基于NXP i.MX 6ULL——MQTT通信协议的开发案例

前言

本指导文档适用开发环境：

Windows开发环境：Windows 7 64bit、Windows 10 64bit

Linux开发环境：Ubuntu 18.04.4 64bit

拟机：VMware15.1.0

U-Boot：U-Boot-2020.04

Kernel：Linux-5.4.70

Linux SDK：5.4.70_2.3.0

本文主要介绍NXP i.MX 6ULL处理器基于MQTT通信协议的开发案例，主要包括mqtt_client案例和mqtt_sinewave_pub案例，位于产品资料“4-软件资料\Demo\mqtt-demos\”目录下。

该案例中采用的NXPi.MX 6ULL工业评估板为Tronlong创龙科技TLIMX6U-EVM，它是一款基于NXP i.MX 6ULL的ARM Cortex-A7高性能低功耗处理器设计的评估板，由核心板和评估底板组成。核心板经过专业的PCB Layout和高低温测试验证，稳定可靠，可满足各种工业应用环境。

评估板接口资源丰富，引出双路网口、双路RS485、双路CAN、三路USB、多路DI/DO、LCD等接口，板载WIFI、Bluetooth模块，支持LoRa、NB-IoT、Zigbee、4G模块，可选配外壳直接应用于工业现场，方便用户快速进行产品方案评估与技术预研。

正面外观图：

表 1

案例目录		说明
mqtt_client	bin	可执行程序
	libmosquitto	libmosquitto压缩包
	src	程序源码
mqtt_sinewave_pub	bin	可执行程序
	libmosquitto	libmosquitto压缩包
	src	程序源码
	tools	前端Web

1 MQTT通信协议简介

1.1 概述

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅(Publish/Subscribe)模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。

MQTT是轻量、简单、开放和易于实现的，同时作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用。

图 1

MQTT具有如下特点：

（1）轻量可靠：MQTT的报文格式精简、紧凑，可在严重受限的硬件设备和低带宽、高延迟的网络上实现稳定传输。

（2）发布/订阅模式(Publish/Subscribe)：发布/订阅模式的优点在于发布者与订阅者的解耦，实现异步协议。即订阅者与发布者无需建立直接连接，亦无需同时在线。

（3）为物联网而生：提供心跳机制、遗嘱消息、QoS质量等级 + 离线消息、主题和安全管理等全面的物联网应用特性。

（4）生态更完善：覆盖范围广，已成为众多云厂商物联网平台的标准通信协议。

1.2 应用场景

MQTT作为一种低开销，低带宽占用的即时通讯协议，可以极少的代码和带宽为联网设备提供实时可靠的消息服务，适用于硬件资源有限的设备及带宽有限的网络环境。常见的应用场景如下：

（1）物联网M2M通信，物联网大数据采集。

（2）移动即时消息及消息推送。

（3）智能硬件、智能家居、智能电器。

（4）车联网通信，电动车站桩采集。

（5）智慧城市、远程医疗、远程教育。

（6）电力能源、石油能源。

1.3 Mosquitto工具安装

Mosquitto是一款开源的MQTT消息代理（服务器）软件，提供轻量级的、支持可发布/可订阅的的消息推送模式。我司提供的评估板文件系统已支持Mosquitto工具，本文mqtt_client案例采用Mosquitto工具演示MQTT通信协议的通信功能。由于上位机Ubuntu系统作为通信对象，因此需在Ubuntu终端执行如下命令安装Mosquitto工具。

Host# sudo apt-get install mosquitto-clients

图 2

2 mqtt_client案例

2.1 案例说明

案例功能：使用libmosquitto(MQTT version 3.1.1 client library)的API与MQTT代理服务器通信。基于MQTT通信协议，实现发布和订阅消息功能。

程序流程图如下图所示。

图 3

2.2 案例测试

本案例使用公网MQTT HiveMQ服务器与上位机Ubuntu Mosquitto工具通信。请通过网线将评估板网口ETH1 RMII和上位机连接至公网，确保可正常访问互联网。

