基于MQTT协议设计的实时图传系统（阿里云物联网平台）

DS小龙哥-嵌入式技术 2023-04-27 6650

描述

一、项目功能介绍

当前基于MQTT协议设计了一个实时图传系统，通过这个项目来演示，两个MQTT设备如何互相订阅，进行消息流转。在阿里云服务器上创建2个设备，分为为设备A和设备B；设备A负责采集本地摄像头画面上传，设备B负责接收设备A上传的数据然后解析显示出来。在阿里云服务器上需要配置云产品流转，让设备A的数据上传后自动发送给设备B。这样就完成了视频画面数据的流转。不过因为阿里云的最大数据限制，每次最大发送10240字节的数据。

当前的项目是采用MQTT协议实现，那么先来了解一下什么是MQTT协议。

软件采用Qt设计，QT版本是5.12.6

设备A的功能：获取摄像头的数据---》缩放成240*320---》编码成JPEG格式---》转码成base64---》组合成MQTT报文---》上传到服务器。

设备B的功能：订阅设备A上传的数据，得到数据后解析出源格式数据---》将图像画面渲染显示出来。

软件运行效果：

总结软件运行的体验效果：

（1）非常流畅。两个窗口肉眼感觉不到延迟。

（2）服务器不要钱。

这个方案验证之后，可以衍生出很多实际的例子了：比如，单片机+摄像头+MQTT协议也可以做为图传发送端。联网可以使用：WIFI或者4G模块、5G模块。

1.1 MQTT协议

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)是一种轻量级的、基于发布/订阅的消息传输协议，它可以在客户端和服务器之间进行双向通信。MQTT被设计为适用于低带宽、不稳定网络连接的物联网设备通信。

MQTT具有以下主要特点：

（1）发布/订阅模型：客户端可以选择订阅一个或多个主题(topic)，并接收与这些主题相关的消息；同时，客户端也可以发布消息到一个或多个主题上。

（2）轻量级：MQTT的协议头非常小，最小只有2字节，这使得它非常适合于传输数据量较小的IoT设备。

（3）QoS（服务质量）支持：MQTT支持三种不同的QoS级别，分别是“至多一次”、“至少一次”和“恰好一次”，可以根据应用场景的需要进行选择。

（4）保留消息：MQTT服务器可以将最新的消息保留在主题中，并让新的订阅者能够读取先前发布的消息。

（5）遗嘱消息：当客户端与服务器连接异常断开时，服务器可以向其他订阅了该主题的客户端发送遗嘱消息，以实现更可靠的消息传输。

总之，MQTT是一种非常适合物联网设备通信的协议，它具有轻量级、灵活性高、易于实现、可靠性强等优点，已经被广泛地应用于各种物联网场景中。

1.2 MQTT协议载体

MQTT协议是基于TCP协议传输报文的。MQTT使用TCP/IP协议栈来实现通信，因此它具有TCP协议的一些特性，如可靠性、流控制和建立持久连接等特点。

在MQTT连接建立时，客户端需要通过TCP连接到MQTT服务器，并进行握手协商，包括协议版本、客户端标识符、遗嘱消息、QoS级别等信息，以确保双方能够正确地交换数据。一旦握手成功，客户端和服务器之间就建立了一个持久化的TCP连接，可以随时进行消息传输。

由于TCP协议本身已经提供了一定程度的可靠性保证，因此MQTT协议只需要在TCP的基础上实现发布/订阅机制、QoS级别控制、保留消息等特性即可，从而使得它成为一种轻量级且高效的物联网通信协议。

1.3 JSON里如何保存图片数据？

在JSON中保存图片数据通常需要将图片转换为二进制数据，并将其编码成Base64字符串，然后将该字符串作为JSON对象的属性值进行传输。

Base64编码是一种将二进制数据转换为ASCII字符的方法，它使用64个字符来表示任意序列的二进制数据。Base64编码后的数据长度会比原始二进制数据略长，但可以方便地被转换为文本格式并在网络上进行传输。

以下是一个示例JSON对象，其中包含了一个Base64编码后的图片数据：

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

在这个示例中，imageData属性表示图片数据的Base64编码字符串，imageName属性表示图片文件名。在接收到JSON对象后，可以通过解码Base64字符串并将其保存为二进制数据，再将其写入磁盘或者显示在应用程序中。

