次，可能会出现丢包的情况，使用在对实时性要求不高的情况，例如，将此服务质量与通信环境传感器数据一起使用。 对于是否丢失个别读取或是否稍后立即发布新的读取并不重要。

        2 ） QoS =1, 至少一次，保证包会到达目的地，但是可能出现重包。

        3 ） QoS =2, 刚好一次，保证包会到达目的地，且不会出现重包的现象。

客户端：

        Publisher 和 Subscriber 都属于客户端。

        发布应用消息给其它相关的客户端。

        订阅以请求接受相关的应用消息。

        取消订阅以移除接受应用消息的请求。

        从服务端断开连接

服务器：

        服务器端即所谓的 MQTT Broker 服务器。

        接受来自客户端的网络连接。

        接受客户端发布的应用消息。

        处理客户端的订阅和取消订阅请求。

        转发应用消息给符合条件的已订阅客户端。

MQTT 提供的公共服务器端（ Broker ）有：

test.mosquitto.org

broker.hivemq.com

iot.eclipse.org

2、基于公共服务示例

        在次，选择使用EMQX提供的免费MQTT公共服务器，但同样可以选择其他任何MQTT broker。The Free Global Public MQTT Broker | Try Now | EMQ (emqx.com)

Broker: broker.emqx.io 
TCP Port: 1883 
Websocket Port: 8083

python库：pip install paho-mqtt=="1.6.1"

消息发布代码，pub.py

import time
import random
from paho.mqtt import client as mqtt_client

broker = 'broker.emqx.io'
port = 1883
topic = "/flask/mqtt"
# generate client ID with pub prefix randomly
client_id = f'python-mqtt-{random.randint(0, 1000)}'


def connect_mqtt():
    def on_connect(client, userdata, flags, rc):
        if rc == 0:
            print("Connected to MQTT Broker!")
        else:
            print("Failed to connect, return code %d\n", rc)

    client = mqtt_client.Client(client_id)
    client.on_connect = on_connect
    client.connect(broker, port)
    return client


def publish(client):
    msg_count = 0
    while True:
        time.sleep(1)
        msg = f"messages: {msg_count}"
        result = client.publish(topic, msg)
        # result: [0, 1]
        status = result[0]
        if status == 0:
            print(f"Send `{msg}` to topic `{topic}`")
        else:
            print(f"Failed to send message to topic {topic}")
        msg_count += 1


def run():
    client = connect_mqtt()
    client.loop_start()
    publish(client)


if __name__ == '__main__':
    run()

运行打印结果：

消息订阅代码，sub.py：

import random
from paho.mqtt import client as mqtt_client

broker = 'broker.emqx.io'
port = 1883
topic = "/flask/mqtt"
# generate client ID with pub prefix randomly
client_id = f'python-mqtt-{random.randint(0, 100)}'


def connect_mqtt() -> mqtt_client:
    def on_connect(client, userdata, flags, rc):
        if rc == 0:
            print("Connected to MQTT Broker!")
        else:
            print("Failed to connect, return code %d\n", rc)

    client = mqtt_client.Client(client_id)
    client.on_connect = on_connect
    client.connect(broker, port)
    return client


def subscribe(client: mqtt_client):
    def on_message(client, userdata, msg):
        print(f"Received `{msg.payload.decode()}` from `{msg.topic}` topic")

    client.subscribe(topic)
    client.on_message = on_message


def run():
    client = connect_mqtt()
    subscribe(client)
    client.loop_forever()


if __name__ == '__main__':
    run()

运行打印结果：

        可以看到，发布和订阅成功。注意：每个客户端的ID唯一，不能重复！

3、基于Apollo服务示例

3.1、安装Apollo服务

        服务器端搭建：

Index of /dist/activemq/activemq-apollo/1.7.1

解压并打开目标如下：

        Apollo中间件其实是免安装的，我们只需要下载apache-apollo-1.7.1-windows-distro.zip,然后解压到某个文件夹就可以了。在这里我解压到D:\dist\apache-apollo-1.7.1。在apache-apollo-1.7.1/bin目录下打开终端执行命令：apollo create myapollo

