SpringBoot整合MQTT总结

叶玉恒 2023-08-16 原文

前言：

这几天在准备面试的过程中做的一个小demo，主要是用通过SpringBoot实现一个与MQTT服务交互通信，也是看着别人的项目改的，这两个技术之前都没有接触过，希望记录一下可以分享给大家，也好久没更新了，借此机会更新一波blog。在正式的开始这个项目前还是学了一下SSM和SpringBoot的基础，上手起来不会这么的无力。期间也是查阅了很多的资料和询问了诸多大佬。

养成习惯先点赞后观看！！！！

好了话不多说，一步步的搭建项目和原理详解就在下面了

一、什么是mqtt

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 于 1999 年发明。MQTT 协议的主要特征是开放、简单、轻量级和易于实现，这些特征使得它适用于受约束的应用环境，如：

网络受限：网络带宽较低且传输不可靠
终端受限：协议运行在嵌入式设备上，嵌入式终端的处理器、内存等是受限的

通过 MQTT 协议，目前已经扩展出了数十种 MQTT 服务器端程序，可以通过 PHP、Java、Python、C、C# 等语言向 MQTT 发送消息。由于开放源代码、耗电量小等特点，MQTT 非常适用于物联网领域，如传感器与服务器的通信、传感器信息采集等。

二、主要思想

发布/订阅模式

订阅发布模式定义了一种一对多的依赖关系，让多个订阅者对象同时监听某一个主题对象。这个主题对象在自身状态变化时，会通知所有订阅者对象，使它们能够自动更新自己的状态。

将一个系统分割成一系列相互协作的类有一个很不好的副作用，那就是需要维护相应对象间的一致性，这样会给维护、扩展和重用都带来不便。当一个对象的改变需要同时改变其他对象，而且它不知道具体有多少对象需要改变时，就可以使用订阅发布模式了。

一个抽象模型有两个方面，其中一方面依赖于另一方面，这时订阅发布模式可以将这两者封装在独立的对象中，使它们各自独立地改变和复用。订阅发布模式所做的工作其实就是在解耦合。让耦合的双方都依赖于抽象，而不是依赖于具体，从而使得各自的变化都不会影响另一边的变化。

发布/订阅模式并不是 MQTT 协议特有的模式，像我们很多消息中间件都有使用发布/订阅模式，这里你是不是想说，这不就是我们所说的观察者模式嘛，还真不是，这两个模式很容易混淆。观察者模式只有观察者 + 被观察者两个角色，而发布/订阅模式还有一个经纪人 Broker；往更深层次的讲观察者和被观察者，是松耦合的关系，而发布者和订阅者，则完全不存在耦合。

在我们日常写程序时，经常遇到下面这种情况：

public void 前端业务/硬件业务()
{
    刷新界面();
    更新数据库();
    对界面更新数据();
    ………………………………
}

当有前端和硬件业务产生时，需要依次要去执行：刷新界面()、更新数据库()、对界面更新数据()等操作。表面上看代码写得很工整，其实这里面有很多的问题：

首先，这完全是面向过程开发，根本不适合大型项目。
第二，代码维护量太大。设想一下，如果产生业务后要执行10多个操作，那这将是个多么大，多少复杂的类呀，时间一长，可能连开发者自己都不知道如何去维护了。
第三，扩展性差。如果产生业务后，要增加一个声音提示()功能，怎么办呢？没错，只能加在前端业务/硬件业务()这个函数中，这样一来，就违反了“开放-关闭原则”。而且修改了原有的函数，那么在测试时，除了要测新增功能外，还要做原功能的回归测试；在一个大型项目中，做一次回归测试可能要花费大约两周左右的时间，而且前提是新增功能没有影响原来功能及产生新的bug。
那么如何把前端业务/硬件业务()函数同其他函数进行解耦合呢？别着急，下面就介绍今天的主角----订阅发布模式。见下图：

