四、嵌入式系统中如何利用 MQTT 消息总线

从上面的描述中可以看到,只要在服务端运行着一个 MQTT Broker 服务,每个连接到总线的客户端都可以灵活地相互收发数据。

我们可以把这个机制应用在嵌入式应用程序的设计中:MQTT Broker 作为一个独立的服务运行在嵌入式系统本地,其他需要交互的进程,只要连接到本地的这个 Broker,就可以相互发送数据了。运行模型如下:

每一个进程只需要订阅一个固定的 topic(比如:自己的 client Id),那么其他进程如果想要发送数据给它,就直接发送到这个 topic 即可。

1． 一个嵌入式系统的通信框架

我之前开发过一个环境监测系统,采集大气中的 PM2．5、PM10等污染物参数,在 Contex A8 平台下开发,需要实现数据记录(数据库)、UI 监控界面等功能。

污染物的数据采样硬件模块是第三方公司提供的,我们只需要通过该模块提供的串口协议去控制采样设备、接收采样数据即可。最终设计的通信模型如下:

UI 进程通过消息总线,发送控制指令给采样控制进程,采样控制进程接收到后通过串口发送控制指令给采样模块;采样控制进程从串口接收采样模块发来的PM2．5等数据后,把所有的数据发送到消息总线上指定的 topic 中;UI 进程程订阅该 topic,接收到数据后,显示在屏幕上;数据库进程也订阅该 topic,接收到数据后,把数据存储在 SQLite 数据库中;

在这个产品中,核心进程是采样控制进程,负责与采样模块的交互。通过把 UI 处理、数据库处理设计成独立的进程,降低了系统的复杂性,即使这 2 个进程崩溃了,也不会影响到核心的采样控制进程。

比如:如果 UI 进程出现错误崩溃了,会立刻重启,启动之后通过缓存信息知道此刻正在执行采样工作,于是 UI 进程立刻连接到消息总线、进入采样数据显示界面,继续接收、显示采样控制进程发出的PM2．5等数据。

这个通信模型还有另外一个有点:可扩展性。

在项目开发的后期,甲方说需要集成一个第三方的气体模块,用来采集大气中NO、SO2等参数,通信方式是 RS485。

此时扩展这个功能模块就异常简单了,直接写一个独立的气体参数进程,接入到消息总线上。这个进程通过 RS485,从第三方气体模块接收到NO、SO2等气体参数时,直接往消息总线上的某个 topic 一丢,UI进程、数据库进程订阅这个 topic,就可以立刻接收到气体相关的数据了。

此外,这个设计模型还有其他一些优点:

并行开发:每个进程可以由不同的人员并行开发,只要相互之间定义好通信协议即可;调试方便:由于发送的数据都是 manual readable,在开发阶段,可以在 PC 机上专门写一个监控程序,接入到嵌入式系统中的 MQTT Broker 之后,这样就可以接收到所有进程发出的消息;通信安全:在产品 release 之后,为了防止其他人偷听数据(比如 2 中的调试进程),可以为 MQTT Broker 指定一个配置文件,只能允许本地进程(127．0．0．1)连接到消息总线上。

2． 稍微复杂一点的通信模型

在刚才描述的嵌入式系框架设计中,每一个进程都是运行在本地的,所有的消息也都是在系统内进行收发。那么,如果需要把数据传输到云端、或者需要从云端接收一些控制指令,又该如何设计呢?

加入一个 MQTT Bridge 桥接模块即可!也就是再增加一个进程,这个进程同时连接到云端的 MQTT Broker 和本地的 MQTT Broker,通信模型如下:

MQTT Bridge 接收到云端发来的指令时,转发到本地的消息总线上;MQTT Bridge 接收到本地的消息时,转发到云端的消息总线上

五、Mosquitto: 一个简单的测试代码

上面的内容主要讨论的是设计的思想,具体到代码层面,我一般使用的是 Mosquitto 这个开源的实现。

在 Linux 系统中安装、测试都非常方便,下面就简单说明一下。

1． 直接通过 apt 来安装、测试

可以参考这个文档(https://www．vultr．com/docs/how-to-install-mosquitto-mqtt-broker-server-on-ubuntu-16-04)来安装测试。

