什么是MQTT（消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）？

MQTT是一種輕量級(jí)的發(fā)布-訂閱消息協(xié)議，專為受限環(huán)境和不可靠網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)。它最初由IBM在20世紀(jì)90年代末開發(fā)，因其簡(jiǎn)單性和在物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中的高效性而廣受歡迎。MQTT通過TCP/IP運(yùn)行，使用代理服務(wù)器管理客戶端之間的消息分發(fā)，允許設(shè)備訂閱特定主題，并且僅在發(fā)布相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)接收更新。

其關(guān)鍵特性包括：

低帶寬占用：非常適合資源有限的網(wǎng)絡(luò)。

異步通信：實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的解耦交互。

支持服務(wù)質(zhì)量（QoS）等級(jí)：根據(jù)可靠性要求確保消息傳遞。

在MQTT中，設(shè)備間的通信基于發(fā)布/訂閱模型，這與傳統(tǒng)的客戶端-服務(wù)器模型截然不同。這種方法為設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換提供了一種高度靈活且可擴(kuò)展的方式。

1. 發(fā)布者

發(fā)布者是任何通過向MQTT代理服務(wù)器上的特定主題發(fā)布消息來發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備或應(yīng)用程序。

功能：發(fā)送（發(fā)布）傳感器讀數(shù)、狀態(tài)更新或警報(bào)等信息。

無需知道接收者是誰：只需關(guān)注主題。

示例：溫度傳感器每10秒向主題“home/livingroom/temperature”發(fā)送一次數(shù)據(jù)。

2. 訂閱者

訂閱者是訂閱一個(gè)或多個(gè)主題以監(jiān)聽消息的設(shè)備或應(yīng)用程序。

功能：接收發(fā)布到其已訂閱主題的消息。

可訂閱精確或通配符主題（例如，“home/#”以接收家庭網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)）。

示例：訂閱“home/livingroom/temperature”主題以顯示實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)的移動(dòng)應(yīng)用程序。

使用樹莓派作為MQTT代理服務(wù)器的主要優(yōu)勢(shì)

利用樹莓派作為中央MQTT代理服務(wù)器具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，特別是在中小型物聯(lián)網(wǎng)部署中：

1.價(jià)格實(shí)惠：樹莓派開發(fā)板價(jià)格親民，適合原型開發(fā)或邊緣計(jì)算部署。

2.節(jié)能高效：功耗低，適合全天候運(yùn)行且能源成本不高。

3.便攜性強(qiáng)：體積小巧，易于集成到遠(yuǎn)程安裝或移動(dòng)應(yīng)用中。

4.可定制性高：樹莓派支持多種基于Linux的系統(tǒng)，允許開發(fā)人員優(yōu)化性能并集成額外服務(wù)（如Node-RED、Grafana）。

5.社區(qū)支持強(qiáng)大：全球用戶群體龐大，可獲取豐富的文檔、論壇和第三方工具。

6.邊緣計(jì)算潛力大：數(shù)據(jù)可在本地處理，減少延遲并減輕云資源負(fù)擔(dān)。

常見的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景

樹莓派和MQTT在眾多實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中經(jīng)常結(jié)合使用：

智能家居系統(tǒng)：通過MQTT協(xié)調(diào)照明、暖通空調(diào)和安全系統(tǒng)的傳感器和執(zhí)行器。

工業(yè)監(jiān)控：從可編程邏輯控制器（PLC）和邊緣設(shè)備收集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度、振動(dòng)或能耗。

農(nóng)業(yè)自動(dòng)化：在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)設(shè)置中管理灌溉和環(huán)境傳感器。

車隊(duì)和資產(chǎn)追蹤：從車輛收集并傳輸GPS和遙測(cè)數(shù)據(jù)到中央代理服務(wù)器。

環(huán)境監(jiān)測(cè)：部署氣象站或空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)器，將數(shù)據(jù)發(fā)布到云儀表板或警報(bào)系統(tǒng)。

為什么選擇樹莓派作為MQTT代理服務(wù)器

在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，選擇合適的硬件來支持MQTT等消息協(xié)議會(huì)顯著影響解決方案的可擴(kuò)展性和性能。樹莓派作為MQTT代理服務(wù)器是一個(gè)非常實(shí)用的選擇，特別是在家庭自動(dòng)化和中小型物聯(lián)網(wǎng)部署中。

