一 概述

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議），是一種基于發布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級”通訊協議，該協議構建于TCP/IP協議上，由IBM在1999年發布。

MQTT最大優點在于，用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。

作為一種低開銷、低帶寬占用的即時通訊協議，使其在物聯網、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。

二 MQTT協議特點

MQTT是一個基于客戶端-服務器的消息發布/訂閱傳輸協議。

MQTT協議是輕量、簡單、開放和易于實現的，這些特點使它適用范圍非常廣泛。在很多情況下，包括受限的環境中，如：機器與機器（M2M）通信和物聯網（IoT）。

其在，通過衛星鏈路通信傳感器、偶爾撥號的醫療設備、智能家居、及一些小型化設備中已廣泛使用。

MQTT協議當前版本為，2014年發布的MQTT v3.1.1。除標準版外，還有一個簡化版MQTT-SN，該協議主要針對嵌入式設備，這些設備一般工作于TCP/IP網絡，如：ZigBee。

MQTT 與 HTTP 一樣，MQTT 運行在傳輸控制協議/互聯網協議 (TCP/IP) 堆棧之上。

MQTT OSI

發布和訂閱

MQTT使用的發布/訂閱消息模式，它提供了一對多的消息分發機制，從而實現與應用程序的解耦。

這是一種消息傳遞模式，消息不是直接從發送器發送到接收器（即點對點），而是由MQTT server（或稱為 MQTT Broker）分發的。

MQTT 服務器是發布-訂閱架構的核心。

它可以非常簡單地在Raspberry Pi或NAS等單板計算機上實現，當然也可以在大型機或 Internet 服務器上實現。

服務器分發消息，因此必須是發布者，但絕不是訂閱者！

客戶端可以發布消息（發送方）、訂閱消息（接收方）或兩者兼而有之。

客戶端（也稱為節點）是一種智能設備，如微控制器或具有 TCP/IP 堆棧和實現 MQTT 協議的軟件的計算機。

消息在允許過濾的主題下發布。主題是分層劃分的 UTF-8 字符串。不同的主題級別用斜杠/作為分隔符號。

我們來看看下面的設置。

光伏發電站是發布者（Publisher）。

主要主題（Topic）級別是"PV"，這個工廠發布兩個子級別"sunshine"和"data"；

"PV/sunshine"是一個布爾值（true/fault，也可以是 1/0），充電站需要它來知道是否應該裝載電動汽車（僅在陽光普照時 :)）。

充電站（EVSE）是訂閱者，訂閱"PV/sunshine"從服務器獲取信息。

"PV/data" 另一方面，以 kW 為單位傳輸工廠產生的瞬時功率，并且該主題可以例如通過計算機或平板電腦訂閱，以生成一天內傳輸功率的圖表。

這就是一個簡單的MQTT的應用場景，具體如下圖所示；

MQTT 發布和訂閱

QoS（Quality of Service levels）

服務質量是 MQTT 的一個重要特性。當我們使用 TCP/IP 時，連接已經在一定程度上受到保護。但是在無線網絡中，中斷和干擾很頻繁，MQTT 在這里幫助避免信息丟失及其服務質量水平。這些級別在發布時使用。如果客戶端發布到 MQTT 服務器，則客戶端將是發送者，MQTT 服務器將是接收者。當MQTT服務器向客戶端發布消息時，服務器是發送者，客戶端是接收者。

QoS 0

這一級別會發生消息丟失或重復，消息發布依賴于底層TCP/IP網絡。即：<=1

QoS 1

QoS 1 承諾消息將至少傳送一次給訂閱者。

QoS 2

使用 QoS 2，我們保證消息僅傳送到目的地一次。為此，帶有唯一消息 ID 的消息會存儲兩次，首先來自發送者，然后是接收者。QoS 級別 2 在網絡中具有最高的開銷，因為在發送方和接收方之間需要兩個流。