下表提供了可用的在线公共MQTT服务器，可根据需要自行切换。

表 2

服务器名称	Broker地址	TCP端口	WebSocket
HiveMQ	broker.hivemq.com	1883	8000
Mosquitto	test.mosquitto.org	1883	80
Eclipse	mqtt.eclipseprojects.io	1883	80/443
EMQ X（国内）	broker-cn.emqx.io	1883	8083/8084

评估板启动，将案例bin目录下mqtt_client可执行文件拷贝至评估板文件系统的任意目录下，执行如下命令查看程序参数说明。

Target# ./mqtt_client --help

图 4

2.2.1 评估板发布/上位机订阅

在上位机执行如下命令，使用mosquitto_sub工具订阅MQTT主题。

Host# mosquitto_sub -h broker.hivemq.com -p 1883 -t test/data

参数解析：

-h：指定MQTT服务器；

-p：指定MQTT服务器TCP端口；

-t：定义MQTT主题，可自定义命名。

图 5

在评估板文件系统执行如下命令发布消息至MQTT服务器。

Target# ./mqtt_client -h broker.hivemq.com -p 1883 -M publish -t test/data -m 'www.tronlong.com'

图 6 评估板发布

消息发布成功后，上位机将从MQTT服务器接收到对应的消息。

图 7 上位机订阅

2.2.2 评估板订阅/上位机发布

在评估板文件系统执行如下命令订阅MQTT主题。

Target# ./mqtt_client -h broker.hivemq.com -p 1883 -M subscribe -t test/data

图 8

在上位机执行如下命令发布消息至MQTT服务器。

Host# mosquitto_pub -h broker.hivemq.com -p 1883 -t test/data -m www.tronlong.com

图 9 上位机发布

消息发布成功后，评估板将从MQTT服务器接收到对应消息。

图 10 评估板订阅

2.3 案例编译

将案例src文件夹、libmosquitto文件夹下的libmosquitto.tar.gz压缩包拷贝至Ubuntu工作目录下。执行如下命令，将libmosquitto.tar.gz压缩包解压至与src文件夹同一目录下。

Host# tar -zxf libmosquitto.tar.gz -C .

图 11

执行如下命令，进入src目录使能Linux SDK环境变量并编译。编译完成后，将在当前目录下生成可执行文件。

Host# cd src/

Host# source /home/tronlong/SDK/environment-setup-cortexa7t2hf-neon-poky-linux-gnueabi

Host# make

图 12

2.4 关键代码

（1）创建Mosquitto实例。

图 13

（2）设置回调函数。

图 14

（3）连接MQTT服务器。

图 15

（4）发布消息。

图 16

（5）订阅主题。

图 17

3 mqtt_sinewave_pub案例

3.1 案例说明

案例功能：使用libmosquitto(MQTT version 3.1.1 client library)的API与MQTT代理服务器通信。评估板生成正弦波数据，每秒发送512个采样点的数据至MQTT服务器；上位机通过Web页面从MQTT服务器接收到数据后，将会绘制波形。

程序流程图如下图所示。

图 18

3.2 案例测试

本案例使用公网MQTT HiveMQ服务器与上位机Ubuntu Web程序通信。请通过网线将评估板网口ETH1 RMII和上位机连接至公网，确保可正常访问互联网。

评估板启动，将案例bin目录下mqtt_sinewave_pub可执行文件拷贝至评估板文件系统的任意目录下，执行如下命令查看程序参数说明。

Target# ./mqtt_sinewave_pub --help

图 19

执行如下命令运行程序，连接MQTT服务器，并发送正弦波数据至MQTT服务器。

Target# ./mqtt_sinewave_pub -h broker.hivemq.com -p 1883

图 20

评估板程序运行后，将案例"tools\web_mqtt_sub\"目录下index.html文件，使用上位机浏览器打开。在弹出的Web页面（如下图），依次输入MQTT服务器：broker.hivemq.com，端口号：8000，最后点击连接，Web页面将会从MQTT服务器获取正弦波数据并进行波形绘制。

备注：ARM端MQTT通信协议基于TCP协议，Web端MQTT通信协议基于WebSocket协议，因此使用的端口号不同。