基于MQTT協(xié)議設(shè)計的實時圖傳系統(tǒng)（阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺）

一、項目功能介紹

當(dāng)前基于MQTT協(xié)議設(shè)計了一個實時圖傳系統(tǒng)，通過這個項目來演示，兩個MQTT設(shè)備如何互相訂閱，進行消息流轉(zhuǎn)。 在阿里云服務(wù)器上創(chuàng)建2個設(shè)備，分為為設(shè)備A和設(shè)備B；設(shè)備A負責(zé)采集本地攝像頭畫面上傳，設(shè)備B負責(zé)接收設(shè)備A上傳的數(shù)據(jù)然后解析顯示出來。在阿里云服務(wù)器上需要配置云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)，讓設(shè)備A的數(shù)據(jù)上傳后自動發(fā)送給設(shè)備B。這樣就完成了視頻畫面數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)。不過因為阿里云的最大數(shù)據(jù)限制，每次最大發(fā)送10240字節(jié)的數(shù)據(jù)。

當(dāng)前的項目是采用MQTT協(xié)議實現(xiàn)，那么先來了解一下什么是MQTT協(xié)議。

軟件采用Qt設(shè)計，QT版本是5.12.6

設(shè)備A的功能：獲取攝像頭的數(shù)據(jù)---》縮放成240*320---》編碼成JPEG格式---》轉(zhuǎn)碼成base64---》組合成MQTT報文---》上傳到服務(wù)器。

設(shè)備B的功能：訂閱設(shè)備A上傳的數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)后解析出源格式數(shù)據(jù)---》將圖像畫面渲染顯示出來。

軟件運行效果：

總結(jié)軟件運行的體驗效果：

（1） 非常流暢。兩個窗口肉眼感覺不到延遲。

（2）服務(wù)器不要錢。

這個方案驗證之后，可以衍生出很多實際的例子了： 比如， 單片機+攝像頭+MQTT協(xié)議 也可以做為圖傳發(fā)送端。 聯(lián)網(wǎng)可以使用：WIFI或者4G模塊、5G模塊。

1.1 MQTT協(xié)議

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)是一種輕量級的、基于發(fā)布/訂閱的消息傳輸協(xié)議，它可以在客戶端和服務(wù)器之間進行雙向通信。MQTT被設(shè)計為適用于低帶寬、不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信。

MQTT具有以下主要特點：

（1）發(fā)布/訂閱模型：客戶端可以選擇訂閱一個或多個主題(topic)，并接收與這些主題相關(guān)的消息；同時，客戶端也可以發(fā)布消息到一個或多個主題上。

（2）輕量級：MQTT的協(xié)議頭非常小，最小只有2字節(jié)，這使得它非常適合于傳輸數(shù)據(jù)量較小的IoT設(shè)備。

（3）QoS（服務(wù)質(zhì)量）支持：MQTT支持三種不同的QoS級別，分別是“至多一次”、“至少一次”和“恰好一次”，可以根據(jù)應(yīng)用場景的需要進行選擇。

（4）保留消息：MQTT服務(wù)器可以將最新的消息保留在主題中，并讓新的訂閱者能夠讀取先前發(fā)布的消息。

（5）遺囑消息：當(dāng)客戶端與服務(wù)器連接異常斷開時，服務(wù)器可以向其他訂閱了該主題的客戶端發(fā)送遺囑消息，以實現(xiàn)更可靠的消息傳輸。

總之，MQTT是一種非常適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信的協(xié)議，它具有輕量級、靈活性高、易于實現(xiàn)、可靠性強等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)場景中。

1.2 MQTT協(xié)議載體

MQTT協(xié)議是基于TCP協(xié)議傳輸報文的。MQTT使用TCP/IP協(xié)議棧來實現(xiàn)通信，因此它具有TCP協(xié)議的一些特性，如可靠性、流控制和建立持久連接等特點。

