基于MQTT 協(xié)議的遠(yuǎn)程管理智能化Android系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

趙 政 王彥冰

（中電科鵬躍電子科技有限公司，山西 太原030000）

1 概述

目前，移動互聯(lián)網(wǎng)正逐漸滲透到人們生活、工作的各個領(lǐng)域，各類豐富多彩的移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用迅猛發(fā)展，正在深刻改變信息時代的社會生活，近幾年，更是實現(xiàn)了3G 經(jīng)4G 到5G 的跨越式發(fā)展。

隨著它的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也日趨完整、成熟，通過信息傳感器將各種設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接在一起而形成的巨大網(wǎng)絡(luò)，是需要基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施提供更多的支持，所以移動互聯(lián)網(wǎng)對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用。

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域涉及到方方面面，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、交通、物流、安保等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的應(yīng)用，有效的推動了這些方面的智能化發(fā)展，使得有限的資源更加合理的使用分配，從而提高了行業(yè)效率、效益。所以，再結(jié)合移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等技術(shù)，可在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域發(fā)展更多遠(yuǎn)程智能化控制管理的應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)的核心是物與物、人與物之間的信息交互，因此，遠(yuǎn)程智能化控制管理應(yīng)用的重要核心，是移動互聯(lián)網(wǎng)的綜合消息推送。

其中，由于MQTT 協(xié)議的特點，基于MQTT 協(xié)議的即時消息業(yè)務(wù)解決方案，更適合移動互聯(lián)網(wǎng)，更符合可靠消息傳輸方式的設(shè)計和實現(xiàn)。

2 相關(guān)概念介紹

2.1 MQTT 協(xié)議

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸）是ISO 標(biāo)準(zhǔn)下基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議。該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP 協(xié)議族上，是為硬件性能低下的遠(yuǎn)程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況下而設(shè)計的發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議。該協(xié)議支持所有平臺，幾乎可以把所有聯(lián)網(wǎng)物品和外部連接起來，被用來當(dāng)做傳感器和致動器的通信協(xié)議。

MQTT 協(xié)議是為大量計算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備通訊而設(shè)計的協(xié)議，它具有以下主要的幾項特性：

（1）使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發(fā)布，解除應(yīng)用程序耦合；[3]

（2）對負(fù)載內(nèi)容屏蔽的消息傳輸；

（3）使用TCP/IP 提供網(wǎng)絡(luò)連接；

（4）有三種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量，“至多一次”、“至少一次”、“只有一次”，分別對應(yīng)于有效值“0”、“1”、“2”，可供不同應(yīng)用、不同情境下選擇；[4]

（5）小型傳輸，開銷很小，協(xié)議交換最小化，以降低網(wǎng)絡(luò)流量；

（6）使用Last Will 和Testament 特性通知有關(guān)各方客戶端異常中斷的機(jī)制。

基于MQTT 的這些特點，它的適用范圍就非常廣泛，在很多情況下，包括受限的環(huán)境中，如機(jī)器與機(jī)器（M2M）通信和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，MQTT 由于開放源碼、耗電量小等特點，會在移動消息推送領(lǐng)域有更多的貢獻(xiàn)，作為Android 手機(jī)客戶端與服務(wù)器端推送消息的協(xié)議而被廣泛使用；在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，傳感器與服務(wù)器的通信，信息的收集，MQTT 都可作為考慮的方案之一。

2.2 Service 服務(wù)

服務(wù)是Android 中實現(xiàn)程序后臺運(yùn)行的解決方案，它非常適合執(zhí)行那些不需要和用戶交互且需長期運(yùn)行的任務(wù)。服務(wù)的運(yùn)行不依賴與任何用戶界面，即時程序被切換到后臺，或者用戶打開了另一個應(yīng)用程序，服務(wù)仍能保持獨立運(yùn)行。不過，服務(wù)并不是運(yùn)行在一個獨立的進(jìn)程當(dāng)中，而是依賴于創(chuàng)建服務(wù)時所在的應(yīng)用程序進(jìn)程。