成本效益

選擇樹莓派最具吸引力的原因之一是其價(jià)格實(shí)惠。與工業(yè)級(jí)服務(wù)器或云托管服務(wù)相比，樹莓派提供了低成本的替代方案，且不會(huì)犧牲基本功能。這使其成為開發(fā)人員、愛好者或希望原型開發(fā)或部署預(yù)算有限的邊緣解決方案的組織的理想選擇。

低功耗

樹莓派在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了能源效率。其低功耗需求使其適合在離網(wǎng)或電池供電環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行。這一特性在遠(yuǎn)程傳感器網(wǎng)絡(luò)或家庭安裝中尤為重要，因?yàn)槟茉葱适顷P(guān)鍵設(shè)計(jì)考量因素。

靈活性和定制性

樹莓派運(yùn)行完整的基于Linux的操作系統(tǒng)，為安裝和配置Mosquitto等MQTT代理服務(wù)器提供了靈活的平臺(tái)。用戶可以根據(jù)特定需求定制軟件環(huán)境，集成用于數(shù)據(jù)流編排的Node-RED或用于可視化的Grafana等額外工具。它還支持多種編程語言，使開發(fā)人員能夠快速構(gòu)建、測(cè)試和迭代。

非常適合家庭和小型物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)

樹莓派緊湊的外形和板載連接功能（如Wi-Fi、以太網(wǎng)、GPIO）使其成為本地物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。無論是控制智能燈光、監(jiān)測(cè)環(huán)境傳感器還是管理智能家居中的設(shè)備狀態(tài)，樹莓派都可以使用MQTT高效協(xié)調(diào)設(shè)備間的通信，通過本地處理數(shù)據(jù)減少延遲并提高可靠性。

樹莓派與MQTT的常見應(yīng)用場(chǎng)景

得益于其多功能性和與MQTT等輕量級(jí)協(xié)議的兼容性，樹莓派在各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。從智能家居系統(tǒng)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)收集，它既可作為可靠的代理服務(wù)器，也可作為功能強(qiáng)大的邊緣設(shè)備。

智能家居自動(dòng)化

樹莓派和MQTT最常見的應(yīng)用場(chǎng)景之一是智能家居環(huán)境。樹莓派可作為本地MQTT代理服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)燈光、恒溫器、運(yùn)動(dòng)探測(cè)器和其他連接設(shè)備之間的無縫通信。這種本地控制有助于減少延遲，即使沒有持續(xù)的互聯(lián)網(wǎng)連接也能提高可靠性，并通過將數(shù)據(jù)保留在家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)來提供更高的隱私保護(hù)。

環(huán)境傳感器網(wǎng)絡(luò)

樹莓派設(shè)備常用于收集和傳輸來自測(cè)量溫度、濕度、空氣質(zhì)量或土壤濕度的環(huán)境傳感器的數(shù)據(jù)。使用MQTT，這些傳感器可以將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布到托管在樹莓派上的中央代理服務(wù)器，然后該代理服務(wù)器將信息路由到儀表板或警報(bào)系統(tǒng)。這種設(shè)置在農(nóng)業(yè)、智慧城市和氣候研究項(xiàng)目中特別有用。

遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控

在設(shè)備部署在難以到達(dá)或偏遠(yuǎn)地區(qū)（如氣象站、工業(yè)資產(chǎn)或基礎(chǔ)設(shè)施站點(diǎn)）的場(chǎng)景中，樹莓派可作為本地?cái)?shù)據(jù)收集器和MQTT代理服務(wù)器。設(shè)備可以將遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)布到樹莓派，樹莓派可在連接可用時(shí)將其轉(zhuǎn)發(fā)到云端，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)控和故障檢測(cè)。

教育和DIY物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目

由于其成本低且易于使用，樹莓派在學(xué)術(shù)環(huán)境和物聯(lián)網(wǎng)愛好者中得到了廣泛應(yīng)用。它為學(xué)習(xí)MQTT、探索數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化或開發(fā)概念驗(yàn)證系統(tǒng)提供了理想平臺(tái)。學(xué)生和創(chuàng)客可以模擬實(shí)際物聯(lián)網(wǎng)部署，在無風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中獲得消息協(xié)議、傳感器和邊緣計(jì)算的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

