IoT系列 - 基于MQTT实现RGB灯远程控制（之一·理论篇）

1. 初衷

最近在给一所大专3年级的同学上安卓开发课程，同学们以前所学的课程以嵌入式开发为主，对于软件开发可能不太熟悉，而且同学们也即将开始毕业设计，出于毕业设计启发的目的，本系列文章将带着大家从0开始搭建属于一个手机APP控制RGB灯的项目。希望本系列文章可以给同学们一些点子与启示。

本系列将以3篇文章，分别介绍项目涉及的理论知识、嵌入式单片机的实现、安卓APP的实现这3个部分，详细讲解如何从0开始去构建一个完整的项目。

2. 项目成果演示

3. 适用人群

本科或大专同学，希望学习物联网相关知识的同学和电子/软件开发爱好者。此篇比较基础，如果有相关经验的可以直接跳过相关章节。

4. 入门知识

4.1 MQTT协议入门

由于需要实现远程控制，本教程适用物联网领域非常流行的MQTT通信协议，实现基于消息订阅的设备控制系统。

MQTT是一个基于发布/订阅模式的轻量级的基于TCP的通信协议。由于其轻量化的特性，MQTT被广泛应用于物联网设备的传输。

4.1.1 发布/订阅模式

MQTT的核心是消息的发布和订阅，那何为发布/订阅模式呢？我们以生活中常见的订阅报纸的模式来简要描述该模式。

例如有些读者喜欢了解时事新闻，有些读者喜欢大山大河的地理风光，假如这些读者通过邮局去订阅了各自喜好的杂志。

因为杂志会有成百上千种，而读者可能只喜欢订阅其中某几本杂志，所以在邮局里面，邮局需要注册读者A订阅的是哪几本杂志，读者B定也的是哪几本，有了这个映射关系后，当有新的杂志发行，邮局就可以根据订阅关系投递到对应的读者手上。

这里会涉及到如下几个角色：

• 杂志，印刷和承载了不同的内容，包括风光杂志、时事杂志等。（主题）
• 出版社，负责编写和印刷不同种类的杂志。（发布者）
• 邮局，负责接收来自出版社出版的最新的杂志，并投递杂志到相关的读者家里。（消息中心Broker）
• 读者，杂志的订阅者，读者可以根据自己的喜好，订阅不同的杂志。（订阅者）

sequenceDiagram
    participant 报社 as 出版社
    participant 邮局 as 邮局/Broker
    participant 读者A as 读者A/订阅者
    participant 读者B as 读者B/订阅者
    participant 读者C as 读者C/订阅者

    Note over 读者A,读者C: 订阅阶段
    读者A->>邮局: 订阅「体育报」
    读者B->>邮局: 订阅「财经报」
    读者C->>邮局: 订阅「体育报」
    
    Note over 报社,邮局: 发布阶段
    报社->>邮局: 发布新「体育报」
    报社->>邮局: 发布新「财经报」
    
    Note over 邮局,读者C: 分发阶段
    邮局->>读者A: 投递「体育报」
    邮局->>读者B: 投递「财经报」 
    邮局->>读者C: 投递「体育报」

4.1.2 MQTT核心概念

在物联网中，MQTT协议就像杂志订阅例子一样，消息由设备产生，而我们的APP就像读者，设备有成千上万个，而我们某个用户的APP可能只关心自己的几个设备，所以读者可以通过Broker订阅特定设备的消息主题。

MQTT的基本模型

• 发布/订阅模式：消息发送者（发布者）和接收者（订阅者）解耦
• 主题(Topic)：消息的分类通道，如 sensor/temperature
• Broker：消息代理服务器，负责路由消息