需要注意的是，由于Base64编码后的数据量相对较大，因此在实际应用中，如果需要传输大量的图片数据，建议使用其他更适合的数据传输方式，如MQTT协议、WebSocket等。

1.4 MQTT协议最大能传多少有效字节的数据？

MQTT协议本身没有限制数据包的大小，但是它需要遵循底层传输协议（TCP/IP）的限制和约束。在实际应用中，MQTT协议能够传输的有效数据量是受多种因素影响的，如网络带宽、QoS级别、MQTT消息头部信息等。

一般来说，在默认情况下，MQTT协议对于单个消息的有效载荷有一个限制，即不超过256MB。这个限制主要由MQTT协议的消息长度字段决定，该字段的最大值是4字节，因此最大能表示2^32-1个字节的消息长度，即约为4GB。然而，在实际应用中，由于网络带宽和设备性能等方面的限制，很难实现传输如此巨大的消息。

另外，需要注意的是，如果使用较高级别的QoS，如“至少一次”或“恰好一次”，则MQTT协议会对每条消息进行确认和重传，这可能会导致更多的网络流量和延迟。因此，在选择QoS级别时，需要根据应用场景和网络环境的实际情况进行优化和调整，以充分利用MQTT协议的特点和优势。

三、阿里云服务器创建

官网地址: https://iot.console.aliyun.com/lk/summary/new

3.1 创建产品

3.2 添加设备

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

创建完成。

3.3 创建自定义属性

在产品页面的，找到功能定义。

最大一次只能传递10KB。

3.4 MQTT服务器地址和端口

关于MQTT协议登录所需要的参数官方说明文档: https://help.aliyun.com/document_detail/140507.html?spm=a2c4g.11186623.6.571.1e417544OGPj2y

阿里云物联网服务器的域名规则如下：

 物联网平台的域名格式为：productKey.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com，其中productKey是您在物联网平台上创建的产品的标识符，cn-shanghai表示物联网服务器所在的地区。
 
 MQTT协议的域名格式为：productKey.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com，其中productKey是您在物联网平台上创建的产品的标识符，cn-shanghai表示物联网服务器所在的地区。
 
 HTTPS协议的域名格式为：productKey.iot-as-http.cn-shanghai.aliyuncs.com，其中productKey是您在物联网平台上创建的产品的标识符，cn-shanghai表示物联网服务器所在的地区。
 
 需要注意的是，以上的域名规则中，productKey需要替换成你在物联网平台上创建产品时生成的实际productKey。

 下面是阿里云国内的服务器地域和可用区详情：
  
 地域名称    所在城市    Region ID   可用区数量
 华北 1    青岛  cn-qingdao      2
 华北 2    北京  cn-beijing      10
 华北 3    张家口 cn-zhangjiakou  3
 华北 5    呼和浩特    cn-huhehaote    2
 华北 6    乌兰察布    cn-wulanchabu   3
 华东 1    杭州  cn-hangzhou     8
 华东 2    上海  cn-shanghai     8
 华南 1    深圳  cn-shenzhen     6
 华南 2    河源  cn-heyuan       2
 华南 3    广州  cn-guangzhou    2
 西南 1    成都  cn-chengdu      2
 
 端口号是：1883
 
 我的设备参数：
 {
   "ProductKey": "a12qAqNZg3i",
   "DeviceName": "video_de1",
   "DeviceSecret": "206a4bc03642930542a9bcb8925b9a0f"
 } 
 
     
 经过上面的格式解释，我的阿里云服务器登录的域名就是(选择的是上海服务器)：
 a12qAqNZg3i.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com

解析域名对应的IP地址：

 Microsoft Windows [版本 10.0.19044.2604]
 (c) Microsoft Corporation。保留所有权利。
 
 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 字节的数据:
 来自 47.103.191.238 的回复: 字节=32 时间=40ms TTL=88
 来自 47.103.191.238 的回复: 字节=32 时间=40ms TTL=88
 来自 47.103.191.238 的回复: 字节=32 时间=40ms TTL=88
 来自 47.103.191.238 的回复: 字节=32 时间=40ms TTL=88
 