當(dāng)某個應(yīng)用程序被殺掉時，所有依賴該進(jìn)程的服務(wù)也會停止運(yùn)行。

Service 的其中一種形式是本地服務(wù)，該服務(wù)依附在主進(jìn)程上而不是獨立的進(jìn)程，這樣在一定程度上節(jié)約了資源，另外本地服務(wù)是在同一進(jìn)程因此不需要IPC，也不需要AIDL。相應(yīng)bindService 會方便很多，當(dāng)主進(jìn)程被Kill 后，服務(wù)便會終止。一般使用在不需要常駐的服務(wù)，故服務(wù)和啟動服務(wù)的activity 在同一個進(jìn)程中。[2]

2.3 定時任務(wù)

在Android 開發(fā)中，有些任務(wù)不是當(dāng)時就執(zhí)行，而是過了一個規(guī)定時間再執(zhí)行，那么就需要使用定時器。Java 提供了計時器工具類，即Timer 和TimerTask。Timer 是用來在主線程之外的一個后臺線程執(zhí)行指定計劃任務(wù)，可執(zhí)行一次或多次，TimerTask是一個實現(xiàn)了Runnable 接口的抽象類，其子類代表一個可以被Timer 執(zhí)行的任務(wù)。[1]

3 系統(tǒng)框架設(shè)計

遠(yuǎn)程管理智能化系統(tǒng)是一套物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，總體主要包括了MQTT 公共云服務(wù)、監(jiān)控點群部署與用戶終端。

3.1 MQTT 公共云服務(wù)：是指物聯(lián)網(wǎng)云平臺，即為一個代理，轉(zhuǎn)發(fā)各方發(fā)來的數(shù)據(jù)。

3.2 監(jiān)控點群部署：主要包括物聯(lián)網(wǎng)控制器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，負(fù)責(zé)采集、上報環(huán)境中各類數(shù)據(jù)，同時控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行。

3.3 用戶終端：主要功能有查看實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、發(fā)送控制指令使物聯(lián)網(wǎng)控制器可執(zhí)行。

系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如下圖1 所示：

圖1 系統(tǒng)組織架構(gòu)

本系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)與功能，通過MQTT 協(xié)議的實現(xiàn)方式即可滿足。

實現(xiàn)MQTT 協(xié)議需要客戶端和服務(wù)器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT 協(xié)議中有3 種身份：發(fā)布者、代理（服務(wù)器）、訂閱者。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務(wù)器，消息發(fā)布者可以同時是訂閱者。

MQTT 傳輸?shù)南⒎譃橹黝}和負(fù)載兩部分：主題為消息類型，負(fù)載為消息內(nèi)容，即具體使用的內(nèi)容。訂閱者訂閱消息后，可收到該主題的負(fù)載。

在本系統(tǒng)中，代理（服務(wù)器）是MQTT 公共云服務(wù)；發(fā)布者和訂閱者則根據(jù)功能不同而不同。在監(jiān)控點上報數(shù)據(jù)、用戶查看數(shù)據(jù)功能中，監(jiān)控點是發(fā)布者，用戶終端是訂閱者；在用戶根據(jù)具體情況控制監(jiān)控點的執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能中，用戶終端是發(fā)布者，監(jiān)控點是訂閱者。

因此，監(jiān)控點與用戶終端均為MQTT 客戶端，而用戶終端APP 以Android 版本為主。在MQTT 客戶端中，核心業(yè)務(wù)即為訂閱- 發(fā)布消息，其流程圖如下圖2 所示：

圖2 訂閱- 發(fā)布消息流程圖

4 系統(tǒng)客戶端設(shè)計實現(xiàn)

使用手機(jī)APP 是用戶操作本系統(tǒng)最重要的方式，提升了用戶操作的便利性和友好性，且本系統(tǒng)Android 端的實現(xiàn)為后續(xù)遠(yuǎn)程控制方面的工業(yè)APP 開發(fā)提供范例，有重大意義。MQTT 在Android 端的具體實現(xiàn)方法如下：

①添加依賴：

首先，在項目根目錄下的build.gradle 文件中添加如下代碼：

②添加權(quán)限：

在AndroidManifest.xml 文件中添加使用權(quán)限，聲明MQTT服務(wù)MqttService，代碼如下：

MQTTService 類的功能中包括 MQTT 安卓客戶端MqttAndroidClient （） 的 初 始 化 ，MQTT 連 接 參 數(shù)MqttConnectOptions （） 的 設(shè) 置，MQTT 連 接 服 務(wù) 器MqttAndroidClient.connect（）、訂閱MqttAndroidClient. subscribe（）[5]并監(jiān)聽接受消息MqttCallback（），也包括一些公共方法，如消息發(fā)布方法publish（），Service 父類的綁定服務(wù)方法onBind（）、解綁服務(wù)方法onUnbind（）、銷毀方法onDestroy（）。

