物联网和人工智能的紧密联系，特别是在神经网络技术中的应用。人工智能的快速发展得益于硬件的提升和数据获取成本的降低。物联网设备如智能家电和可穿戴设备不断产生大量数据，为神经网络训练提供了丰富的资源。这些数据经过处理后，又能反哺神经网络，形成一个良性循环。此外，还介绍了多种物联网协议，如MQTT、MQTT-SN、CoAP、LwM2M、HTTP、LoRaWAN和NB-IoT等，它们各自适用于不同的应用场景和网络环境，共同推动物联网的发展。随着5G时代的到来，物联网将迎来更广阔的发展前景。



第一部分 物联网基础

MQTT协议的通信模型，这是一种基于发布/订阅的通信方式，通过Broker作为中间方，发布方和订阅方之间没有直接连接，实现了解耦。Broker接收发布方的消息，并根据订阅方的要求转发消息。同时，介绍了MQTT Client的概念，任何运行MQTT协议并连接到Broker的终端设备都可以成为Client，包括Publisher和Subscriber。此外，还详细讲解了MQTT协议数据包的格式，包括固定头、可变头和消息体，其中固定头用于标识数据包类型和长度，可变头和消息体则根据数据包类型的不同而有所不同。最后，本章还提到了几种常用的MQTT Broker，如Mosquitto、EMQ X、HiveMQ和VerneMQ，并简要介绍了如何使用公共的MQTT Broker进行学习和测试。



第3章 MQTT协议基础

MQTT协议是一种轻量级的消息传输协议，广泛应用于物联网领域。以下是该协议的核心功能和操作流程的概述。

连接建立：客户端通过发送包含标识符、协议版本等信息的CONNECT数据包来启动连接。服务端收到后，返回CONNACK数据包确认连接是否成功。建立连接后，客户端可进行消息发布和订阅。

消息传输：PUBLISH数据包用于发送消息，包含固定头、可变头和消息体。固定头包括消息类型、服务质量等级等信息；可变头包括主题名和包标识符；消息体是实际要发送的数据。客户端可发布消息，订阅主题，并处理接收到的消息。

取消订阅：客户端通过发送UNSUBSCRIBE数据包给代理服务器，包含要取消订阅的主题。服务器收到后，回复UNSUBACK数据包确认。取消订阅时，主题名中的通配符无效，需与订阅时完全一致。

消息质量服务（QoS）：QoS等级决定消息传输的可靠性。QoS0表示消息可能丢失，QoS1确保消息至少传递一次，QoS2则确保消息不重复传递。发送者和接收者之间协商确定QoS等级，若发送者QoS高于接收者，则发生QoS降级。

Retained消息和LWT机制：Retained消息在发布时，即使订阅者未订阅该主题，Broker也会保存该消息，新订阅者订阅时自动收到。LWT机制允许客户端在非正常断开连接时，向指定主题发布遗愿消息，通知其他设备状态。Keepalive机制通过定时发送心跳包维持连接，避免因网络问题导致连接中断。

保持连接：设置Keepalive值维持Client和Broker之间的连接。Android系统建议使用Service维持连接，iOS系统需通过Publisher发布消息，并通过APNs推送消息给App。

MQTT 5.0版本新特性：用户属性、共享订阅、消息过期等，旨在解决MQTT 3.1.1版本中的一些问题，提高系统性能和稳定性。

示例代码：GitHub上提供所有示例代码，方便读者学习和实践。

第4章 MQTT协议详解

本项目名为“AI+IoT”实战项目，旨在利用TensorFlow在Android系统上实现物体识别，并通过MQTT协议高效传输数据与识别结果。项目主要分为三个阶段：物体识别、数据传输以及系统安全。

首先，物体识别阶段利用TensorFlow Mobile在Android设备上实现，通过预先训练好的模型直接进行推理，简化了复杂的训练过程。这一阶段，用户无需担心模型训练的繁琐，即可快速获得识别结果。

在数据传输方面，项目针对MQTT协议传输大文件的需求，采用了将图片上传至云端存储，并通过URL进行传输的方式。这种方式有效解决了带宽和存储问题，提高了数据传输的效率。