所需硬件和軟件

硬件

樹莓派3B、3B+、4或5：這些型號(hào)提供足夠的處理能力和內(nèi)存來運(yùn)行Mosquitto等MQTT代理服務(wù)器。

MicroSD卡（8GB或更大）：建議使用Class 10或UHS-1以獲得更好性能。

電源：官方樹莓派電源適配器，以確保穩(wěn)定的電壓和電流。

可選：以太網(wǎng)電纜（用于更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，特別是代理服務(wù)器節(jié)點(diǎn)）或Wi-Fi適配器（如果未內(nèi)置）。

軟件

MQTT代理服務(wù)器：Mosquitto是一種輕量級(jí)且廣泛使用的選擇。

操作系統(tǒng)：樹莓派操作系統(tǒng)（原Raspbian），理想情況下是基于Debian Bullseye或更高版本的最新版本。

可選工具：Node-RED、Python或Docker（如果作為更大邊緣計(jì)算解決方案的一部分部署）。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和端口訪問

設(shè)備間的MQTT通信需要功能正常的網(wǎng)絡(luò)連接。無論使用以太網(wǎng)還是Wi-Fi，請(qǐng)確保您的樹莓派具有：

靜態(tài)IP地址或DHCP保留：以確保在本地網(wǎng)絡(luò)上的可訪問性一致。

端口1883（TCP）：開放且可訪問，用于標(biāo)準(zhǔn)MQTT流量。

端口8883（TCP）：如果使用MQTT over TLS進(jìn)行加密通信。

對(duì)于外部或遠(yuǎn)程訪問場(chǎng)景，請(qǐng)考慮在路由器上實(shí)施端口轉(zhuǎn)發(fā)，以及防火墻規(guī)則和認(rèn)證機(jī)制，以保護(hù)代理服務(wù)器免受未經(jīng)授權(quán)的訪問。

安裝Mosquitto MQTT代理服務(wù)器

分步安裝指南

1.更新系統(tǒng)

在安裝任何新軟件之前，更新樹莓派的軟件包列表以確保兼容性和穩(wěn)定性非常重要。

sudoapt update && sudo apt upgrade -y

2.安裝Mosquitto和客戶端工具

Mosquitto可直接從樹莓派操作系統(tǒng)軟件源獲取。要安裝代理服務(wù)器和命令行客戶端：

sudoapt install -y mosquitto mosquitto-clients

這將同時(shí)安裝Mosquitto服務(wù)和用于測(cè)試的mosquitto_pub / mosquitto_sub工具。

3. 啟用Mosquitto服務(wù)

為確保代理服務(wù)器在每次重啟后自動(dòng)啟動(dòng)：

sudo systemctlenablemosquittosudo systemctl start mosquitto

您可以使用以下命令驗(yàn)證其是否正在運(yùn)行：

sudosystemctl status mosquitto

4.基本測(cè)試（本地代理服務(wù)器）

要測(cè)試代理服務(wù)器，請(qǐng)打開兩個(gè)終端窗口或SSH會(huì)話：

窗口1（訂閱者）：

mosquitto_sub -h localhost -ttest/topic

窗口2（發(fā)布者）：

mosquitto_pub -h localhost -ttest/topic -m"Hello MQTT from Raspberry Pi"

如果設(shè)置正確，訂閱者應(yīng)立即收到消息。

可選：保護(hù)代理服務(wù)器安全

默認(rèn)情況下，Mosquitto不需要認(rèn)證或加密，這在隔離網(wǎng)絡(luò)中是可行的。對(duì)于生產(chǎn)或面向公眾的使用：