在MQTT連接建立時，客戶端需要通過TCP連接到MQTT服務(wù)器，并進行握手協(xié)商，包括協(xié)議版本、客戶端標識符、遺囑消息、QoS級別等信息，以確保雙方能夠正確地交換數(shù)據(jù)。一旦握手成功，客戶端和服務(wù)器之間就建立了一個持久化的TCP連接，可以隨時進行消息傳輸。

由于TCP協(xié)議本身已經(jīng)提供了一定程度的可靠性保證，因此MQTT協(xié)議只需要在TCP的基礎(chǔ)上實現(xiàn)發(fā)布/訂閱機制、QoS級別控制、保留消息等特性即可，從而使得它成為一種輕量級且高效的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。

1.3 JSON里如何保存圖片數(shù)據(jù)？

在JSON中保存圖片數(shù)據(jù)通常需要將圖片轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)據(jù)，并將其編碼成Base64字符串，然后將該字符串作為JSON對象的屬性值進行傳輸。

Base64編碼是一種將二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ASCII字符的方法，它使用64個字符來表示任意序列的二進制數(shù)據(jù)。Base64編碼后的數(shù)據(jù)長度會比原始二進制數(shù)據(jù)略長，但可以方便地被轉(zhuǎn)換為文本格式并在網(wǎng)絡(luò)上進行傳輸。

以下是一個示例JSON對象，其中包含了一個Base64編碼后的圖片數(shù)據(jù)：

{
  "imageData": "/9j/4AAQSkZJRgABAQEAYABgAAD/2wBD...",
  "imageName": "my_image.png"
}

在這個示例中，imageData屬性表示圖片數(shù)據(jù)的Base64編碼字符串，imageName屬性表示圖片文件名。在接收到JSON對象后，可以通過解碼Base64字符串并將其保存為二進制數(shù)據(jù)，再將其寫入磁盤或者顯示在應(yīng)用程序中。

需要注意的是，由于Base64編碼后的數(shù)據(jù)量相對較大，因此在實際應(yīng)用中，如果需要傳輸大量的圖片數(shù)據(jù)，建議使用其他更適合的數(shù)據(jù)傳輸方式，如MQTT協(xié)議、WebSocket等。

1.4 MQTT協(xié)議最大能傳多少有效字節(jié)的數(shù)據(jù)？

MQTT協(xié)議本身沒有限制數(shù)據(jù)包的大小，但是它需要遵循底層傳輸協(xié)議（TCP/IP）的限制和約束。在實際應(yīng)用中，MQTT協(xié)議能夠傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)量是受多種因素影響的，如網(wǎng)絡(luò)帶寬、QoS級別、MQTT消息頭部信息等。

一般來說，在默認情況下，MQTT協(xié)議對于單個消息的有效載荷有一個限制，即不超過256MB。這個限制主要由MQTT協(xié)議的消息長度字段決定，該字段的最大值是4字節(jié)，因此最大能表示2^32-1個字節(jié)的消息長度，即約為4GB。然而，在實際應(yīng)用中，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬和設(shè)備性能等方面的限制，很難實現(xiàn)傳輸如此巨大的消息。

另外，需要注意的是，如果使用較高級別的QoS，如“至少一次”或“恰好一次”，則MQTT協(xié)議會對每條消息進行確認和重傳，這可能會導(dǎo)致更多的網(wǎng)絡(luò)流量和延遲。因此，在選擇QoS級別時，需要根據(jù)應(yīng)用場景和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的實際情況進行優(yōu)化和調(diào)整，以充分利用MQTT協(xié)議的特點和優(yōu)勢。

三、阿里云服務(wù)器創(chuàng)建

官網(wǎng)地址: https://iot.console.aliyun.com/lk/summary/new

3.1 創(chuàng)建產(chǎn)品

3.2 添加設(shè)備

{
 "ProductKey": "a12qAqNZg3i",
 "DeviceName": "video_de1",
 "DeviceSecret": "206a4bc03642930542a9bcb8925b9a0f"
}

創(chuàng)建完成。

3.3 創(chuàng)建自定義屬性

在產(chǎn)品頁面的，找到功能定義。

最大一次只能傳遞10KB。

3.4 MQTT服務(wù)器地址和端口

關(guān)于MQTT協(xié)議登錄所需要的參數(shù)官方說明文檔: https://help.aliyun.com/document_detail/140507.html?spm=a2c4g.11186623.6.571.1e417544OGPj2y