其次，為了代碼模塊的低耦合性，當(dāng)獲取從服務(wù)器推送過來的消息時，使用回調(diào)接口IGetMessageCallBack 去更新UI。

最后，為了實現(xiàn)通過回調(diào)接口去傳遞從服務(wù)器獲取到的消息，創(chuàng)建MyServiceConnection 類，來實現(xiàn)ServiceConnection 接口，并通過綁定方法onBind（）來在Service 和Activity 之間傳遞數(shù)據(jù)，更新UI。

根據(jù)對本系統(tǒng)Android 端的功能定義，進(jìn)行了如下設(shè)計。

4.1 查看數(shù)據(jù)功能設(shè)計

本系統(tǒng)Android 端基于MQTT 協(xié)議接受服務(wù)器推送的消息，并將消息顯示在界面以供用戶查看。具體實現(xiàn)方法如下：

①為了根據(jù)接受到的消息而定時更新UI，采用定時器類Timer 和TimerTask：在MQTTService 類中，MQTT 監(jiān)聽接受消息的變量MqttCallback（）是接口，繼承了接受服務(wù)器推送消息的方法messageArrived（），在此方法中添加Timer 和TimerTask。將消息的發(fā)送放在TimerTask 的Runnable 接口的后臺線程中，Timer設(shè)置執(zhí)行任務(wù)的頻率為1 次/30s，且只有在退出本系統(tǒng)Android端時才終止定時器線程，否則會一直定時接受消息并更新；若在定時器任務(wù)中未定時接受到消息，則更新界面以提示用戶“（控制器xxx）下線”。這樣既可避免因主線程運(yùn)行緩慢而導(dǎo)致用戶體驗差，也可實現(xiàn)實時的效果。[1]

②定時更新消息顯示：主線程所在的Activity 繼承了接口IGetMessageCallBack，根據(jù)本系統(tǒng)功能設(shè)計，具體實現(xiàn)了接口中的方法setMessage（），即接受到的消息以UI 界面定義的形式顯示出來供用戶方便查看。

③啟動MQTT 服務(wù)：在主線程所在的Activity 中，調(diào)用bindService（）來啟動MQTT，即可開始定時接受消息數(shù)據(jù)。

4.2 發(fā)送指令功能設(shè)計

用戶根據(jù)顯示的消息數(shù)據(jù)，可操作本APP 來控制監(jiān)控點的設(shè)備狀態(tài)。具體實現(xiàn)方法如下：

①在用戶可操作界面的Activity 中，監(jiān)聽每個操作按鈕、選擇框、圖標(biāo)等的動作變化狀態(tài)，在監(jiān)聽過程中調(diào)用消息發(fā)布方法publish（）。

②在消息發(fā)布方法publish（）中，使用MQTT 安卓客戶端的發(fā)布方法MqttAndroidClient.publish（），通過對此方法傳遞特定參數(shù)，如消息主題、消息負(fù)載的有效字節(jié)數(shù)組、消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量、服務(wù)器是否保留此消息，發(fā)送消息請求至服務(wù)器。[5]

5 結(jié)論

本文主要描述了遠(yuǎn)程管理智能化系統(tǒng)Android 端的查看數(shù)據(jù)、發(fā)送指令等功能的實現(xiàn)。系統(tǒng)利用了具有低功耗和移動互聯(lián)網(wǎng)帶寬利用率高等特點的MQTT 協(xié)議來進(jìn)行消息數(shù)據(jù)在客戶端與服務(wù)端之間的傳輸，通過實時接受消息數(shù)據(jù)，用戶可隨時操作APP 發(fā)送指令來遠(yuǎn)程控制監(jiān)控點各項設(shè)備。系統(tǒng)實現(xiàn)了消息數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程控制指令的實時傳輸，有效提高了用戶操作的便利性與友好性，為“數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳+實時控制”甚至更多功能模式的工業(yè)控制系統(tǒng)，包括APP 的開發(fā)，提供了范例基礎(chǔ)，意義重大，可推廣運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等遠(yuǎn)程控制方面的應(yīng)用。