基于MQTT協議的物聯網服務器設計與架構分析

萬洪莉 李雨晨

摘? 要：基于MQTT協議，進行物聯網工程項目服務器端的架構和開發，并針對服務器應用架構進行性能分析。采用MVC設計模式進行服務器端架構設計，采用JSP技術進行開發。服務器和硬件、移動端的通信協議采用MQTT協議，搭建Apollo服務器實現對該協議的支持。經分析，可提高物聯網服務器與感知層、應用層的通信性能。

關鍵詞：物聯網通信協議;服務器;MQTT

Abstract： Based on MQTT （Message Queuing Telemetry Transport） protocol， the study conducts architecture construction and development of the Internet of Things （IoT） project server， and carries out performance analysis of the server application architecture. Model-View-Controller （MVC） mode is used to design the server architecture， and JSP technology is used to develop the server. MQTT is adopted as the communication protocol among the server， hardware and mobile terminal， and Apollo server is built to support the protocol. The analysis proves that the proposed method effectively improves the IoT server communication performance at perception layer and application layer.

Keywords： IoT communication protocol; server; MQTT

1? ?引言（Introduction）

1.1? ?現有物聯網項目架構

HTTP是Web服務器開發中廣泛使用的協議。但當研究物聯網服務器的系統架構時，響應時間，吞吐量，更低的電池和帶寬使用率成為衡量系統的主要性能指標，MQTT協議在這類問題的解決中更具優勢[1-3]。在文獻[4]中，基于物聯網體系架構，以智能超市為業務背景，建設了物聯網實訓教學體系。服務器架構基于HTTP協議，采用硬件感知端、服務器端、移動端和數據流、控制流的“三端兩流”架構。如圖1所示。

在圖1所示的架構中，數據流由硬件感知端起始。硬件感知端將采集的數據發送至服務器端，移動端通過輪詢從服務器端獲得數據流，刷新UI界面進行遠程監測。架構的控制指令流由移動端起始。移動端發起控制指令，服務器端修改指令的相應數據庫字段。硬件感知端發起輪詢操作，查詢服務器端控制指令的相應狀態，根據控制指令控制執行部件的動作。

物聯網的感知層研究與設計也依賴于項目所采用的物聯網應用系統的典型模型。面向軟件測試的物聯網節點模擬單元開發[5]所做工作主要集中在節點單元的開發和測試，物聯網服務器端與感知層、應用層的通信協議也采用HTTP協議。

在項目架構的應用中，存在請求響應較慢、電池消耗高的情況。采用傳統的基于HTTP的服務器作為物聯網項目的服務平臺的應用場景越來越少。

1.2? ?實際應用領域的物聯網服務器

目前在實際應用中已普遍采用物聯網服務平臺進行實際項目開發。例如百度“天工”智能物聯網平臺[6]、阿里云Link物聯網平臺[7]、QQ物聯智能硬件開放平臺”[8]、中國移動物聯網設備云—OneNET[9]等。

產業級的物聯網服務器平臺不再局限于傳統Web服務器的HTTP協議，而是支持HTTP、CoAP、MQTT等多種協議適配，為城市消防、畜牧業、共享經濟、環境監控等多場景提供解決方案。

2? 基于MQTT協議的物聯網服務器架構（IoT server architecture based on MQTT protocol）

2.1? ?HTTP和MQTT在物聯網服務器通信中的對比

基于HTTP協議的物聯網項目架構已經滯后于實際應用開發的技術發展。瓶頸在于服務器的HTTP通信協議。HTTP協議作為一種無狀態通信協議，適于開發Web應用程序，進行業務邏輯處理和門戶展示。在物聯網項目體系架構中，服務器還兼具感知層和應用層的通信接口功能。感知層數據上傳需求頻繁，一般的家用智能系統以秒為單位產生感知數據的上傳需求。應用層由用戶通過移動端發送控制指令至服務器，而基于HTTP協議的服務器架構不具備主動推送功能，不能將控制指令狀態推送給感知層的執行器件。在基于HTTP協議的服務器架構中，感知層的執行器件需要向服務器發起輪詢操作，獲知指令狀態，從而產生相應動作。這種輪詢操作造成了數據流的冗余，占用大量的系統資源。

為解決此類問題，需要在物聯網服務器平臺中引入“發布/訂閱”機制的協議規范。MQTT協議作為消息隊列遙測傳輸協議，是一個基于TCP/IP協議的發布/訂閱協議。設計的初始目的是為了極有限的內存設備和網絡帶寬很低的網絡中進行通信，非常適合物聯網通信[10-13]。