为了确保消息的唯一性，项目还引入了消息去重机制。这一机制可以避免重复消息对系统性能的影响，保证了数据的准确性。

此外，项目通过搭建私有MQTT Broker和实现传输层安全，提高了系统的可靠性和安全性。这一措施不仅保障了数据传输的安全性，也增强了系统的稳定性。

在物联网开发中，MQTT协议的应用至关重要。本书详细讲解了MQTT协议的特性及实现方式，包括如何通过MQTT实现Broker与Client的通信，以及如何使用Mosquitto代理打印设备数据。同时，书中还探讨了物联网软件设计和架构问题，如设备管理、数据处理和存储等。

作者强调，仅掌握MQTT协议并不能完全胜任物联网开发，还需要深入了解架构和设计模式。因此，书中介绍了作者在物联网平台开发过程中的经验，并指出后续章节将分享更多实战经验和代码实现。

通过本项目，我们可以看到，在物联网领域，有效的技术应用和合理的架构设计对于实现高效、稳定、安全的系统至关重要。而“AI+IoT”实战项目正是这一理念的体现。

第5章 MQTT协议实战

第二部分 MQTT协议详解与实战

物联网平台Maque IotHub的开发准备工作，首先需要安装一系列开源组件，包括数据库MongoDB、缓存Redis、JavaScript运行环境Node.js、队列系统RabbitMQ、MQTT客户端Mosquitto MQTT Client以及EMQ X。接着，文章详细介绍了Maque IotHub的组成部分，包括IotHub本身、服务端API、服务端、设备端SDK、设备应用代码和业务系统。此外，还介绍了如何使用Node.js开发IotHub服务端API和设备端SDK，并展示了如何通过测试代码验证MQTT协议连接的正确性。最后，文章总结了开发环境准备完毕，即将开始实现IotHub的第一个主要功能——设备生命周期管理。



第6章 准备工作台

阿里云IoT平台使用三元组（ProductKey、DeviceName、Secret）来标识设备，以区分不同产品的设备，并便于数据管理。ProductKey代表产品类别，DeviceName为设备唯一标识，Secret则是连接平台的安全密码。IotHub也采用类似的三元组，其中ProductName由业务系统提供，DeviceName和Secret由IotHub自动生成。

设备注册流程涉及设备信息查询、获取一次性密码（JWT）等步骤。需定义返回内容，实现Server API接口，并通过curl调用接口查看效果。此外，文章还介绍了如何添加数据库索引、使用持久化连接和环境变量配置。

针对MQTT协议中Client在线状态管理，文章提出了Poor man’s Solution，即通过向特定Topic发送消息来监控Client状态。传统方法存在单点故障风险，EMQ X的解决方案虽能通过订阅系统主题获取连接和断开事件，但同样存在此问题。文章进一步介绍了基于Hook系统的解决方案，利用EMQ X的WebHook插件将事件信息发送到指定URL，并通过配置修改和回调处理连接和断开事件。

为了管理设备的连接状态，文章定义了Connection模型并实现回调方法。通过接口查询设备的具体连接信息，实现对设备接入、状态监控、禁用和删除等功能。设备模型中添加状态字段，可用于控制设备接入IotHub，并通过EMQ X API断开设备连接。同时，实现了禁用和恢复设备接入认证的API接口。

EMQ X提供了MQTT设备权限管理功能，包括创建ACL记录和设置ACL缓存。通过代码示例，展示了如何使用JWT进行安全接入，并设置不同的ACL规则来控制设备的发布和订阅权限。此外，文章还讨论了如何将EMQ X的ACL功能集成到现有体系中，并探讨了EMQ X的扩展性，包括纵向和横向扩展。

搭建EMQ X集群涉及节点加入和退出集群的操作。通过提供步骤和示例，用户可以轻松实现EMQ X集群的搭建。

第7章 设备生命周期管理

本方案主要围绕物联网设备数据的处理与存储展开。在设备端，数据通过MQTT协议发送，IotHub服务器则通过订阅特定主题接收并处理这些数据。为处理大量数据，方案引入了设备分片和共享订阅技术，以降低单点故障风险。数据存储在MongoDB中，并通过RabbitMQ通知业务系统。此外，通过定义主题名格式和配置WebHook插件，实现了消息去重和编码。