使用mosquitto_passwd創(chuàng)建用戶憑據(jù)。

通過配置證書啟用TLS加密。

編輯位于/etc/mosquitto/mosquitto.conf的配置文件。

啟用密碼保護(hù)的示例：

sudo mosquitto_passwd -c /etc/mosquitto/passwd your_username

然后在配置文件中添加以下行：

allow_anonymousfalsepassword_file /etc/mosquitto/passwd

重啟服務(wù)以應(yīng)用更改：

sudosystemctl restart mosquitto

故障排除和優(yōu)化

1.客戶端無法連接到代理服務(wù)器

原因：IP地址、端口或網(wǎng)絡(luò)配置不正確。

解決方案：驗(yàn)證樹莓派是否可通過正確的IP地址訪問，并且端口1883（默認(rèn)MQTT端口）已打開。使用ping和telnet測(cè)試連接性。

2.代理服務(wù)器服務(wù)未運(yùn)行

原因：Mosquitto可能啟動(dòng)失敗或崩潰。

解決方案：使用以下命令檢查代理服務(wù)器狀態(tài)：

sudosystemctl status mosquitto

如果它處于非活動(dòng)狀態(tài)或失敗，請(qǐng)使用以下命令重啟：

sudosystemctl restart mosquitto

3.未收到消息

原因：主題名稱不匹配或QoS設(shè)置不正確。

解決方案：確保主題名稱完全相同（MQTT主題區(qū)分大小寫），并檢查QoS配置以匹配預(yù)期的傳遞行為。

4.意外斷開連接

原因：Wi-Fi信號(hào)弱或保持活動(dòng)配置不當(dāng)。

解決方案：盡可能使用有線以太網(wǎng)連接，并調(diào)整客戶端上的保持活動(dòng)計(jì)時(shí)器以與代理服務(wù)器的設(shè)置保持一致。

處理大量消息的性能提示

1.盡可能使用QoS 0或1

更高的QoS等級(jí)會(huì)增加開銷。對(duì)于非關(guān)鍵數(shù)據(jù)（如遙測(cè)數(shù)據(jù)），使用QoS 0以減少代理服務(wù)器負(fù)載。

2.優(yōu)化消息負(fù)載

保持消息簡(jiǎn)短，避免發(fā)送冗余或冗長(zhǎng)的數(shù)據(jù)。在適用的情況下使用二進(jìn)制或壓縮格式。

3.明智地啟用持久性

為保留消息和QoS 1/2數(shù)據(jù)包啟用持久存儲(chǔ)可提高可靠性，但可能會(huì)降低性能。僅在必要時(shí)使用。

4.卸載處理任務(wù)

使用Node-RED或influxDB等外部工具進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)，而不是在代理服務(wù)器內(nèi)部處理復(fù)雜邏輯。

5.監(jiān)控系統(tǒng)資源

使用htop、iotop或netstat等工具定期檢查樹莓派上的CPU、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)使用情況，以識(shí)別瓶頸。

記錄和調(diào)試MQTT事務(wù)

啟用詳細(xì)日志可提供對(duì)代理服務(wù)器行為、客戶端連接和消息流的可見性。

在Mosquitto中啟用詳細(xì)日志的步驟：

1.編輯Mosquitto配置文件：

sudo nano /etc/mosquitto/mosquitto.conf

2.添加或修改以下行：

log_destsysloglog_dest stdoutlog_typeerrorlog_type warninglog_typenoticelog_type informationconnection_messagestruelog_timestamptrue

3.保存并重啟服務(wù)：

sudosystemctl restart mosquitto

4.查看日志：

對(duì)于系統(tǒng)日志：

journalctl-u mosquitto -f

對(duì)于終端日志（如果啟用了stdout日志記錄）：

mosquitto-v

結(jié)論

將樹莓派設(shè)置為MQTT代理服務(wù)器是一種經(jīng)濟(jì)高效且靈活的解決方案，用于在邊緣管理物聯(lián)網(wǎng)通信。借助Mosquitto等輕量級(jí)軟件，即使是像樹莓派這樣的低功耗設(shè)備也能高效處理傳感器、設(shè)備和應(yīng)用之間的實(shí)時(shí)消息傳遞。無論您是在構(gòu)建智能家居系統(tǒng)、部署遠(yuǎn)程傳感器還是嘗試DIY項(xiàng)目，樹莓派和MQTT的組合都提供了一個(gè)可擴(kuò)展、可靠且易于管理的平臺(tái)。通過適當(dāng)?shù)呐渲煤桶踩胧?，您的MQTT代理服務(wù)器可以作為物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的核心，高效、響應(yīng)迅速且滿足您的特定需求。

原文地址：

https://www.sunfounder.com/blogs/news/how-to-set-up-a-raspberry-pi-mqtt-broker-a-complete-guide