        若出现如下错误 Loading configuration file ‘D:\phpStudy\apache-apollo-1.7.1\bin\mybroker\etc\apollo.xml’.Startup failed: java.lang.NoClassDefFoundError: javax/xml/bind/ValidationEventHandler，处理方式：换上jdk1.8版本即可。

        然后在生成的myapollo目录的bin目录下执行：pollo-broker.cmd run，结果如下：

        服务搭建成功，进入后台管理，打开网页，输入ip + : 61680 进入后台管理 ，默认用户名admin 密码 password，例如：http://127.0.0.1:61680

3.2、示例代码

本地服务基础信息：

host="127.0.0.1" 
port = 61613 
用户名：admin 
密码：password

python库：pip install paho-mqtt=="1.6.1"

发布主题，publish.py

import sys
import time
import paho.mqtt.client as mqtt


def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print("Connected with result code " + str(rc))


def on_subscribe(client, userdata, mid, granted_qos):
    print("消息发送成功")


client = mqtt.Client(protocol=3)
client.username_pw_set("admin", "password")
client.on_connect = on_connect
client.on_subscribe = on_subscribe
client.connect(host="127.0.0.1", port=61613, keepalive=60)  # 订阅频道
time.sleep(1)

i = 0
while True:
    try:
        # 发布MQTT信息
        sensor_data = "test" + str(i)
        client.publish(topic="public", payload=sensor_data, qos=0)
        time.sleep(5)
        i += 1
    except KeyboardInterrupt:
        print("EXIT")
        client.disconnect()
        sys.exit(0)

订阅主题，subscribe.py

import time
import paho.mqtt.client as mqtt


# The callback for when the client receives a CONNACK response from the server.
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    if rc == 0:
        print("连接成功")
        print("Connected with result code " + str(rc))


def on_message(client, userdata, msg):
    print(msg.topic + " " + str(msg.payload))


client = mqtt.Client(protocol=3)
client.username_pw_set("admin", "password")
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message
client.connect(host="127.0.0.1", port=61613, keepalive=60)  # 订阅频道
time.sleep(1)

# client.subscribe("public")
client.subscribe([("public", 0), ("test", 2)])  # 订阅
client.loop_forever()

执行脚本后，正确大小消息。浏览器可见连接记录。

4、EMQX客户端工具

下载地址：MQTTX 下载选择适合您的平台，立即开始使用 MQTTX。icon-default.png?t=N7T8https://mqttx.app/zh/downloads。

4.1、公共服务测试消息接收

创建连接：

Host：为代码中定义好的 broker.emqx.io 
Port：为代码中定义好的 1883 
用户名、密码根据需要添加

添加订阅：

主题为：/flask/mqtt

在MQTTX中发布消息：

测试成功。

4.2、自建服务测试消息接收

MQTT版本选择3.1.1，以下参数，与服务保持一致：

host="127.0.0.1" 
port = 61613 
用户名：admin 
密码：password

其它测试步骤，一样。（创建主题，测试）

5、EMQX代理服务器

        windows下搭建MQTT代理服务，与Apollo服务功能一样，更方便好用，下载地址：https://www.emqx.io/zh/downloads

        下载后解压，进入目录bin文件下，执行：emqx start 

        打开浏览器输入 http://localhost:18083 进入EMQ的web控制台，输入用户名：admin 密码：public 进行登录。登录进入后，界面如下：

至此，代理服务器已经创建完成！客户端就可以连接代理服务器进行消息的分发和订阅！

附录：

java1.8.1下载，地址：Java Downloads | Oracleicon-default.png?t=N7T8https://www.oracle.com/java/technologies/downloads/#java8-windows

参考：

1、嵌入式QT- QT使用MQTT

嵌入式QT- QT使用MQTT_qt mqtt-CSDN博客

2、Python实现通信协议（mqtt）5星，mqtt flask

【小沐学Python】Python实现通信协议（mqtt）_python mqtt-CSDN博客

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