2.2? ?基于MQTT協議的物聯網服務器架構設計

MQTT協議是廣泛應用的物聯網協議，使用該協議需要MQTT消息代理及服務。有兩種方法使用MQTT服務，一是租用現成的MQTT服務器，使用公用的MQTT服務器的好處是功能全面，易用性高。但需要注冊賬號，靈活性差，有些平臺還需要付費。另一方法是自己使用開源的MQTT組件來搭建。圖2以物聯網工程項目中溫度數據在服務端、感知端、移動端的數據流向為例，設計了基于MQTT的物聯網服務器架構的物聯網項目體系。

在圖2的物聯網服務器系統架構中，Web服務器、感知端和移動端都作為Client，在MQTT消息代理上注冊并連接。針對系統中的溫度信息，三個Client都訂閱名為“temperature”的topic。感知端發布消息，內容為溫度數據，Web服務器訂閱“temperature”，消息代理則會把溫度消息推送給Web服務器，Web服務器發布溫度消息，消息代理將其推送給訂閱了該主題的客戶端（移動端）。整個架構采用發布/訂閱機制，數據幀格式即主題格式（topic），比HTTP協議的請求頭短很多，通信效率高，在系統中沒有數據更新，沒有數據流發生時，各個客戶端通過消息代理維持心跳連接即可。

本案例采用apollo的MQTT消息代理，將Web服務器、移動端、硬件端都注冊為apollo MQTT消息代理上的客戶端，實現發布/訂閱功能。下面主要闡述將傳統的基于HTTP的Web服務器包裝成MQTT Client，從而將其角色轉換為兼容MQTT協議的服務器的架構過程。

2.3? ?基于MQTT協議的物聯網服務器開發

2.3.1? ?物聯網服務器的消息發布功能

物聯網服務器的消息發布功能接收移動端的控制指令，并以發布者的角色，通過apollo MQTT消息代理，推送給硬件執行器所在的MQTT客戶端，過程如圖3所示。

由于服務器兼具傳統的HTTP服務器的業務邏輯功能和MQTT的消息發布訂閱功能，因此，可選取HTTP Web組件監聽移動端發送的控制指令。在本課題中，選用Servlet監聽器實現對移動端控制指令的監聽功能。

本文所討論的HTTP服務器功能基于JSP模型二設計模式開發，由中央控制器對所有View層發出的請求進行處理，所有View層發出的請求以“.action”做結尾標識。因此，本文所設計的監聽器主要監聽中央控制器的“change.action”請求。一旦監聽到“change.action”請求，說明移動端發出了控制指令，監聽器將監聽到的控制指令包裝為名為“instructions”的主題（topic），主題內容即為控制指令內容。并將該topic通過apollo MQTT消息代理推送給訂閱了該主題的硬件執行器件，從而實現對硬件執行器件的主動推送控制功能。

2.3.2? ?物聯網服務器的消息訂閱功能

物聯網服務器的消息訂閱功能接收硬件感知層上傳的感知數據，調用MVC模型中的業務邏輯層，完成感知層數據的持久存儲。過程與圖3的發布功能類似，圖中的控制流變為數據流。

消息訂閱功能和HTTP服務器接口的數據上傳功能數據流向一樣。但基于MQTT協議的數據幀長度很短，可定制格式，適于內存有限的感知層硬件處理器，也適于數據流頻繁、帶寬有限的物聯網環境。

3? ?功耗分析（Power analysis）

3.1? ?無線網絡初始化期間功耗對比

物聯網服務器主要起到對數據流的持久存儲和UI展示，對控制流的接收接口和對感知層執行器件的指令發送功能。因此，基于MQTT協議的物聯網服務器不再基于HTTP協議，采用請求/響應模式提供這兩大服務。通過MQTT協議架構的物聯網服務器與移動端、感知層建立了常連接，可基于MQTT的心跳響應維持三者在消息代理上的連接狀態。數據流和控制流的傳輸都基于發布/訂閱機制。在與服務器建立初始化連接期間，HTTPS協議比MQTT協議的電池消耗略少，如表1所示。

3.2? ?無線網絡保持連接期間通信功耗對比

物聯網工程項目通信過程過程中，電池消耗指標在保持連接中更具衡量代表性。保持連接所需要的電源消耗對比如表2所示。

通過對電池消耗表的分析，可以看出，HTTPS和MQTT通信方式在電源消耗上，隨著保持連接時長的增加，在4G和WiFi聯網的情況下，都會大幅減少，但總體來說，MQTT比HTTPS通信方式電源消耗減少50%左右。

4? ?結論（Conclusion）

通過分析目前物聯網工程架構下通信協議的應用現狀，以物聯網服務器與感知層和應用層的通信協議為入手點，架構并開發了一個基于MQTT的物聯網服務器。通過分析，采用MQTT協議的物聯網服務器在與物聯網感知層和應用層的通信過程中，在網絡初始化之后的連接保持期間，功耗有顯著下降。

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作者簡介：

萬洪莉（1978-），女，碩士，副教授.研究領域：物聯網工程，Web應用開發.

李雨晨（1979-），男，碩士，工程師.研究領域：控制理論與控制工程，電氣工程.