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

梦里梦外; 2022-12-22 00:57 246阅读 0赞

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。

![智能可燃气体报警器][20200619094346691.jpg]

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： ![在这里插入图片描述][20200619174414764.png]

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。

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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。 ![在这里插入图片描述][20200609165130729.png_pic_center]

`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

在`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。

![在这里插入图片描述][20200620130648304.png_pic_center] **1、固定头**

固定头部，使用两个字节，共16位： ![在这里插入图片描述][20200621001520940.png] (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。 ![图片源于网络，如有侵权联系删除][20200620215046195.png] **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`CONNECT`、`PUBLISH`、`SUBSCRIBE`、`SUBACK`、`UNSUBSCRIBE`这几种类型的消息：

*  `CONNECT`：包含客户端的`ClientId`、订阅的`Topic`、`Message`以及`用户名`和`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 0`、`QoS 1`、`QoS 2`三个等级。

下边分别说明一下这三个等级的区别。

**1、Qos 0**：`At 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。

![图片源于网络，如有侵权联系删除][20200620185008447.jpg] **2、Qos 1**：`At 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`Broker`的`puback`或者 `Broker`没有收到`subscriber`的`puback`，那么就会一直重发。

**publisher -> broker 大致流程：**

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

![图片源于网络，如有侵权联系删除][20200620185035599.jpg_pic_center] **3、Qos 2**：`Exactly once`（只有一次），相对于`QoS 1`，`QoS 2`升级实现了仅接受一次`message`，`publisher` 和 `broker` 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
2.  msgID（传递message） broker -> puberc （确认传递成功）
3.  publisher -> pubrel ->broker delete msgID （告诉broker删除msgID）
4.  broker -> pubcomp -> publisher delete msg （告诉publisher删除msg）

![图片源于网络，如有侵权联系删除][20200620185008459.jpg]

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。

![在这里插入图片描述][2020060911125490.jpg_pic_center]

1、启用 rabbitmq的mqtt协议

我们先开启 `rabbitmq` 的 `mqtt`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-mqtt`、`org.eclipse.paho.client.mqttv3`两个工具包实现。

<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。

![在这里插入图片描述][2020061918163049.png] 看到后台成功拿到了向主题`mqtt_test_topic`发送的消息。 ![在这里插入图片描述][20200619182208808.png]

2、测试消息订阅

用`mqttbox`模拟订阅主题`mqtt_test_topic`，在后台向主题`mqtt_test_topic`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=mqtt\_test\_topic&message=我是后台向主题][http_127.0.0.1_8080_fun_testMqtt_topic_mqtt_test_topic_message] mqtt\_test\_topic 发送的消息 ![在这里插入图片描述][20200619183645343.png] 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。 ![在这里插入图片描述][20200619183705312.png]

### 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...`。

![在这里插入图片描述][20200619190020404.png] 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。

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[20200619094346691.jpg]: /images/20221120/e6ef5a71d2b24a2a9c4b76c9c3b6075d.png
[20200619174414764.png]: /images/20221120/7cb06a61d177485788edfd3176116769.png
[20200609165130729.png_pic_center]: /images/20221120/e87ad89293dd4110b4dc92306b1e839c.png
[20200620130648304.png_pic_center]: /images/20221120/32852eca12e746ba969a21876388e790.png
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[20200620185008447.jpg]: /images/20221120/227d84184aa949339f4417d6ff4834f9.png
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[20200620185008459.jpg]: /images/20221120/57f536678c1f45b7a665e14f78b3f162.png
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[20200619182208808.png]: /images/20221120/63676b7592e744ed8761f269267c886b.png?
[http_127.0.0.1_8080_fun_testMqtt_topic_mqtt_test_topic_message]: http://127.0.0.1:8080/fun/testMqtt?topic=mqtt_test_topic&message=%E6%88%91%E6%98%AF%E5%90%8E%E5%8F%B0%E5%90%91%E4%B8%BB%E9%A2%98
[20200619183645343.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200619183645343.png
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