上面的流程就是对有告警信息产生()这个函数的描述。我们要做的，就是把产生告警和它需要通知的事件进行解耦，让它们之间没有相互依赖的关系，解耦合图如下：

事件触发者被抽象出来，称为消息发布者，即图中的P。事件接受都被抽象出来，称为消息订阅者，即图中的S。P与S之间通过Broker（即订阅器）连接。这样就实现了P与S的解耦。首先，P就把消息发送到指定的订阅器上，从始至终，它并不知道也不关心要把消息发向哪个S。S如果想接收消息，就要向订阅器进行订阅，订阅成功后，S就可以接收来自Broker的消息了，从始至终，S并不知道也不关心消息来源于哪个具体的P。同理，S还可以向Broker进行退订操作，成功退订后，S就无法接收到来自指定Broker的消息了。这样就完美的解决了P与S之间的解耦。

三、MQTT重要概念

3.1 MQTT Client

publisher 和 subscriber 都属于 MQTT Client，之所以有发布者和订阅者这个概念，其实是一种相对的概念，就是指当前客户端是在发布消息还是在接收消息，发布和订阅的功能也可以由同一个 MQTT Client 实现。

MQTT 客户端是运行 MQTT 库并通过网络连接到 MQTT 代理的任何设备（从微控制器到成熟的服务器）。例如，MQTT 客户端可以是一个非常小的、资源受限的设备，它通过无线网络进行连接并具有一个最低限度的库。基本上，任何使用 TCP/IP 协议使用 MQTT 设备的都可以称之为 MQTT Client。MQTT 协议的客户端实现非常简单直接，易于实施是 MQTT 非常适合小型设备的原因之一。MQTT 客户端库可用于多种编程语言。例如，Android、Arduino、C、C++、C#、Go、iOS、Java、JavaScript 和 .NET。

3.2 MQTT Broker

与 MQTT Client 对应的就是 MQTT Broker，Broker 是任何发布/订阅协议的核心，根据实现的不同，代理可以处理多达数百万连接的 MQTT Client。

Broker 负责接收所有消息，过滤消息，确定是哪个Client 订阅了每条消息，并将消息发送给对应的 Client，Broker 还负责保存会话数据，这些数据包括订阅的和错过的消息。Broker 还负责客户端的身份验证和授权。

3.3 MQTT Connection

MQTT 协议基于 TCP/IP。客户端和代理都需要有一个 TCP/IP 协议支持。

MQTT 连接始终位于一个客户端和代理之间。客户端从不直接相互连接。要发起连接，客户端向代理发送 CONNECT 消息。代理使用 CONNACK 消息和状态代码进行响应。建立连接后，代理将保持打开状态，直到客户端发送断开连接命令或连接中断。

3.4 MQTT主要参数

ClientId：ClientId 的长度可以是 1-23 个字符，在一个服务器上 ClientId 不能重复。如果超过 23 个字符，则服务器返回 CONNACK 消息中的返回码为 Identifier Rejected。在 MQTT 3.1.1 中，如果您不需要代理持有状态，您可以发送一个空的 ClientId。空的 ClientId 导致连接没有任何状态。在这种情况下，clean session 标志必须设置为 true，否则代理将拒绝连接。

Clean Session：Clean Session 标志告诉代理客户端是否要建立持久会话。在持久会话 (CleanSession = false) 中，代理存储客户端的所有订阅以及以服务质量（QoS）级别 1 或 2 订阅的客户端的所有丢失消息。如果会话不是持久的 (CleanSession = true )，代理不为客户端存储任何内容，并清除任何先前持久会话中的所有信息。

Username/Password：MQTT 可以发送用户名和密码进行客户端认证和授权。但是，如果此信息未加密或散列，则密码将以纯文本形式发送。我们强烈建议将用户名和密码与安全传输一起使用。像 HiveMQ 这样的代理可以使用 SSL 证书对客户端进行身份验证，因此不需要用户名和密码。

Will Message：LastWillxxx 表示的是遗愿，client 在连接 broker 的时候将会设立一个遗愿，这个遗愿会保存在 broker 中，当 client 因为非正常原因断开与 broker 的连接时，broker 会将遗愿发送给订阅了这个 topic（订阅遗愿的 topic）的 client。

KeepAlive：keepAlive 是 client 在连接建立时与 broker 通信的时间间隔，通常以秒为单位。这个时间指的是 client 与 broker 在不发送消息下所能承受的最大时长。