具体来说，设备端使用MQTT协议发布数据，IotHub服务器通过订阅特定主题接收并处理这些数据。在数据存储方面，MongoDB被用于存储数据，同时RabbitMQ负责将数据通知给业务系统。在消息处理上，定义了主题名格式，并配置了WebHook插件，以实现消息去重和编码。

为了提高效率，方案中使用了Redis进行消息去重，避免重复处理相同消息。同时，将数据保存到MongoDB中，并实现与RabbitMQ的集成，通过消息队列通知业务系统。此外，还介绍了如何查询历史消息，方便用户回顾和检索。

在设备状态上报方面，设备端以JSON格式将状态数据发布到主题，IotHub服务器存储设备状态并通知业务系统，业务系统则查询设备状态。这一功能使得业务系统能够实时了解设备的当前状态。同时，介绍了为什么不适合使用Retained Message来记录设备状态，并给出了设备上报状态的时机建议。

时序数据库在处理监控、运维类数据方面有着广泛应用。这类数据通常以时间和实体为维度进行查询，随着时间的推移，旧数据会迅速失去价值。本文以InfluxDB为例，介绍了时序数据库的基本概念，如度量、数据点、时间戳、测量值和标签。详细介绍了如何安装、运行InfluxDB数据库，并创建存储设备连接状态变化的数据库。同时，展示了如何使用InfluxDB的Node.js库Influx来存储设备连接状态变化的数据，并在设备上线/下线时更新数据库。最后，通过InfluxDB查询功能验证了数据已成功存储。

第8章 上行数据处理

IotHub Server通过MQTT协议向设备发送指令的架构和流程如下：首先，作为MQTT客户端，IotHub Server接入EMQ X Broker，将数据发布到设备订阅的主题上。设备端会订阅特定主题，例如“/cmd/ProductNameA/DeviceNameA”。当业务系统通过IotHub Server API提供数据和设备信息后，IotHub的MQTT客户端将这些数据发布到相应主题。

为了提升系统扩展性和防止单点故障，IotHub Server可启用多个MQTT客户端，它们从工作队列中获取消息并发布到设备。此外，基于EMQ X RESTful API的方案简化了开发和部署过程。

指令下发的元数据和主题名规划，以及设备端如何订阅主题和实现消息去重也得到详细说明。在DeviceSDK端，存储RequestID和提取元数据的方式，以及通过事件传递指令给设备应用代码的过程被阐述。同时，使用闭包方式为设备应用代码提供了回复指令的接口。

在IotHub Server端，实现功能的方法包括更新ACL列表、调用EMQ X Publish API发布消息、创建发送指令的API接口以及服务器订阅。设备对指令的回复会被转发到业务服务器，并通过RabbitMQ通知业务系统。

IotHub下行数据处理流程从业务系统发送指令至设备执行，再到设备回复指令，流程清晰。通过EMQ X RESTful API实现指令下发和回复，消息元数据通过主题名携带。同时，提供模拟业务系统和设备端应用代码的示例，验证了指令下发和回复的可行性。通过运行示例代码，可以看到设备能接收离线消息并回复，业务系统也能正确接收设备回复，这为IotHub下行数据处理功能的实现打下了基础。

第9章 下行数据处理

实现RPC式调用指令的下发与回复是物联网（IoT）设备与服务器之间通信的关键环节。在IotHub中，通过定义包含“rpc”前缀的主题名，服务器端能够识别设备发送的指令，并通过Redis等待回复。服务器端处理完指令后，将结果放入HTTP响应中，并同步更新设备ACL列表和订阅列表，确保正确处理指令和回复。

IotHub的RPC调用和数据同步功能主要包括设备指令执行与结果回复、设备ACL列表更新、服务端数据请求解析和转发、DeviceSDK端数据请求发送与业务系统指令处理等。此外，IotHub的NTP服务确保设备能够计算精确时间，设备端可以通过Push和Pull模式同步标签信息。

设备连接IotHub时，会主动请求标签数据，对比本地存储的标签数据，进行subscribe或unsubscribe操作。设备端的持久性存储实现和$set_tags指令处理，以及标签数据请求和批量下发指令的方法，都是实现设备间通信的关键。

IotHub的内部请求和指令处理机制，为后续功能扩展奠定了基础。例如，通过实现设备间的消息交互、OTA升级流程，确保了设备间通信和升级的稳定性和安全性。OTA升级流程包括业务系统上传升级文件、调用IotHub接口下发指令、设备下载升级文件、上报进度和完成升级。

