MQTT通信协议简介
概述
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅(Publish/Subscribe)模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。
MQTT是轻量、简单、开放和易于实现的，同时作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。
图 1
MQTT具有如下特点：
1.轻量可靠：MQTT的报文格式精简、紧凑，可在严重受限的硬件设备和低带宽、高延迟的网络上实现稳定传输。
2.发布/订阅模式(Publish/Subscribe)：发布/订阅模式的优点在于发布者与订阅者的解耦，实现异步协议。即订阅者与发布者无需建立直接连接，亦无需同时在线。
3.为物联网而生：提供心跳机制、遗嘱消息、QoS质量等级 + 离线消息、主题和安全管理等全面的物联网应用特性。
4.生态更完善：覆盖范围广，已成为众多云厂商物联网平台的标准通信协议。
应用场景
MQTT作为一种低开销，低带宽占用的即时通讯协议，可以极少的代码和带宽为联网设备提供实时可靠的消息服务，适用于硬件资源有限的设备及带宽有限的网络环境。常见的应用场景如下：
1.物联网M2M通信，物联网大数据采集。
2.移动即时消息及消息推送。
3.智能硬件、智能家居、智能电器。
4.车联网通信，电动车站桩采集。
5.智慧城市、远程医疗、远程教育。
6.电力能源、石油能源。
Mosquitto工具安装
Mosquitto是一款开源的MQTT消息代理（服务器）软件，提供轻量级的、支持可发布/可订阅的的消息推送模式。我司提供的评估板文件系统已支持Mosquitto工具，本文mqtt_client案例采用Mosquitto工具演示MQTT通信协议的通信功能。由于上位机Ubuntu系统作为通信对象，因此需在Ubuntu终端执行如下命令安装Mosquitto工具，出现提示时输入"Y"并按下回车即可。
Host# sudo apt-get install mosquitto-clients
图 2
mqtt_client案例
案例说明
案例功能：使用libmosquitto(MQTT version 5.0/3.1.1)的API与MQTT代理服务器通信。基于MQTT通信协议，实现发布和订阅消息功能。
程序流程图如下图所示。
图 3
案例测试
本案例使用公网MQTT HiveMQ服务器与上位机Ubuntu Mosquitto工具通信。请通过网线将评估板千兆网口ETH0 RGMII和上位机连接至公网，确保可正常访问互联网。
下表提供了可用的在线公共MQTT服务器，可根据需要自行切换。
表 1
评估板启动，将案例bin目录下mqtt_client可执行文件拷贝至评估板文件系统的任意目录下，执行如下命令查看程序参数说明。
Target# ./mqtt_client --help
图 4
评估板发布/上位机订阅
在上位机执行如下命令，使用mosquitto_sub工具订阅MQTT主题。
Host# mosquitto_sub -h broker.hivemq.com -p 1883 -t test/data
参数解析：
-h：指定MQTT服务器；
-p：指定MQTT服务器TCP端口；
-t：定义MQTT主题，可自定义命名。
图 5
在评估板文件系统执行如下命令发布消息至MQTT服务器。
Target# ./mqtt_client -h broker.hivemq.com -p 1883 -M publish -t test/data -m 'www.tronlong.com'
参数解析：
-h：MQTT服务器
-p：MQTT服务器端口
-M：模式，publish为发布，subscribe为订阅
-t：MQTT主题，可随便命名
-m：发布的MQTT消息
图 6 评估板发布
消息发布成功后，上位机将从MQTT服务器接收到对应的消息。
图 7 上位机订阅
评估板订阅/上位机发布
在评估板文件系统执行如下命令订阅MQTT主题。
Target# ./mqtt_client -h broker.hivemq.com -p 1883 -M subscribe -t test/data
图 8
在上位机执行如下命令发布消息至MQTT服务器。
Host# mosquitto_pub -h broker.hivemq.com -p 1883 -t test/data -m www.tronlong.com
图 9 上位机发布
消息发布成功后，评估板将从MQTT服务器接收到对应消息。
图 10 评估板订阅
案例编译
将案例src文件夹拷贝至Ubuntu工作目录下，请先确保已参考《Debian系统使用手册》编译过LinuxSDK。在案例src目录执行如下命令，配置交叉编译工具链环境变量，并修改Makefile文件。
Host# export PATH=/home/tronlong/RK3588/rk3588_linux_release_v1.2.1/extra-tools/gcc-linaro-10.2.1-2021.01-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin:$PATH
Host# vim Makefile
图 11
修改的内容如下：
SDK_PATH = /home/tronlong/RK3588/rk3588_linux_release_v1.2.1 //设置LinuxSDK源码路径
图 12
执行如下命令，进行案例编译。编译完成后在当前目录下生成可执行文件。
Host# make CC=aarch64-linux-gnu-gcc
图 13
关键代码
1.创建Mosquitto实例。
图 14
2.设置回调函数。
图 15
3.连接MQTT服务器。
图 16
4.发布消息。
图 17
5.订阅主题。
图 18
mqtt_sinewave_pub案例
案例说明
案例功能：使用libmosquitto(MQTT version 5.0/3.1.1)的API与MQTT代理服务器通信。评估板生成正弦波数据，每秒发送512个采样点的数据至MQTT服务器；上位机通过Web页面从MQTT服务器接收到数据后，将会绘制波形。
程序流程图如下图所示。
图 19
案例测试
本案例使用公网MQTT HiveMQ服务器与上位机Ubuntu Web程序通信。请通过网线将评估板千兆网口ETH0 RGMII和上位机连接至公网，确保可正常访问互联网。
评估板启动，将案例bin目录下mqtt_sinewave_pub可执行文件拷贝至评估板文件系统的任意目录下，执行如下命令查看程序参数说明。
Target# ./mqtt_sinewave_pub --help
图 20
执行如下命令运行程序，连接MQTT服务器，并发送正弦波数据至MQTT服务器。
Target# ./mqtt_sinewave_pub -h broker.hivemq.com -p 1883
图 21
评估板程序运行后，在上位机使用浏览器打开"tools\web_mqtt_sub\"目录下的index.html文件。在弹出的Web页面（如下图），依次输入MQTT服务器：broker.hivemq.com，端口号：8000，最后点击连接，Web页面将会从MQTT服务器获取正弦波数据并进行波形绘制。
备注：ARM端MQTT通信协议基于TCP协议，Web端MQTT通信协议基于WebSocket协议，因此使用的端口号不同。
图 22
图 23
案例编译
将案例src文件夹拷贝至Ubuntu工作目录下，请先确保已参考《Debian系统使用手册》编译过LinuxSDK。在案例src目录执行如下命令，配置交叉编译工具链环境变量，并修改Makefile文件。
Host# export PATH=/home/tronlong/RK3588/rk3588_linux_release_v1.2.1/extra-tools/gcc-linaro-10.2.1-2021.01-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin:$PATH
Host# vim Makefile
图 24
修改的内容如下：
SDK_PATH = /home/tronlong/RK3588/rk3588_linux_release_v1.2.1 //设置LinuxSDK源码路径
图 25
执行如下命令，进行案例编译。编译完成后在当前目录下生成可执行文件。
Host# make CC=aarch64-linux-gnu-gcc
图 26
关键代码
1.创建Mosquitto实例。
图 27
2.设置回调函数。
图 28
3.连接MQTT服务器。
图 29
4.发送数据。
图 30
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