QOS：此数字表示消息的服务质量 (QoS)。有三个级别：0、1 和 2。服务级别决定了消息到达预期接收者（客户端或代理）的保证类型。

Payload：这个是每条消息的实际内容。MQTT 是数据无关性的。可以发送任何文本、图像、加密数据以及二进制数据。

timeout：MQTT会尝试接收数据，直到timeout时间到后才会退出。

四、软件和Apollo

4.1 安装Apollo

Apollo（阿波罗）是携程框架部门研发的分布式配置中心，能够集中化管理应用不同环境、不同集群的配置，配置修改后能够实时推送到应用端，并且具备规范的权限、流程治理等特性，适用于微服务配置管理场景。

服务端基于Spring Boot和Spring Cloud开发，打包后可以直接运行，不需要额外安装Tomcat等应用容器。

Java客户端不依赖任何框架，能够运行于所有Java运行时环境，同时对Spring/Spring Boot环境也有较好的支持。

Apollo下载地址http://xn--apollo-np7ii83deeq211d/

4.2 安装Postman

4.3 安装MQTTBox

Microsoft Store里面就有。

账号密码输入即可

五、代码实现

5.1 配置pom.xml

<dependencies>
    <!--导入起步依赖-->
		<dependency>
			<groupId>org.springframework.boot</groupId>
			<artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>org.springframework.boot</groupId>
			<artifactId>spring-boot-starter-integration</artifactId>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>org.springframework.integration</groupId>
			<artifactId>spring-integration-stream</artifactId>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>org.springframework.integration</groupId>
			<artifactId>spring-integration-mqtt</artifactId>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>org.mybatis.spring.boot</groupId>
			<artifactId>mybatis-spring-boot-starter</artifactId>
			<version>1.3.0</version>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>org.springframework.boot</groupId>
			<artifactId>spring-boot-configuration-processor</artifactId>
			<optional>true</optional>
		</dependency>
		<dependency>
			<groupId>com.alibaba</groupId>
			<artifactId>fastjson</artifactId>
			<version>1.2.47</version>
		</dependency>
		
</dependencies>

5.2 配置MQTT服务器基本信息

在springBoot配置文件application.yml中配置，添加如下：

#mqtt配置
com:
  mqtt:
    url: tcp://127.0.0.1:61613
    clientId: mqtt_test1234
    topics: topic01,topic02
    username: admin
    password: password
    timeout: 10
    keepalive: 20
    
#指定服务端口 
server:
  port: 8081   #一般没改过tomcat服务器的端口不用修改

5.3 配置读取yml文件的类MqttConfiguration

package com.vcarecity.config;

import org.springframework.boot.context.properties.ConfigurationProperties;
import org.springframework.stereotype.Component;



/**
 * 读取yml
 */
@Component
@ConfigurationProperties(prefix = "com.mqtt")     //对应yml文件中的com下的mqtt文件配置
public class MqttConfiguration {
	private String url;
	private String clientId;
	private String topics;
    private String username;
    private String password;
    private String timeout;
    private String keepalive;
	public String getUrl() {
		return url;
	}
	public void setUrl(String url) {
		this.url = url;
	}
	public String getUsername() {
		return username;
	}
	public void setUsername(String username) {
		this.username = username;
	}
	public String getPassword() {
		return password;
	}
	public void setPassword(String password) {
		this.password = password;
	}
	public String getClientId() {
		return clientId;
	}
	public void setClientId(String clientId) {
		this.clientId = clientId;
	}
	public String getTopics() {
		return topics;
	}
	public void setTopics(String topics) {
		this.topics = topics;
	}
	public String getTimeout() {
		return timeout;
	}
	public void setTimeout(String timeout) {
		this.timeout = timeout;
	}
	public String getKeepalive() {
		return keepalive;
	}
	public void setKeepalive(String keepalive) {
		this.keepalive = keepalive;
	}
}

