智慧工廠教具箱系列(四)：工業物聯網應用層實務技術 – 使用 Node-Red-MQTT

還記得在上一篇「智慧工廠教具箱系列(三)：工業物聯網應用層實務技術 -使用 Node-Red-Dashboard」，實作了一個 Node-Red-Dashboard，用以顯示智慧工廠裡面多感測器的即時數據。如果想要把此數據傳輸至多個使用者端(可能是 10 台，甚至是 100 台以上的電腦或是手機用戶端)，該怎麼做呢？本篇將繼續透過上一篇的範例程式，說明物聯網常用的 MQTT 通訊協定及應用層的相關實務應用技術。

一、認識 MQTT 原理與通訊協定

1.1 認識 MQTT

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport) 訊息序列遙測傳輸，是一種基於發佈/訂閱（publish/subscribe）模式的「羽量級」通訊協定，該協定構建於 TCP/IP 協定上，作為一種低開銷、低頻寬佔用的即時通訊協定，使其在物聯網、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。

1999年 IBM 發明
2014年 MQTT 3.1 正式變成開放的 OASIS 國際標準
2019年 MQTT 5.0 正式變成開放的 OASIS 國際標準

MQTT 訊息傳遞原理

MQTT 使用發佈(Publish) / 訂閱(Subscribe)的消息傳遞機制，主要由四種元件構成。

發佈者 (Publisher)
訂閱者 (Subscriber)
主題 (Topic)
轉訊站 (Broker)

智慧工廠教學實驗平台系列(四)：工業物聯網應用層實務技術 - 使用Node-Red-MQTT

MQTT 的訊息格式

MQTT 訊息格式組成架構

Fix Header (固定格式封包)
Variable Header (變動格式封包，存放「主題」值)
Payload (訊息內文，存放「數據」值)

MQTT 傳輸品質(QoS)

MQTT 定義了三個層級的傳輸品質設定(Quality of Service)，QoS 等級從低到高，不僅意味著消息可靠性的提升，也意味著傳輸複雜程度的提升

QoS0 (只發一次)，可能丟失消息。
QoS1 (重發一次)，保證收到消息，但消息可能重複。
QoS2 (保證一次)，保證消息既不丟失也不重複。

1.2 MQTT 優點

MQTT 與 HTTP 是兩種不同的通訊協定，用於在不同的場景下進行數據交換和通訊。以下是它們的比較 :

數據量和協議頭部(Header)：
- MQTT 是一個輕量級的協議，協議頭部較小，佔用較少的數據，這對於資源受限的設備和低頻寬環境非常有利。
- HTTP的協議頭部相對較大，每次通訊都需要攜帶完整的頭部信息，大量數據傳輸不利低頻寬的網路環境。
通訊方式：
- MQTT 基於發布/訂閱（Publish/Subscribe）模式，只有訂閱相應主題的設備才會收到消息，減少了不必要的通訊流量。
- HTTP 是請求-響應（Request-Response）模式，每次通訊都需要客戶端主動發送請求，伺服器才能返回響應，會增加通訊延遲。
長連接和狀態管理：
- MQTT 支援長連接，即客戶端和伺服器之間的連接在一段時間內保持打開狀態，這有助於減少建立和斷開連接的開銷，同時節省網路帶寬。
- HTTP通常是無狀態協議，每次請求和響應都是獨立的，需要在每次通訊中重新建立連接，這可能會增加效能開銷。
頻寬和效能：
- 由於 MQTT 的輕量級特性和有效的通訊模式，它在資源受限的設備和網路環境中表現出色，尤其是在大量設備之間需要快速、低延遲通訊的情況下。
- HTTP 在一般互聯網應用中表現良好，但在資源受限的嵌入式設備或低頻寬要求的物聯網應用中不如 MQTT。

二、安裝與設置 MQTT Broker

2.1 Mosquitto 介紹

Eclipse Mosquitto 是一個開源的輕量級 MQTT消息代理(Broker)，實現 MQTT 協議版本 5.0、3.1.1 和 3.1，提供可靠的消息傳遞，並允許裝置間的高效通信，適用於低功耗單板電腦(SBC)與大型服務器(Server)等所有設備。Mosquitto易於配置和部署，適用於多種平台(Linux、Windowns)，並提供豐富的功能，使其成為連接物聯網設備的理想選擇。

2.2 Mosquitto 安裝

於Mosquitto官網下載連結，並根據本地端的電腦選擇系統，選擇對應的系統，下載程式並一鍵安裝。
在樹莓派的 Shell 裡，我們可以使用 apt 指令直接安裝 mosquitto 套件和 mosquitto-clients 套件，方便之後的功能測試。 sudo apt update sudo apt upgrade apt-get install mosquitto mosquitto-clients
安裝完成後，輸入下列指令，檢查一下目前 mosquitto 安裝版本。
在終端機下此指令 : mosquitto -v。目前系統上安裝的版本為 1.5.7，監聽埠口為 1883。

2.3 Mosquitto 啟動

安裝完成後，mosquitto 服務會自動啟動，可以使用 service 指令確認 mosquitto 目前運行狀態。
service mosquitto status

當看到執行結果有active(running)，則表示目前mosquitto正常運行中，接著就可以開始使用MQTT Broker的功能了。若要結束mosquitto程式，可以按下 CTRL+C。