 47.103.191.238 的 Ping 统计信息:
     数据包: 已发送 = 4，已接收 = 4，丢失 = 0 (0% 丢失)，
 往返行程的估计时间(以毫秒为单位):
     最短 = 40ms，最长 = 40ms，平均 = 40ms
 
 C:Users11266>

3.5 MQTT三元组格式

下载密码生成小工具：https://help.aliyun.com/document_detail/292635.htm?spm=a2c4g.11186623.0.0.5aaf635b3zgveM#section-jx3-u57-pmm

打开密码生成工具：

生成MQTT登录的密匙： 填入的参数就是前面创建设备得到信息。

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

3.6 主题发布与订阅的格式

在产品页面可以看到主题格式: https://iot.console.aliyun.com/product/productDetail/a1cMlEwEwjg/func?current=2

总结：

 发布主题:
 /sys/a12qAqNZg3i/video_de1/thing/event/property/post
 上报属性消息的格式:  
 {"method":"thing.event.property.post","params":{"image":"1234567890"}}
 
 订阅主题:
 /sys/a12qAqNZg3i/video_de1/thing/service/property/set

3.7 MQTT设备登录

利用MQTT客户端完成设备登录测试。

 IP地址：47.103.191.238
 
 端口号：1883
 
 mqttClientId:  video_de1|securemode=2,signmethod=hmacsha1,timestamp=1678078910527|
 
 username: video_de1&a12qAqNZg3i
 
 password: 02F7190BE8C33C1A8009EDBAF824BFDC6784FC67
 
 
 发布主题:
 /sys/a12qAqNZg3i/video_de1/thing/event/property/post
 上报属性消息的格式:  
 {"method":"thing.event.property.post","params":{"image":"1234567890"}}
 
 订阅主题:
 /sys/a12qAqNZg3i/video_de1/thing/service/property/set

对号入座填入参数，测试主题订阅，主题发布：

数据接收成功：

到此服务器创建成功。

3.8 继续创建设备2

监控设备有两个，1个设备为摄像头图片发送端，一个设备是图片接收显示端。

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

创建成功。

接下来生成设备2的MQTT三元组密匙，和前面一样的方法。

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

username: 
video_dev2&a12qAqNZg3i

password: 
15D2C020586E165E6A35BB2FA4DEB9DD59F3E73E

参数总结：

IP地址：47.103.191.238

端口号：1883

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

username:  video_dev2&a12qAqNZg3i

password:  15D2C020586E165E6A35BB2FA4DEB9DD59F3E73E


发布主题:
/sys/a12qAqNZg3i/video_dev2/thing/event/property/post

上报属性消息的格式:  
{"method":"thing.event.property.post","params":{"image":"abcdefg"}}

订阅主题:
/sys/a12qAqNZg3i/video_dev2/thing/service/property/set

四、云产品流转

4.1 创建解析器

创建完成。

4.2 创建规则

添加主题：

设置数据目的：

编写解析器脚本:

帮助文档地址：https://help.aliyun.com/document_detail/270937.html

下面编写代码，获取设备1上传的数据，转发给设备2。

//通过payload函数，获取设备上报的消息内容，并按照JSON格式转换。
var data = payload("json");
//直接流转物模型上报数据。
writeIotTopic(1000, "/a12qAqNZg3i/video_dev2/user/get", data)

写好解析器就发布。

在云产品流转的首页启动解析器。

4.3 测试两个设备的订阅

设备1的参数：

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

设备1发布主题：
主题格式：/a12qAqNZg3i/video_de1/user/update
数据内容：{"method":"thing.event.property.post","params":{"image":"1234567890"}}

设备2的参数:

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

设备2订阅主题：
主题格式：/a12qAqNZg3i/video_dev2/user/get

五、项目开发

5.1 base64编码和解码实现

摄像头采集图像数据之后会编码成base64格式的字符串，再通过MQTT协议上传到物联网服务器。下面就是base64编码和解码的实现代码。

const char * base64char = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";

//进行base64编码
//bindata:进行编码的图片数据
//base64:转换后的base64编码
//binlength:图片大小
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;
}

//解码base64
//base64:base64编码
//bindata:图片数据
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 软件设计

5.4 运行效果

审核编辑：汤梓红

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