5.4 MQTT生产端的Handler处理

package com.vcarecity.mqtt;

import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttConnectOptions;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.integration.annotation.ServiceActivator;
import org.springframework.integration.channel.DirectChannel;
import org.springframework.integration.mqtt.core.DefaultMqttPahoClientFactory;
import org.springframework.integration.mqtt.core.MqttPahoClientFactory;
import org.springframework.integration.mqtt.outbound.MqttPahoMessageHandler;
import org.springframework.messaging.MessageChannel;
import org.springframework.messaging.MessageHandler;

import com.vcarecity.config.MqttConfiguration;

/**
 * MQTT生产端
 *
 */
@Configuration
public class MqttOutboundConfiguration {
	@Autowired
	private MqttConfiguration mqttProperties;

	@Bean
	public MessageChannel mqttOutboundChannel() {
		return new DirectChannel();
	}

	@Bean
	public MqttPahoClientFactory mqttClientFactory() {
		DefaultMqttPahoClientFactory factory = new DefaultMqttPahoClientFactory();
		String[] array = mqttProperties.getUrl().split(",");
		MqttConnectOptions options = new MqttConnectOptions();
		options.setServerURIs(array);
		options.setUserName(mqttProperties.getUsername());
		options.setPassword(mqttProperties.getPassword().toCharArray());
		// 接受离线消息
		options.setCleanSession(false); //告诉代理客户端是否要建立持久会话   false为建立持久会话

		factory.setConnectionOptions(options);
		return factory;
	}

	@Bean
	@ServiceActivator(inputChannel = "mqttOutboundChannel")
	public MessageHandler mqttOutbound() {
		MqttPahoMessageHandler messageHandler = new MqttPahoMessageHandler(
				mqttProperties.getClientId()+"outbound", mqttClientFactory());
		messageHandler.setAsync(true);

		return messageHandler;
	}



}

5.5 MQTT消费端的Handler处理

实现了对inboundtopic中的主题监听，当有消息推送到inboundtopic主题上时可以接受

package com.vcarecity.mqtt;

import org.eclipse.paho.client.mqttv3.MqttConnectOptions;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.integration.annotation.IntegrationComponentScan;
import org.springframework.integration.annotation.ServiceActivator;
import org.springframework.integration.channel.DirectChannel;
import org.springframework.integration.core.MessageProducer;
import org.springframework.integration.mqtt.core.DefaultMqttPahoClientFactory;
import org.springframework.integration.mqtt.core.MqttPahoClientFactory;
import org.springframework.integration.mqtt.inbound.MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter;
import org.springframework.integration.mqtt.support.DefaultPahoMessageConverter;
import org.springframework.integration.mqtt.support.MqttHeaders;
import org.springframework.messaging.Message;
import org.springframework.messaging.MessageChannel;
import org.springframework.messaging.MessageHandler;
import org.springframework.messaging.MessagingException;

import com.vcarecity.config.MqttConfiguration;

/**
 * MQTT消费端
 *
 */
@Configuration
@IntegrationComponentScan
public class MqttInboundConfiguration {

	@Autowired
	private MqttConfiguration mqttProperties;


	@Bean
	public MessageChannel mqttInputChannel() {
		return new DirectChannel();
	}

	@Bean
	public MqttPahoClientFactory mqttClientFactory() {
		DefaultMqttPahoClientFactory factory = new DefaultMqttPahoClientFactory();
		    String[] array = mqttProperties.getUrl().split(",");
			MqttConnectOptions options = new MqttConnectOptions();
			options.setServerURIs(array);
			options.setUserName(mqttProperties.getUsername());
			options.setPassword(mqttProperties.getPassword().toCharArray());
			options.setKeepAliveInterval(2);

			//接受离线消息
			options.setCleanSession(false);
			factory.setConnectionOptions(options);
		return factory;
	}

	//配置client,监听的topic
	@Bean
	public MessageProducer inbound() {
		String[] inboundTopics = mqttProperties.getTopics().split(",");
		MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter adapter = new MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter(
				mqttProperties.getClientId()+"_inbound",mqttClientFactory(), inboundTopics);  //对inboundTopics主题进行监听
		adapter.setCompletionTimeout(5000);
		adapter.setQos(1);
		adapter.setConverter(new DefaultPahoMessageConverter());
		adapter.setOutputChannel(mqttInputChannel());
		return adapter;
	}




