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一、項(xiàng)目功能介紹
當(dāng)前基于MQTT協(xié)議設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)圖傳系統(tǒng)，通過這個(gè)項(xiàng)目來演示，兩個(gè)MQTT設(shè)備如何互相訂閱，進(jìn)行消息流轉(zhuǎn)。 在阿里云服務(wù)器上創(chuàng)建2個(gè)設(shè)備，分為為設(shè)備A和設(shè)備B；設(shè)備A負(fù)責(zé)采集本地?cái)z像頭畫面上傳，設(shè)備B負(fù)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(dòng)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?yàn)榘⒗镌频淖畲髷?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(xiàng)目是采用MQTT協(xié)議實(shí)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(jì)，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(bào)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(yùn)行效果：
總結(jié)軟件運(yùn)行的體驗(yàn)效果：
（1） 非常流暢。兩個(gè)窗口肉眼感覺不到延遲。
（2）服務(wù)器不要錢。
這個(gè)方案驗(yàn)證之后，可以衍生出很多實(shí)際的例子了：
比如， 單片機(jī)+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、MQTT協(xié)議
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)是一種輕量級(jí)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(jìn)行雙向通信。MQTT被設(shè)計(jì)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(diǎn)：
（1）發(fā)布/訂閱模型：客戶端可以選擇訂閱一個(gè)或多個(gè)主題(topic)，并接收與這些主題相關(guān)的消息；同時(shí)，客戶端也可以發(fā)布消息到一個(gè)或多個(gè)主題上。
（2）輕量級(jí)：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(jí)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(chǎng)景的需要進(jìn)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(shí)，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(shí)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(jí)、靈活性高、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中。
2、MQTT協(xié)議載體
MQTT協(xié)議是基于TCP協(xié)議傳輸報(bào)文的。MQTT使用TCP/IP協(xié)議棧來實(shí)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(diǎn)。
在MQTT連接建立時(shí)，客戶端需要通過TCP連接到MQTT服務(wù)器，并進(jìn)行握手協(xié)商，包括協(xié)議版本、客戶端標(biāo)識(shí)符、遺囑消息、QoS級(jí)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(gè)持久化的TCP連接，可以隨時(shí)進(jìn)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(shí)現(xiàn)發(fā)布/訂閱機(jī)制、QoS級(jí)別控制、保留消息等特性即可，從而使得它成為一種輕量級(jí)且高效的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議。
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(jìn)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(duì)象的屬性值進(jìn)行傳輸。
Base64編碼是一種將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ASCII字符的方法，它使用64個(gè)字符來表示任意序列的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。Base64編碼后的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度會(huì)比原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)略長(zhǎng)，但可以方便地被轉(zhuǎn)換為文本格式并在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。
以下是一個(gè)示例JSON對(duì)象，其中包含了一個(gè)Base64編碼后的圖片數(shù)據(jù)：
{
"imageData": "/9j/4AAQSkZJRgABAQEAYABgAAD/2wBD...",
"imageName": "my_image.png"
}在這個(gè)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(duì)象后，可以通過解碼Base64字符串并將其保存為二進(jìn)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(duì)較大，因此在實(shí)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。
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(shí)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(jí)別、MQTT消息頭部信息等。
一般來說，在默認(rèn)情況下，MQTT協(xié)議對(duì)于單個(gè)消息的有效載荷有一個(gè)限制，即不超過256MB。這個(gè)限制主要由MQTT協(xié)議的消息長(zhǎng)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(gè)字節(jié)的消息長(zhǎng)度，即約為4GB。然而，在實(shí)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(shí)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(jí)別的QoS，如“至少一次”或“恰好一次”，則MQTT協(xié)議會(huì)對(duì)每條消息進(jìn)行確認(rèn)和重傳，這可能會(huì)導(dǎo)致更多的網(wǎng)絡(luò)流量和延遲。因此，在選擇QoS級(jí)別時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以充分利用MQTT協(xié)議的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。
三、阿里云服務(wù)器創(chuàng)建
官網(wǎng)地址: ??https://iot.console.aliyun.com/lk/summary/new??
1、創(chuàng)建產(chǎn)品
2、添加設(shè)備
{
"ProductKey": "a12qAqNZg3i",
"DeviceName": "video_de1",
"DeviceSecret": "206a4bc03642930542a9bcb8925b9a0f"
}創(chuàng)建完成。
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。
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(tái)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(tái)上創(chuàng)建的產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)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(tái)上創(chuàng)建的產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)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(tái)上創(chuàng)建的產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)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(tái)上創(chuàng)建產(chǎn)品時(shí)生成的實(shí)際productKey。
下面是阿里云國(guó)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(hào)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(duì)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:\Users\11266>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(shí)間=40ms TTL=88
來自 47.103.191.238 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間=40ms TTL=88
來自 47.103.191.238 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間=40ms TTL=88
來自 47.103.191.238 的回復(fù): 字節(jié)=32 時(shí)間=40ms TTL=88
47.103.191.238 的 Ping 統(tǒng)計(jì)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(jì)時(shí)間(以毫秒為單位):
最短 = 40ms，最長(zhǎng) = 40ms，平均 = 40ms
C:\Users\11266>
5、MQTT三元組格式
下載三元組生成小工具：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
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(bào)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
7、MQTT設(shè)備登錄
利用MQTT客戶端完成設(shè)備登錄測(cè)試。
IP地址：47.103.191.238
端口號(hào)：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(bào)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(duì)號(hào)入座填入?yún)?shù)，測(cè)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。
8、繼續(xù)創(chuàng)建設(shè)備2
監(jiān)控設(shè)備有兩個(gè)，1個(gè)設(shè)備為攝像頭圖片發(fā)送端，一個(gè)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(hào)：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(bào)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)
1、創(chuàng)建解析器
創(chuàng)建完成。
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(bào)的消息內(nèi)容，并按照J(rèn)SON格式轉(zhuǎn)換。
var data = payload("json");
//直接流轉(zhuǎn)物模型上報(bào)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(dòng)解析器。
3、測(cè)試兩個(gè)設(shè)備的訂閱
設(shè)備1的參數(shù)：
IP地址：47.103.191.238
端口號(hào)：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(hào)：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(xiàng)目開發(fā)
1、base64轉(zhuǎn)碼實(shí)現(xiàn)
攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)之后會(huì)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的實(shí)現(xiàn)代碼。
const char * base64char = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";
//進(jìn)行base64編碼
//bindata:進(jìn)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] = '\0';
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] != '\0' ; 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;
}
2、軟件設(shè)計(jì)
3、運(yùn)行效果
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