三 MQTT 數據包結構

固定頭（Fixed header），存在于所有MQTT數據包中，表示數據包類型及數據包的分組類標識；

可變頭（Variable header），存在于部分MQTT數據包中，數據包類型決定了可變頭是否存在及其具體內容；

消息體（Payload），存在于部分MQTT數據包中，表示客戶端收到的具體內容；

整體MQTT的消息格式如下圖所示；

3.1 MQTT固定頭

固定頭存在于所有MQTT數據包中，其結構如下：

下面簡單分析一下固定頭的消息格式；

MQTT消息類型 / message type

**位置：**byte 1, bits 7-4。

4位的無符號值，類型如下：

標識位 / DUP

**位置：**byte 1, bits 3-0。

在不使用標識位的消息類型中，標識位被作為保留位。如果收到無效的標志時，接收端必須關閉網絡連接：

DUP：發布消息的副本。用來在保證消息的可靠傳輸，如果設置為 1，則在下面的變長中增加MessageId，并且需要回復確認，以保證消息傳輸完成，但不能用于檢測消息重復發送。

QoS發布消息的服務質量（前面已經做過介紹），即：保證消息傳遞的次數

00：最多一次，即：<=1

01：至少一次，即：>=1

10：一次，即：=1

11：預留

RETAIN：發布保留標識，表示服務器要保留這次推送的信息，如果有新的訂閱者出現，就把這消息推送給它，如果設有那么推送至當前訂閱者后釋放。

剩余長度（Remaining Length）

位置：byte 1。

固定頭的第二字節用來保存變長頭部和消息體的總大小的，但不是直接保存的。這一字節是可以擴展，其保存機制，前7位用于保存長度，后一部用做標識。當最后一位為 1時，表示長度不足，需要使用二個字節繼續保存。例如：計算出后面的大小為0

3.2 MQTT可變頭 / Variable header

MQTT數據包中包含一個可變頭，它駐位于固定的頭和負載之間。可變頭的內容因數據包類型而不同，較常的應用是做為包的標識：

很多類型數據包中都包括一個2字節的數據包標識字段，這些類型的包有：

PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、

SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK

3.3 Payload消息體

Payload消息體是MQTT數據包的第三部分，CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四種類型的消息 有消息體：

CONNECT，消息體內容主要是：客戶端的ClientID、訂閱的Topic、Message以及用戶名和密碼

SUBSCRIBE，消息體內容是一系列的要訂閱的主題以及QoS。

SUBACK，消息體內容是服務器對于SUBSCRIBE所申請的主題及QoS進行確認和回復。

UNSUBSCRIBE，消息體內容是要訂閱的主題。

四 MQTT服務器搭建

目前MQTT代理的主流平臺有下面幾個：

Mosquitto：https://mosquitto.org/

VerneMQ：https://vernemq.com/

EMQTT：http://emqtt.io/

五 MQTT模擬客戶端

目前MQTT主流模擬客戶端有下面幾個：

MQTT fx：https://www.softblade.de/

MQTTX：https://mqttx.app/zh/downloads?os=windows

六 MQTT協議使用場景

MQTT協議的應用場景非常豐富，特別是在物聯網領域。以下是對MQTT協議應用場景的清晰歸納：

物聯網設備控制和監控：MQTT被廣泛應用于物聯網設備之間的通信，如智能家居、智能城市和工業自動化等領域。設備可以發布自身狀態到特定主題，用戶或系統可以訂閱這些主題來獲取設備信息，實現對設備的遠程監控與控制。

傳感器數據傳輸：MQTT可以用于傳感器數據的采集、傳輸和監控，例如氣象站、環境監測等領域。傳感器將采集到的數據通過MQTT協議發布到指定的主題，相關系統可以訂閱這些主題以實時獲取數據并進行處理。

實時信息發布和訂閱：MQTT支持實時信息的發布和訂閱，例如新聞、股票行情、天氣預報等。信息發布者將信息發布到特定的主題，信息訂閱者可以訂閱這些主題以實時獲取最新的信息。

聊天應用：MQTT也可以用于實時聊天應用的消息傳輸。通過MQTT協議，用戶可以實現即時通訊，發送和接收消息。

遠程監控和控制系統：在遠程監控和控制系統中，MQTT可以用于實現遠程設備的管理和控制。例如，遠程監控攝像頭可以通過MQTT協議將實時視頻流發布到指定的主題，用戶可以通過訂閱這些主題來查看攝像頭的視頻內容。