(1) 安装

sudo apt-add-repository ppa:mosquitto-dev/mosquitto-ppasudo apt-get updatesudo apt-get install mosquittosudo apt-get install mosquitto-clients

(2) 测试

mosquitto broker 在安装之后会自动启动,可以用 netstat 查看 1883 端口来确认一下。

接收端:连接到 broker 之后,订阅 "test" 这个 topic。

mosquitto_sub -t "test"

发送端:连接到 broker 之后,往 "test" 这个 topic 发送字符串 “hello”。

mosquitto_pub -m "hello" -t "test"

当发送端执行 mosquitto_pub 时,在接收端的终端窗口中,就可以接收到 “hello” 这个字符串。

2． 通过源码来手动编译、测试

通过 apt 来安装主要是用来简单的学习和测试,如果要在项目开发中使用 Mosquitto,肯定需要手动编译,得到头文件和库文件,然后复制到应用程序中使用。

(1) 手动编译、安装 Mosquitto

我的开发环境是:

编译器:gcc (Ubuntu 5．4．0-6ubuntu1～16．04．12) 5．4．0 20160609Mosquitto 版本:mosquitto-1．4．9

mosquitto-1．4．9 可以到官方网站下载,也可以从文末的网盘中下载,你也可以尝试更高的版本。

编译、安装指令:

makemake install prefix=$PWD/install

成功安装之后,可以在当前目录的 install 文件夹下看到输出文件:

bin:mqtt 客户端程序;include:应用程序需要 include 的头文件;lib:应用程序需要链接的库文件;sbin:mqtt broker 服务程序。

在编译过程中,如果遇到一些诸如:ares．h、uuid．h 等依赖文件找不到的错误,只需要通过 apt 指令安装响应的开发包即可。

(2) 最简单的 mosquitto 客户端代码

在 mosquitto 源码中,提供了丰富的 Sample 示例。如果你不乐意去探索,可以直接下载文末的这个网盘中的 Demo 示例程序,这个程序连接到消息总线上之后,订阅 “topic_01” 这个主题。当然,你也可以修改代码去发送消息(调用:mosquitto_publish 这个函数)。

进入 c_mqtt 示例代码目录之后,可以看到已经包含了 bin、include 和 lib 目录,它们就是从上面(1)中安装目录 install 中复制过来的。

执行 make 指令之后,即可编译成功,得到可执行文件:mqtt_client。

测试过程如下:

Step1: 启动 MQTT Broker

在第 1 个终端窗口中,启动 sbin/mosquitto 这个 Broker 程序。如果你在上面测试中已经启动了一个 broker,需要先 kill 掉之前的那个 broker,因为它们默认都使用 1883 这个端口,无法共存。

Step2: 启动接收端程序 mqtt_client

在第 2 个终端窗口中,启动 mqtt_client 也就是我们的示例代码编译得到的可执行程序,它订阅的 topic 是 “topic_01”。

．/mqtt_client 127．0．0．1 1883

参数 1:  Broker 服务的 IP 地址,因为都是在本地系统中,所以是 127．0．0．1;
参数 2: 端口号,一般默认是1883。

Step3: 启动发送端程序 bin/mosquitto_pub

在第 3 个终端窗口中,启动 bin/mosquitto_pub,命令如下:

．/mosquitto_pub -h 127．0．0．1 -p 1883 -m "hello123" -t "topic_01"

参数 -h:Broker 服务的 IP 地址,因为都是在本地系统中,所以是 127．0．0．1;参数 -p:端口号 1883;
参数 -m:发送的消息内容;
参数 -t:发送的主题 topic。

此时,可以在第 2 个终端窗口(mqtt_client)中打印出接收到的消息。

六、总结

这篇文章主要介绍了嵌入式系统中的一个设计模式:通过消息总线来实现进程之间的通信,并介绍了 Mosquitto 这个开源实现。

在实际的项目中,还需要更加严格的权限控制,比如:在接入消息总线时提供用户名、密码、设备证书,客户端的名称必须满足指定的格式,订阅的 topic 必须符合一定的格式等等。

在下一篇文章中,我们继续讨论这个话题,给出一个更具体、更实用的 Demo 例程。