MQTT(1) 發布

MQTT 的全名是 Message Queuing Telemetry Transport，目前最新的版本為 MQTT v5.0，目前廣泛使用的是 MQTT v3.1。

由IBM的Andy Stanford-Clark博士和Arcom(已更名為Eurotech)的Arlen Nipper博士於1999年發明的通訊協定。他們當時是為了在狹窄的網路頻寬和微小電力損耗的需求前提之下，提供石油管線感測器和人造衛星之間一個輕量、可靠的二進制通訊協定。2011年11月，IBM和Eurotech將MQTT協定捐贈給負責管理開放原始碼專案的Eclipse基金會，並且加入Eclipse M2M Industry工作組織。2014年十月，MQTT正式變成一個開放的OASIS國際標準(Organization Advancement Structured Information Standards，資訊標準架構促進會，一個制定電子商務、網路服務和電子出版的非營利機構，https://www.oasis-open.org/)。

是一種適用於 Server 與 Client 訊息傳遞的通訊協定，此協定建構在 TCP/IP Stack 上，利用『訂閱 Subscribe』與『發佈 Publish』的機制來進行訊息傳遞。因為其訊息結構簡單且輕量化，非常適合用於處理器資源及網路頻寬有限的物聯網裝置，再加上已經有許多 MQTT 程式庫被陸續開發出來，用於 Arduino 控制板（C/C++）、JavaScript(Node.js, Espruino控制板)、Python,…等等，還有開放原始碼的 MQTT 伺服器，使得開發 MQTT 物聯網、機器之間(Machine-to-Machine, M2M)的通訊變得簡單。Facebook Messenger的即時通訊也是用MQTT協定。

假設某個裝置透過 Web 瀏覽器，以 HTTP 協定傳送溫度值給網站伺服器，此 HTTP POST 訊息內容大概像這樣：

除了 HTTP 請求指令以及代表 21 度的訊息本體，這段訊息中間夾帶了一堆描述用戶端的的標頭（header）資訊，相當於向伺服器介紹：我來自Chrome瀏覽器、作業系統是Android 7、我讀懂中文和英文…等等。這些額外的標頭訊息在許多物聯網通訊應用不僅僅是多餘的，還會佔用網路頻寬、記憶體並且浪費處理時間。

除了精簡的標頭，MQTT 的標頭區並沒有標示傳送目標的 IP 位址。

在 MQTT 的架構下，會有3種角色：Broker 代理人、Publisher 訊息發佈者、Subscriber 訊息訂閱者。  Broker 負責接收來自 Publisher 的訊息並『配發』訊息給 Subscriber，Publisher 是訊息源頭，也就是發佈訊息的人，Subscriber 也就是接收訊息的人。

假設你今天有個資料擷取裝置比如溫濕度感測器，想要透過 MQTT 的通訊傳遞溫度與濕度訊息到不同的裝置（多個PC或手機）使用，Publisher 就可以是溫濕度感測器，定時的送出溫度濕度資訊，Subscriber 就可以是 不同 PC 和手機，Broker 的工作就是接收來自感測器的訊息，轉送給 PC 與 手機，至於 Broker 怎麼決定訊息要轉送或配發給誰，Topic 主題就是關鍵的點，你有訂閱該 Topic，Broker才會配發給你。

代理人（broker）可儲存發布者的訊息，在發布者中斷連線的情況下，提供訂閱者最近更新的訊息。「訂閱者」需要告知代理人想要訂閱的主題，每當「發布者」傳入新訊息時，代理人就會依照主題，傳送給所有訂閱者。「發布者」和「訂閱者」都是用戶端，代理人是伺服器。由於兩個用戶端之間有伺服器當作中繼站，所以兩邊並不需要知道彼此的IP位址。

• MQTT 主題名稱是UTF-8（萬國碼）編碼的字串

• 自行決定主題名稱，例如，傳送溫度的訊息主題可命名成「溫度」、傳送亮度的訊息主題叫做「照度」…等等。

• 主題名稱也支援類似檔案路徑的階層式命名方式，假設住家裡面有許多感測器，我們可依照測器所在位置，規劃如下的命名階層結構。

命名主題的注意事項：

• 由於某些微控器或程式語言不支援UTF-8編碼或中文，主題名稱請使用英文，並且取個有意義的名字。

• 名稱長度不可超過216位元組（65536個字元）。

• 自訂的主題名稱請勿用$開頭（“$SYS”是MQTT伺服器的控制介面主題的保留字），也不可包含#和+字元；減號和乘號（*）在程式語言中有特殊意義，為了避免誤會，也不建議使用。

• 名稱的英文大小寫有區別，home和Home是兩個不同的名稱。

• 雖然名稱可以包含空格，但是英文的「半形」空格和中文的「全形」空格的內碼不一樣，若輸入名稱時沒有統一，會導致程式讀取不到，因此名稱最好不要加入空格。

MQTT 還有幾個重要特色

1. 在訊息傳遞的過程中，Publisher 不需要知道 Subscriber 的 IP，只需要知道 Broker 的位址就可以進行訊息傳遞。

2. MQTT 的 Topic 主題帶有階層式設計，用 / 來分開，比如說工廠會議室的溫度與濕度，就可以編寫成 factory/meeting/temp 與 factory/meeting/humid，英文大小寫是有差的。

3. 由於 MQTT 是設計允許在網路環境較差地方運行，所以針對網路的品質(QoS)，使用者可以自己決定操作等級：

   • QoS Level 0：發送者丟出一次訊息給 Broker，並不保證 Subscriber 會收到。

   • QoS Level 1：Publisher 丟出訊息後，Broker 必須回傳 PUBACK 訊息確定有收到，如沒回，Publisher 會再重傳一次。（缺點為 Subscriber 有可能會收到相同的訊息）