三、安裝 MQTT Subscriber

3.1 MQTT X 介紹與下載

電腦端 MQTT 訂閱者，我們使用 MQTT X，它是 EMQ 開源的一款的跨平臺 MQTT5.0 桌面用戶端，支援 macOS, Linux, Windows。MQTT X 的 UI 採用了聊天介面形式，簡化了頁面操作邏輯，使用者可以快速創建連接，允許保存多個用戶端，方便用戶快速測試 MQTT/MQTTS 連接，及 MQTT 消息的訂閱和發佈。

下載網址：https://mqttx.app/

四、MQTT 應用範例實作

此範例程式將示範如何建立 MQTT 通訊協定的物聯網程式，將 Node-RED、Mosquitto 和MQTT X 作一完整的系統整合，讓您更深入了解物聯網技術的實際應用方式和優勢。

智慧工廠端，透過 Node-RED 發布和訂閱 MQTT 主題，並進行數據可視化分析。
MQTT X 客戶端，發布和訂閱 MQTT 主題，與智慧工廠端交換數據。

4.1 智慧工廠端 – 發布與訂閱主題

透過 Node-RED 發布主題(感測器數據)並進行數據可視化分析，並訂閱來自 MQTT X 客戶端的燈號主題。將透過下列步驟，依序說明實作內容。

Node-RED程式開發

打開瀏覽器頁面並輸入 : 127.0.0.1:1880，進入 Node_RED 編輯頁面。

從 network 工具欄中，拖拉一個 mqtt in 和九個 mqtt out 節點，進入程式流程編輯區。

編輯 mqtt in節點，點選「服務端」欄位右邊的鉛筆，編輯「mqtt-broker」節點，服務端內容改成【node-red@localhost】或是智慧工廠IP位址，埠內容改成【1883】，Protocol內容改成【MQTT V3.1.1】，如下圖所示。

修改完成後，服務端變成【node-red@localhost:1883】或是智慧工廠 IP 位址，主題改成【outTopic】，QoS 改成【2】，名稱改成 mqtt in，結果如下圖所示。

拖拉並編輯一個「text」節點，Label 內容改成【接收到的字串】，Value format 內容改成【{{msg.payload}}】，結果如下圖所示。

拖拉並編輯「button」節點，Label內容改成【LED_ON】，Payload內容改成【1】，結果如圖所示。

拖拉並編輯第二個「button」節點，Label 內容改成【LED_OFF】，Payload 內容改成【0】，Color內容改成【black】，結果如圖所示。

編輯第一個「mqtt out」節點，服務端內容改成【node-red@localhost:1883】或是智慧工廠 IP 位址，主題內容改成【inTopic/Led】，名稱內容改成【mqtt_Led】。

依序編輯其餘八個「mqtt out」節點，主題內容改成【inTopic/Temp】、【inTopic/Humid】、【inTopic/Light】、【inTopic/Flame】、【inTopic/Mq4】、【inTopic/Btn】、【inTopic/Knob】及【inTopic/Ird】。
透過前面的步驟，已經完成所有節點的內容修正。現在只需把修改過後的節點，正確的相連在一起即可，結果如圖所示。點選右上角的「部署」按鈕，即可完成MQTT通訊協定的連線。

部署成功後，mqtt in節點下方出現綠色燈號，代表MQTT設定成功。若mqtt in節點沒有出現【已連接】，請再次檢查樹莓派網路通訊是否正常，網路設定或是mqtt broker網路設定是否正確。

Node-RED 程式測試

打開瀏覽器並輸入 http://127.0.0.1:1880/ui/，觀察 Node-RED Dashboard上感測器數值的變化。

Node-RED 程式備份

以下是一般情況下如何進行Node-RED工作流程的備份的步驟：在Node-RED中，程式是以工作流程（flows）的形式存在的。要備份工作流程，請按照以下步驟進行：

在Node-RED編輯器中，點擊右上角的選單圖示（三條橫線）。
選擇「Export」（匯出）選項。
選擇要匯出的工作流程，您可以選擇全部工作流程或僅選擇特定的工作流程。
點擊「Download」（下載）按鈕來保存工作流程的 JSON 文件。

4.2 MQTT X 客戶端 – 發布與訂閱主題

透過 MQTT X 建立電腦客戶端與智慧工廠之間的 MQTT 通訊連線測試。將透過下列步驟，依序說明實作內容。

MQTT X 連線設置

建立快速連接，如下圖所示。

連接設定，Name 欄位【使用者自行設定】，Client ID 欄位【系統自動產生】，Host 欄位填入【目前智慧工廠的 IP 位址】，Port 欄位填入【1883】，其他設定採預設值即可，結果如下圖所示。

MQTT X 測試

當連線至智慧工廠的 MQTT Broker 成功後，接著設定 MQTT X 的訂閱主題(Topic)，開始接收來自智慧工廠端的感測器訊息(Message)。訂閱智慧工廠端溫/溼度感測器的溫度值(°C)，開啟一個 New Subscription，Topic 欄位填入【inTopic/Temp】，QoS 欄位填入【2】，Color 欄位【選一色彩】，Alias 欄位填入【Temp】，設定如下圖所示。