三个角色

• 发布者(Publisher) - 发送消息的设备
• 代理(Broker) - 消息中转服务器
• 订阅者(Subscriber) - 接收消息的应用

消息质量等级QoS

因为网络的不可靠性，MQTT为消息定义了不同的消息质量等级，我们可以根据消息的重要性来选择不同的QoS等级。

• QoS 0: 可容忍数据丢失的实时监测
• QoS 1: 需要可靠送达的控制指令
• QoS 2: 不能丢失也不能重复的关键业务

消息主题

主题就是消息的收件地址，Broker根据地址精准投递给订阅了该地址的订阅者。

• 分层结构，用/分隔，如home/livingroom/temperature
• 通配符，主题支持通配符
  • +：单级匹配 home/+/temperature
  • #：多级匹配 home/#
• 订阅过滤，订阅者只收到匹配主题的消息

例如，使用主题来描述不同城市的天气状况，主题格式:

• 天气预报：省份或直辖市自治区/城市/forecast
• PM2.5：省份或直辖市自治区/城市/pm25
• 空气质量：省份或直辖市自治区/城市/air-quality

假如有如下场景:

1. 用户A只关心北京的天气，那么用户A可以订阅北京的天气预报消息主题：beijing/beijing/forecast
2. 用户B关心整个广东的PM2.5，那么用户B可以使用通配符，订阅整个广东的天气消息：guangdong/+/pm25
3. 用户C关心整个广东的天气预报，PM2.5，空气质量，那么用户C可以使用通配符，订阅整个广东的天气消息：guangdong/#

4.1.3 MQTT版本对比

MQTT被广泛应用的版本主要是 v3.1.1 (2014年发布) 和 v5.0 (2019年发布)，

• v3.1.1 是一个稳定、久经考验的基准协议，功能完善，但错误处理和会话管理较为简单；
• v5.0 是面向未来、功能更强大的协议，它解决了 v3.1.1 在大规模部署和复杂场景中所面临的痛点。

4.2 JSON数据格式入门

我们了解了MQTT协议的一些基本概念后，我们将要学习具体的数据传输格式。因为MQTT并未规定每个消息主题的消息内容是以什么数据格式传输，这个需要有应用开发者自行制定。

我们这个系列将以互联网中非常流行，且简单易于理解的JSON数据格式作为RGB灯光控制指令的编码格式。

4.2.1 JSON是什么

JSON (Javascript Object Notation) 是一个文本编码格式，可以无需借助特殊工具，即可让人类阅读和修改。JSON最初是在javascript语言中流行，后来由于其轻量性和可阅读性，被广泛应用于不同的语言中，在服务器API中也被广泛支持。

4.2.2 JSON的格式规范

1. 键值对 (Key-Value Pairs)

{
  "name": "张三",
  "age": 25,
  "isStudent": false
}

2. 值的数据类型

   • 字符串：“hello”（必须双引号）
   • 数字：123、12.34
   • 布尔值：true、false
   • null：null
   • 对象：{ … }
   • 数组：[ … ]

4.2.3 JSON对象

用花括号 {} 包裹，包含键值对：

{
  "firstName": "李",
  "lastName": "四",
  "address": {
    "city": "北京",
    "street": "长安街"
  }
}

4.2.4 JSON数组

用方括号 [] 包裹，包含有序的值列表：

["苹果", "香蕉", "橙子"]

4.2.5 JSON完整示例

{
  "students": [
    {
      "id": 1,
      "name": "小明",
      "courses": ["数学", "英语"],
      "scores": {
        "数学": 95,
        "英语": 88
      }
    },
    {
      "id": 2,
      "name": "小红",
      "courses": ["语文", "物理"]
    }
  ],
  "totalCount": 2
}

5. 系统架构

所谓高屋建瓴，有了以上的知识储备后，我们从宏观的角度来看看我们的系统是由哪几个部分组成，然后我们就可以以庖丁解牛的方式，逐个组件去实现，最后集成并进行调试。

5.1 系统架构图

系统架构总览请看下图:

graph TB
    subgraph Devices
        D1[RGB灯2]
        D2[RGB灯1]
        D3[RGB灯3]
    end
    
    subgraph MQTT Broker
        B[MQTT Broker<br/>mosquitto/EMQX/HiveMQ]
    end
    
    subgraph Applications
        A1[App用户1]
        A2[App用户2]
        A3[App用户3]
    end
    