   • QoS Level 2：在 Publisher 確認 Broker 有收到訊息後，Broker 才可進行訊息傳遞，且 Subscirber 在收到訊息後，也必須回傳 PUBCOMP 訊息給 Publisher，此方法可以避免收到重複的訊息，但缺點就是較佔頻寬。

QoS代表發布者與代理人，或者代理人與訂閱者之間的傳輸品質。MQTT 定義了0, 1和2三個層級的品質設定（實際支援情況依伺服器軟體而定，Mosquitto伺服器全都支援）：

0：最多傳送一次（at most once）

1：至少傳送一次（at least once）

2：確實傳送一次（exactly once）

• The Public MQTT Broker by HiveMQ – Check out our MQTT Demo – broker.hivemq.com:1883, broker.hivemq.com:8000

• broker.mqtt-dashboard.com：broker.mqtt-dashboard.com:1883, broker.mqttdashboard.com:8000

  1. • test.mosquitto.org – test.mosquitto.org:1883

     • mqtt.eclipseprojects.io – mqtt.eclipseprojects.io:1883

     • ESP8266 连接到免费的公共 MQTT 服务器 – broker.emqx.io:1883

     • 通信猫 共享MQTT服务器 在线客户端 – mq.tongxinmao.com:18830

     • 夜市小霸王 -  mqttgo.io:1883

• 安裝 MQTT Server 於本機(桌機、筆電)，提供 MQTT 服務。

• 透過 Client 端軟體測試 publish 和 subscribe 功能，用以確認 Public MQTT Broker 運作正常；熟悉Client 端操作。

• 透過 Client 端軟體測試 publish 和 subscribe 功能，用以確認架設的 MQTT Broker 運作正常；熟悉Client 端操作。

• 以 NodeMCU 為 MQTT Client 端，當訊息發布者，以命令提示字元、手機 App、Chrome 擴充為 MQTT Client 端，當訊息接收者。

• 以 NodeMCU 為 MQTT Client 端，當訊息接收者，以命令提示字元、手機 App、Chrome 擴充為 MQTT Client 端，當訊息發布者。

• 以多 NodeMCU 為 MQTT Client 端，當訊息接收或發布者。

• MQTTLens 應用程式(Chrome 擴充)安裝。

• MQTTBox 應用程式(Chrome 擴充)安裝。

• MQTT Dash App 安裝。

• IoT OnOff App 安裝(安卓、iOS)

• MQTT Websocket Client - HiveMQ

• MQTT X

• MQTTool(iOS)

Google  Play 商店，(1120407)已無法安裝，改 apk 安裝

https://m.apkpure.com/tw/mqtt-dash-iot-smart-home/net.routix.mqttdash

以 test.mosquitto.org 當 Public MQTT Server，

分別以 MQTTBox, MQTTLns, 手機 MQTT Dash App 當 MQTT Client，練習訂閱/發布

連線 http://www.hivemq.com/demos/websocket-client/

執行手機 Mqtt Dashboard App，新增建立 test.mosquitto.org 連線

接下來要在 連線中建立控制面板(dashboard)

以 NodeNCU 當發布端，將感測器測量資料發布到 public MQTT Server(broker.hivemq.com、test.mosquitto.org)

分別以下列 MQTT Client 當訂閱端，接收資料並展示

• MQTT Box、MQTT Lens

• MQTTX

• MQTT Dash App、IoT OnOff App

• Node-Red

使用的 Public MQTT Server：broker.hivemq.com:1883

發布主題

topic1: ymiot1122/00000/ldrA

topic2: ymiot1122/00000/ldrD

topic3: ymiot1122/00000/dhtT

topic4: ymiot112200000/dhtH

• 連線到 http://easycoding.tn/tuniot/demos/code/

• 或 離線版 TUNIOT(執行資料夾中 demo/code/index.html)

1 自行命名

2 使用的 MQTT Server 名稱，本課程使用 broker.hivemq.com

3 儲存

選定建立的 MQTT Server，建立控制項

1 自行命名

2 訂閱的主題

3 如果該控制項同時業也要做發布使用，勾選此選項。這兒控制項只當訂閱用，取消勾選。

4 接收到訊息內容

5 接收到 4 的訊息要呈現的圖案

6 接收到 4 的訊息要呈現的圖案顏色

7 接收到訊息內容

8 接收到 7 的訊息要呈現的圖案

9 接收到 7 的訊息要呈現的圖案顏色

10 儲存設定

使用的 Public MQTT Server：broker.hivemq.com:1883

發布主題

topic1: ymiot/1101A/00000/ldrA

topic2: ymiot/1101A/00000/ldrD

topic3: ymiot/1101A/00000/dht11T

topic4: ymiot/1101A/00000/dht11D

開瀏覽器，連線

• http://easycoding.tn/tuniot/demos/code/

• 或 離線版 TUNIOT(執行資料夾中 demo/code/index.html)

下載安裝

C:\Windows\system32>node --version && npm --version

v18.16.0

9.5.1

C:\Windows\system32>npm install npm --global

C:\Windows\system32>npm --version

9.6.5

於 Node JS v18.16.0 或 Windows11，上述方法無法安裝(原因不明)，須執行 Node.js command prompt 安裝

於 Node.js command prompt，輸入

npm install -g --unsafe-perm node-red

測試版安裝用 npm install -g --unsafe-perm node-red@next

開啟 Node.js command prompt，輸入

node-red

方法一、下載最新版本安裝即可

方法二、

How to Update Node.js to Latest Version {Linux, Windows, and macOS}

How to Update Node.js to the Latest Version (April 2023)

檢查 Node-Red 版本：

node-red --help

輸入 npm install -g --unsafe-perm node-red