	//通过通道获取数据
	@Bean
	@ServiceActivator(inputChannel = "mqttInputChannel")  //异步处理
	public MessageHandler handler() {
		return new MessageHandler() {
			@Override
			public void handleMessage(Message<?> message) throws MessagingException {
//				System.out.println("message:"+message);
				System.out.println("----------------------");
				System.out.println("message:"+message.getPayload());
				System.out.println("PacketId:"+message.getHeaders().getId());
				System.out.println("Qos:"+message.getHeaders().get(MqttHeaders.QOS));

				String topic = (String) message.getHeaders().get(MqttHeaders.RECEIVED_TOPIC);
				System.out.println("topic:"+topic);
			}
		};
	}
}

5.6 写个Controller类来进行访问控制测试

package com.vcarecity.controller;


import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

import com.vcarecity.mqtt.MqttGateway;

@RestController
public class MqttPubController {
	
	@SuppressWarnings("SpringJavaInjectionPointsAutowiringInspection")
	@Autowired
	private MqttGateway mqttGateway;


	@RequestMapping("/hello")
	public String hello() {
		return "hello!";
	}
	
	 @RequestMapping("/sendMqtt")
	    public String sendMqtt(String  sendData){
		 	System.out.println(sendData);
	    	System.out.println("进入sendMqtt-------"+sendData);
	        mqttGateway.sendToMqtt("topic01",(String) sendData);
	        return "Test is OK";
	    }



	@RequestMapping("/sendMqttTopic")
	public String sendMqtt(String  sendData,String topic){
		//System.out.println(sendData+"   "+topic);
		//System.out.println("进入inbound发送："+sendData);
		mqttGateway.sendToMqtt(topic,(String) sendData);
		return "Test is OK";
	}
}

六、测试

直接调用Controller中的URL进行调用测试：

6.1测试生产端的Handler

6.2 测试消费端的Handler

使用Postman：

http://localhost:8081/sendMqttTopic?sendData=this is mq55555&topic=topic01

可以看见测试台上会出现Message消息，这边实现的是对inboundtopic中的主题监听实现：

刚开始没有出现上图效果，查了好久的bug。结果重启Apollo就好了

如果我要配置多个client，应该怎么处理呢？这个也简单

（1）我们只要配置多个通道即可，简单代码如下：

//通道2
@Bean
public MessageChannel mqttInputChannelTwo() {
    return new DirectChannel();
}
//配置client2，监听的topic:hell2,hello3
@Bean
public MessageProducer inbound1() {
    MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter adapter =
            new MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter(clientId+"_inboundTwo", mqttClientFactory(),
                    "hello2","hello3");
    adapter.setCompletionTimeout(completionTimeout);
    adapter.setConverter(new DefaultPahoMessageConverter());
    adapter.setQos(1);
    adapter.setOutputChannel(mqttInputChannelTwo());
    return adapter;
}
 
//通过通道2获取数据
@Bean
@ServiceActivator(inputChannel = "mqttInputChannelTwo")
public MessageHandler handlerTwo() {
    return new MessageHandler() {
       @Override
			public void handleMessage(Message<?> message) throws MessagingException {
//				System.out.println("message:"+message);
				System.out.println("----------------------");
				System.out.println("message:"+message.getPayload());
				System.out.println("PacketId:"+message.getHeaders().getId());
				System.out.println("Qos:"+message.getHeaders().get(MqttHeaders.QOS));

				String topic = (String) message.getHeaders().get(MqttHeaders.RECEIVED_TOPIC);
				System.out.println("topic:"+topic);
    };
}

（2）因为我这个项目用的是读取yml文件的，所以只需要在yml文件中的topics即可，加自己想要的topic。

topics: topic03,topic04,topic01,topic02

以上测试都可以使用MQTTBox完成

后言：

小白一枚，欢迎交流

资料参考：

Spring官网对MQTT的支持：MQTT Support (spring.io)

Tackoverflow上面关于MQTT的资料，需要翻阅墙体：

Google上的MQTT论坛

参考文章：

https://blog.csdn.net/tjvictor/article/details/5223309

https://blog.csdn.net/riemann_/article/details/118686072

No pains No results

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