IotHub的OTA升级功能通过OTAProgress类封装了升级进度的上报操作，DeviceSDK响应OTA指令，并将相关数据传递给设备应用代码。设备影子功能则是一个JSON文档，用于存储设备上报状态和应用程序期望状态信息，支持服务端和设备端的数据同步。

设备端与IotHub之间的影子同步机制包括设备请求数据、IotHub下发UPDATE_SHADOW指令同步数据、设备记录version等步骤。设备端连接IotHub后请求影子数据，并处理UPDATE_SHADOW指令，同步数据到本地。当设备状态变化时，设备端发送状态更新数据到IotHub，IotHub更新设备影子并回复。

设备影子功能在IotHub平台中的应用，允许设备通过上传数据来主动修改设备影子状态，平台根据设备上传的数据下发指令。此外，平台还提供了RESTful API和系统主题两种方式来监控IotHub的状态，通过监听器Zone功能，实现内部MQTT客户端的无认证接入。

在EMQ X中，通过NodeName标签存储连接数信息，实现连接数的记录。通过监听消息并使用正则表达式从主题名中提取NodeName，然后将连接数数据写入InfluxDB，展示了如何利用类似方法记录更多运行状态数据。

第10章 IotHub的高级功能

EMQ X插件开发主要依赖Erlang语言，以下是其基础知识及RabbitMQ插件的功能实现。

Erlang语言特性包括变量、原子、元组、记录和列表等，模式匹配、模块与函数等概念也在文章中有详细解释。OTP框架在Erlang编程中的应用也得到了阐述。Erlang编译工具的安装，包括Erlang Runtime、Elixir和Rebar3，也有详细说明。

文章以emqx-plugin-template模板插件为例，详细讲解了插件的代码结构、编译和运行过程。同时，RabbitMQ连接和连接池的建立也得到了说明，为后续插件开发打下基础。

EMQ X中RabbitMQ插件的功能实现主要分为以下几步：首先，通过Erlang语言实现了与RabbitMQ的连接池管理，使用ecpool库进行连接池的初始化和配置。其次，处理client.connected和client.disconnected事件，将事件数据通过BSON编码后发送到名为mqtt.events的exchange中。此外，插件的配置文件包括Erlang风格的.config文件和非Erlang风格的.conf文件，并说明了如何使用cuttlefish进行配置文件格式的转换。最后，通过编写RabbitMQ Client代码测试了插件的实现效果。

emqx_rabbitmq_hook插件是EMQ X Hook插件之一，它可以将RabbitMQ配置项映射到Erlang代码，实现配置的动态管理。文章详细讲解了如何使用cuttlefish工具处理配置文件和映射文件，以及如何通过Erlang代码实现配置项的转换和初始化连接池。此外，还介绍了如何将插件集成到IotHub中，实现从RabbitMQ获取事件并进行处理的功能，从而优化了IotHub的架构和性能。通过这个插件，IotHub能够更加灵活地处理配置和事件，提高了系统的稳定性和可扩展性。

第11章 扩展EMQ X Broker

CoAP协议的基本结构和消息类型，包括二进制头、消息选项和负载。CoAP协议通过CON和NON两种消息类型实现请求/应答机制，其中CON消息需要确认回复，而NON消息不需要。此外，CoAP协议还支持观察机制，允许客户端观察服务器资源状态变化。为了方便集成现有系统，CoAP协议可以转换成HTTP协议。通过EMQ X的CoAP插件，CoAP请求可以转换成MQTT的Publish/Subscribe消息，实现设备接入和数据传输。本章详细介绍了CoAP协议的特性和应用，并展示了如何将CoAP集成到IotHub中。



第12章 集成CoAP协议

第三部分 实战：从0搭建一个IoT平台

本书不仅详细讲解了MQTT协议的规范和特性，还带领读者从零开始搭建了一个支持MQTT/CoAP协议的物联网平台。书中介绍了如何通过主题规划和IotHub作为中间件来实现Client-Server模式，并利用EMQ X的高级功能简化开发。同时，本书也强调了在实际生产环境中应用时需要注意的代码错误处理和横向扩展问题。



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