    D1 -->|上报灯的状态| B
    D2 -->|上报灯的状态| B
    D3 -->|上报灯的状态| B
    
    B -->|订阅上行数据| A1
    B -->|订阅上行数据| A2
    B -->|订阅上行数据| A3
    
    A1 -->|发送控制上行命令| B
    B -->|推送下行命令| D1

系统分为3个组件

5.1.1 MQTT Broker

出于实验的目的，我们这里使用公开的mqtt broker作为本项目的消息交换中心，公开的无需授权即可接入的broker包括:

• EMQX, broker.emqx.io, TCP端口:1883, WebSocket端口: 8083
• Mosquitto, test.mosquitto.org, TCP端口: 1883, WebSocket端口: 8080
• HiveMQ, broker.hivemq.com, TCP端口: 1883, WebSocket端口: 8000

⚠️ 注意： 以上公开的broker只作为实验用途，切勿用于生产环境哦

5.1.2 设备端

设备端使用的是ESP32S3开发板, 某宝上非常多，可以选择合适的购买，规格购买: ESP32-S3-8R2开发板(焊接)，需要留意的是，需要购买带WS2812 RGB灯的开发板哦，样品如下图所示：

设备端软件，我们使用的是Platformio的Arduino环境，简化开发难度。后续系列文章将详细介绍如何搭建与开发设备端的程序，敬请关注。

5.1.3 APP端

APP端我打算先介绍如何使用原生安卓开发一个MQTT客户端，后续会出系列文章介绍如何使用flutter和iOS原生来开发APP侧的应用，敬请期待。

5.1.4 通信协议

本项目使用如下主题实现双向通信

• 设备上行: eiot/<MAC地址>/properties/upstream，其中MAC地址通过程序获取，每个模组不一样。
• 设备下行: eiot/<MAC地址>/properties/downstream

主题的payload使用json编码，数据格式如下：

参考示例：

{
    "command": "light",
    "payload": { 
        "r": 96, 
        "b": 255, 
        "g": 0, 
        "i": 0, 
        "a": 100 
    }
}

上述指令表示，设置灯的颜色为R = 96, B = 255, G = 0，亮度设置为100

5.2 MQTT时序图

本项目的各个组件的交互流程如下图所示，本项目使用的是EMQX的broker：broker.emqx.io

sequenceDiagram
    participant Device as ESP32-RGB灯
    participant Broker
    participant App

    Note over Device,App: 设备连接与消息发布
    Device->>Broker: CONNECT
    Broker->>Device: CONNACK
    Device->>Broker: PUBLISH eiot/MAC/properties/upstream
    
    Note over Device,App: 应用订阅
    App->>Broker: SUBSCRIBE eiot/MAC/properties/upstream
    Broker->>App: SUBACK
    
    Note over Device,App: 消息路由分发
    Broker->>App: PUBLISH eiot/MAC/properties/upstream
    
    Note over Device,App: 应用控制
    App->>Broker: PUBLISH eiot/MAC/properties/downstream
    Broker->>Device: PUBLISH eiot/MAC/properties/downstream

5.2.1 设备端流程

1. 搜索预先设置的Wi-Fi路由器，并尝试连接
2. 连接上网络后，发起MQTT连接
3. 连接上broker后，订阅下行数据主题eiot/<MAC地址>/properties/downstream，注意，每个模组的mac都不一样哦
4. 接收到下行数据主题后，调用FastLED库控制WS2818灯

5.2.2 APP端流程

1. 用户可以通过APP设置需要订阅的设备的MAC
2. 实现一个色彩环Picker，用户可以选择自己喜欢的颜色
3. 连接mqtt broker
4. 订阅设备上行数据主题: eiot/<MAC地址>/properties/upstream
5. 用户选择色环的颜色后，发布下行数据主题：eiot/<MAC地址>/properties/downstream

6. 参考文献

• MQTT Version 3.1.1 Plus Errata 01, https://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/mqtt-v3.1.1.html
• MQTT Version 5.0, https://docs.oasis-open.org/mqtt/mqtt/v5.0/mqtt-v5.0.html
• JSON Schema and Hyper-Schema. json-schema.org