阿里云物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的域名規(guī)則如下：

物聯(lián)網(wǎng)平臺的域名格式為：productKey.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com，其中productKey是您在物聯(lián)網(wǎng)平臺上創(chuàng)建的產(chǎn)品的標識符，cn-shanghai表示物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器所在的地區(qū)。
?
MQTT協(xié)議的域名格式為：productKey.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com，其中productKey是您在物聯(lián)網(wǎng)平臺上創(chuàng)建的產(chǎn)品的標識符，cn-shanghai表示物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器所在的地區(qū)。
?
HTTPS協(xié)議的域名格式為：productKey.iot-as-http.cn-shanghai.aliyuncs.com，其中productKey是您在物聯(lián)網(wǎng)平臺上創(chuàng)建的產(chǎn)品的標識符，cn-shanghai表示物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器所在的地區(qū)。
?
需要注意的是，以上的域名規(guī)則中，productKey需要替換成你在物聯(lián)網(wǎng)平臺上創(chuàng)建產(chǎn)品時生成的實際productKey。

下面是阿里云國內(nèi)的服務(wù)器地域和可用區(qū)詳情：
 
地域名稱    所在城市    Region ID   可用區(qū)數(shù)量
華北 1    青島  cn-qingdao    2
華北 2    北京  cn-beijing    10
華北 3    張家口 cn-zhangjiakou  3
華北 5    呼和浩特    cn-huhehaote    2
華北 6    烏蘭察布    cn-wulanchabu   3
華東 1    杭州  cn-hangzhou   8
華東 2    上海  cn-shanghai     8
華南 1    深圳  cn-shenzhen    6
華南 2    河源  cn-heyuan     2
華南 3    廣州  cn-guangzhou    2
西南 1    成都  cn-chengdu    2
?
端口號是：1883
?
我的設(shè)備參數(shù)：
{
 "ProductKey": "a12qAqNZg3i",
 "DeviceName": "video_de1",
 "DeviceSecret": "206a4bc03642930542a9bcb8925b9a0f"
} 
?
  
經(jīng)過上面的格式解釋，我的阿里云服務(wù)器登錄的域名就是(選擇的是上海服務(wù)器)：
a12qAqNZg3i.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com
?

解析域名對應(yīng)的IP地址：

Microsoft Windows [版本 10.0.19044.2604]
(c) Microsoft Corporation。保留所有權(quán)利。
?
C:Users11266>ping a12qAqNZg3i.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com
?
正在 Ping vpc-sh-prod.mqtt.iotgds.aliyuncs.com.gds.alibabadns.com [47.103.191.238] 具有 32 字節(jié)的數(shù)據(jù):
來自 47.103.191.238 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間=40ms TTL=88
來自 47.103.191.238 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間=40ms TTL=88
來自 47.103.191.238 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間=40ms TTL=88
來自 47.103.191.238 的回復(fù): 字節(jié)=32 時間=40ms TTL=88
?
47.103.191.238 的 Ping 統(tǒng)計信息:
  數(shù)據(jù)包: 已發(fā)送 = 4，已接收 = 4，丟失 = 0 (0% 丟失)，
往返行程的估計時間(以毫秒為單位):
  最短 = 40ms，最長 = 40ms，平均 = 40ms
?
C:Users11266>

3.5 MQTT三元組格式

下載密碼生成小工具：https://help.aliyun.com/document_detail/292635.htm?spm=a2c4g.11186623.0.0.5aaf635b3zgveM#section-jx3-u57-pmm

打開密碼生成工具：

生成MQTT登錄的密匙： 填入的參數(shù)就是前面創(chuàng)建設(shè)備得到信息。

mqttClientId: 
video_de1|securemode=2,signmethod=hmacsha1,timestamp=1678078910527|
?
username: 
video_de1&a12qAqNZg3i
?
password: 
02F7190BE8C33C1A8009EDBAF824BFDC6784FC67
?