數據傳輸和同步：MQTT還可以用于跨平臺數據同步和數據備份等場景。通過將數據發布到MQTT主題，不同平臺或設備可以訂閱這些主題以實現數據的實時同步和備份。

位置跟蹤：MQTT協議可以用于實時位置跟蹤，例如車輛追蹤、貨物追蹤等。相關設備可以通過MQTT協議將位置信息發布到指定的主題，跟蹤系統可以訂閱這些主題以實時獲取位置信息。

智能城市管理：在智能城市管理中，MQTT可以用于實現不同設備之間的信息交互和協調。例如，路燈、交通信號燈、垃圾桶等設備可以通過MQTT協議連接到一個統一的平臺，實現對這些設備的集中管理和控制。

農業物聯網：MQTT可以應用于農業物聯網系統中，實現對農田環境的監測和控制。傳感器通過MQTT協議將農田的土壤濕度、溫度等信息發布到指定的主題，農民可以訂閱這些主題以實時了解農田環境情況，并進行相應的灌溉和施肥操作。

能源監測與管理：MQTT可用于能源監測與管理系統，如智能電網、智能能源監測等。通過將能源設備連接到MQTT網絡，可以實時獲取能源數據并進行能源調度和管理。

總結來說，MQTT協議在物聯網領域具有廣泛的應用場景，包括設備控制和監控、傳感器數據傳輸、實時信息發布和訂閱、聊天應用、遠程監控和控制系統、數據傳輸和同步、位置跟蹤以及智能城市管理、農業物聯網和能源監測與管理等領域。這些應用場景展示了MQTT協議在物聯網領域的強大功能和靈活性。

七 MQTT組件的使用

1 Gitee鏈接地址

組件位于amaziot_bloom_os_sdklibrariesamxtuam_mqtt.c

Gitee源碼地址：https://gitee.com/ning./hongdou

Github源碼地址：https://github.com/ayumid/hongdou

2 應用層組件功能介紹

提供MQTT連接實例，可以通過調用組件內的API，來實現MQTT本地客戶端和服務器之間的通信。

3 代碼講解

1 dtu_mqtt_wait_init_mqtt

功能：該函數用于，初始化MQTT。

參數：

參數	釋義
st_dtu_file	文件地址

返回值：無

示例：

//連接mqtt服務器
dtu_mqtt_wait_connect_mqtt();

2 dtu_mqtt_wait_connect_mqtt

功能：該函數用于，等待mqtt連接。

參數：無

返回值：無

示例：

//連接mqtt服務器
dtu_mqtt_wait_connect_mqtt();

3 dtu_mqtt_subscribe_topic

功能：該函數用于，訂閱Topic。

參數：無

返回值：無

示例：

//訂閱Topic
dtu_mqtt_subscribe_topic();

4 dtu_mqtt_is_connect

功能：該函數用于，判斷mqtt是否連接。

參數：

參數	釋義
st_dtu_file	文件地址

返回值：無

示例：

//判斷是否配置了心跳
if(dtu_mqtt_is_connect(dtu_mqtt_ctx->dtu_mqtt_client) && dtu_file_ctx->gnss.gpsflag == 1)

5 dtu_mqtt_disconnect

功能：該函數用于，斷開mqtt連接狀態。

參數：無

返回值：無

示例：

6 dtu_mqtt_msg_dl_arriver

功能：該函數用于，mqtt下行數據回調函數。

參數：無

返回值：無

示例：

mqtt_set_interceptor_handler(dtu_mqtt_t.dtu_mqtt_client,dtu_mqtt_msg_dl_arriver);

7 dtu_mqtt_send

功能：該函數用于，mqtt信息發送。

參數：

參數	釋義
data	數據緩沖區指針
data_sz	數據長度

返回值：無

示例：

dtu_mqtt_send(send, strlen(send));

8 dtu_mqtt_send_serial_data

功能：該函數用于，at接口數據發送到mqtt服務器。

參數：

參數	釋義
uartData	數據指針

返回值：無

示例：

dtu_mqtt_send_serial_data(uartData);

4 Demo實戰

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