3.6 主題發(fā)布與訂閱的格式

在產(chǎn)品頁面可以看到主題格式: https://iot.console.aliyun.com/product/productDetail/a1cMlEwEwjg/func?current=2

總結(jié)：

發(fā)布主題:
/sys/a12qAqNZg3i/video_de1/thing/event/property/post
上報屬性消息的格式: 
{"method":"thing.event.property.post","params":{"image":"1234567890"}}
?
訂閱主題:
/sys/a12qAqNZg3i/video_de1/thing/service/property/set

3.7 MQTT設(shè)備登錄

利用MQTT客戶端完成設(shè)備登錄測試。

IP地址：47.103.191.238
?
端口號：1883
?
mqttClientId: video_de1|securemode=2,signmethod=hmacsha1,timestamp=1678078910527|
?
username: video_de1&a12qAqNZg3i
?
password: 02F7190BE8C33C1A8009EDBAF824BFDC6784FC67
?
?
發(fā)布主題:
/sys/a12qAqNZg3i/video_de1/thing/event/property/post
上報屬性消息的格式: 
{"method":"thing.event.property.post","params":{"image":"1234567890"}}
?
訂閱主題:
/sys/a12qAqNZg3i/video_de1/thing/service/property/set

對號入座填入?yún)?shù)，測試主題訂閱，主題發(fā)布：

數(shù)據(jù)接收成功：

到此服務(wù)器創(chuàng)建成功。

3.8 繼續(xù)創(chuàng)建設(shè)備2

監(jiān)控設(shè)備有兩個，1個設(shè)備為攝像頭圖片發(fā)送端，一個設(shè)備是圖片接收顯示端。

{
  "ProductKey": "a12qAqNZg3i",
  "DeviceName": "video_dev2",
  "DeviceSecret": "30ebb8ffc4316fbe957fcfb13bdaec01"
}

創(chuàng)建成功。

接下來生成設(shè)備2的MQTT三元組密匙，和前面一樣的方法。

mqttClientId: 
video_dev2|securemode=2,signmethod=hmacsha1,timestamp=1678078910527|

username: 
video_dev2&a12qAqNZg3i

password: 
15D2C020586E165E6A35BB2FA4DEB9DD59F3E73E

參數(shù)總結(jié)：

IP地址：47.103.191.238

端口號：1883

mqttClientId: video_dev2|securemode=2,signmethod=hmacsha1,timestamp=1678078910527|

username:  video_dev2&a12qAqNZg3i

password:  15D2C020586E165E6A35BB2FA4DEB9DD59F3E73E


發(fā)布主題:
/sys/a12qAqNZg3i/video_dev2/thing/event/property/post

上報屬性消息的格式:  
{"method":"thing.event.property.post","params":{"image":"abcdefg"}}

訂閱主題:
/sys/a12qAqNZg3i/video_dev2/thing/service/property/set

四、云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)

4.1 創(chuàng)建解析器

創(chuàng)建完成。

4.2 創(chuàng)建規(guī)則

添加主題：

設(shè)置數(shù)據(jù)目的：

編寫解析器腳本:

幫助文檔地址：https://help.aliyun.com/document_detail/270937.html

下面編寫代碼，獲取設(shè)備1上傳的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給設(shè)備2。

//通過payload函數(shù)，獲取設(shè)備上報的消息內(nèi)容，并按照JSON格式轉(zhuǎn)換。
var data = payload("json");
//直接流轉(zhuǎn)物模型上報數(shù)據(jù)。
writeIotTopic(1000, "/a12qAqNZg3i/video_dev2/user/get", data)

寫好解析器就發(fā)布。

在云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)的首頁啟動解析器。

4.3 測試兩個設(shè)備的訂閱

設(shè)備1的參數(shù)：

IP地址：47.103.191.238
端口號：1883
mqttClientId:  video_de1|securemode=2,signmethod=hmacsha1,timestamp=1678078910527|
username: video_de1&a12qAqNZg3i
password: 02F7190BE8C33C1A8009EDBAF824BFDC6784FC67

設(shè)備1發(fā)布主題：
主題格式：/a12qAqNZg3i/video_de1/user/update
數(shù)據(jù)內(nèi)容：{"method":"thing.event.property.post","params":{"image":"1234567890"}}

設(shè)備2的參數(shù):

IP地址：47.103.191.238
端口號：1883
mqttClientId: video_dev2|securemode=2,signmethod=hmacsha1,timestamp=1678078910527|
username:  video_dev2&a12qAqNZg3i
password:  15D2C020586E165E6A35BB2FA4DEB9DD59F3E73E

設(shè)備2訂閱主題：
主題格式：/a12qAqNZg3i/video_dev2/user/get

五、項目開發(fā)

5.1 base64編碼和解碼實現(xiàn)

攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)之后會編碼 成base64格式的字符串，再通過MQTT協(xié)議上傳到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。 下面就是base64編碼和解碼的實現(xiàn)代碼。

const char * base64char = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";

//進行base64編碼
//bindata:進行編碼的圖片數(shù)據(jù)
//base64:轉(zhuǎn)換后的base64編碼
//binlength:圖片大小
char * base64_encode(  u8 * bindata, char * base64, u32 binlength )
{
    u32 i, j;
    u8 current;

    for ( i = 0, j = 0 ; i < binlength ; i += 3 )
    {
        current = (bindata[i] >> 2) ;
        current &= (u8)0x3F;
        base64[j++] = base64char[(int)current];

        current = ( (u8)(bindata[i] << 4 ) ) & ( (u8)0x30 ) ;
        if ( i + 1 >= binlength )
        {
            base64[j++] = base64char[(int)current];
            base64[j++] = '=';
            base64[j++] = '=';
            break;
        }
        current |= ( (u8)(bindata[i+1] >> 4) ) & ( (u8) 0x0F );
        base64[j++] = base64char[(int)current];

        current = ( (u8)(bindata[i+1] << 2) ) & ( (u8)0x3C ) ;
        if ( i + 2 >= binlength )
        {
            base64[j++] = base64char[(int)current];
            base64[j++] = '=';
            break;
        }
        current |= ( (u8)(bindata[i+2] >> 6) ) & ( (u8) 0x03 );
        base64[j++] = base64char[(int)current];

        current = ( (u8)bindata[i+2] ) & ( (u8)0x3F ) ;
        base64[j++] = base64char[(int)current];
    }
    base64[j] = '?';
    return base64;
}

//解碼base64
//base64:base64編碼
//bindata:圖片數(shù)據(jù)
int base64_decode( const char * base64, u8 * bindata )
{
    u32 i, j;
    u8 k;
    u8 temp[4];
    for ( i = 0, j = 0; base64[i] != '?' ; i += 4 )
    {
        memset( temp, 0xFF, sizeof(temp) );
        for ( k = 0 ; k < 64 ; k ++ )
        {
            if ( base64char[k] == base64[i] )
                temp[0]= k;
        }
        for ( k = 0 ; k < 64 ; k ++ )
        {
            if ( base64char[k] == base64[i+1] )
                temp[1]= k;
        }
        for ( k = 0 ; k < 64 ; k ++ )
        {
            if ( base64char[k] == base64[i+2] )
                temp[2]= k;
        }
        for ( k = 0 ; k < 64 ; k ++ )
        {
            if ( base64char[k] == base64[i+3] )
                temp[3]= k;
        }

        bindata[j++] = ((u8)(((u8)(temp[0] << 2))&0xFC)) |
                ((u8)((u8)(temp[1]>>4)&0x03));
        if ( base64[i+2] == '=' )
            break;

        bindata[j++] = ((u8)(((u8)(temp[1] << 4))&0xF0)) |
                ((u8)((u8)(temp[2]>>2)&0x0F));
        if ( base64[i+3] == '=' )
            break;

        bindata[j++] = ((u8)(((u8)(temp[2] << 6))&0xF0)) |
                ((u8)(temp[3]&0x3F));
    }
    return j;
}

5.3 軟件設(shè)計

5.4 運行效果