使用JavaScript和MQTT开发物联网应用

Posted 2022-06-16 唐门教主

如果说Java和C#哪个是最好的开发语言，无疑会挑起程序员之间的相互怒怼，那如果说javascript是动态性最好的语言，相信大家都不会有太大的争议。随着越来越多的硬件平台和开发板开始支持JavaScript，JavaScript在硬件端以及物联网领域有了新的机会。

IoT应用开发的数据链路

图1是一个智能家居物联平台的数据链路。

图1 智能家居物联平台的数据链路

一般来说，可以把IoT应用分为如图所示的四层。

• client层：指的是IoT设备，可以是冰箱、空调，也可以是一些温湿度传感器。

• gateway层：大多数场景中gateway是家里的WiFi路由器，也有小部分是基于Zigbee或蓝牙的网关设备。智能生活场景中的gateway数量相对于工业领域要少很多，在工业领域存在大量的边缘计算放在gateway层进行处理（雾计算）。

• cloud云层：这里是集中处理业务的地方。

• 应用层：这一层是直接与用户打交道的地方，可以是通过电脑的Web浏览器、手机App，也可以是有屏幕的智能设备的显示器。随着语音技术的发展，无屏设备也可以通过语音交互，作为一个应用存在于物联网的交互层。

物联设备（下文统称为client），可以是单个设备或多个设备组成的应用场景。比如冰箱把运行的功耗数据、库存数据、温度数据采集，通过gateway发送到cloud层，cloud层收集数据后进行异常判断，做智能模式推荐等业务处理后到application层进行展现和交互。用户可以通过冰箱的设备数据进行模式选择，还可以做一些与设备无关的增值服务，比如听音乐、买菜等，这就是一个智能冰箱的数据链路。还有些client是成组智能场景的，比如温湿度传感器将数据上传到cloud，经过处理和加工，动态控制家中空调的温度，调节空气净化器的运行模式等。这么描述好像没有体现出cloud层的作用，那如果运行模式是用户预先配置好的呢？如“当温度超过25度，请帮我打开空调”，这些业务都可以通过cloud层进行处理。

client层的连接方式有WiFi、Bluetooth、Zigbee，而MQTT是为了让物联网设备更加互联互通而出现的应用层数据协议。

MQTT+JavaScript

MQTT是一个长连接的通讯应用层协议，最大的特点是数据精简、消息可靠、Publish-Subscribe模式灵活易用。MQTT已经成为IoT传输的标准协议，应用非常广泛。

图2中Client指的是物联网设备。Client通过对Topic的订阅和发布数据管理应用中的数据流动，而Broker是MQTT应用中用于管理Topic的角色。Server是物联网应用中的服务端，用于处理业务逻辑。

图2 MQTT的数据链路图

MQTT被广泛使用的一个重要的原因是MQTT的生态非常完善，同时也支持JavaScript。因此图2所示的所有链路和模块，都可以通过JavaScript实现。

图3 JavaScript在MQTT架构中常用的架构

JavaScript在MQTT架构中常用的框架

mosca（https://github.com/mcollina/mosca）
mosca是一个用JavaScript实现的MQTT Broker。不仅如此，mosca还增加了对数据库，如Redis、MongoDB的支持，用来实现消息数据的存储。

MQTT.js（https://github.com/mqttjs/MQTT.js）
MQTT.js是官网推荐的JavaScript实现的Client端。

KOA和Express
这两者都是非常主流的Node版本的Server，简单易用。

实战物联网应用

这节我们运用之前介绍的框架，自己动手完成一个简单的物联网应用。应用场景如图4所示，温度传感器用于接收温度，并把文档通过MQTT发送到Server端，在Server端进行业务处理，根据温度计算出穿衣提示，通过MQTT把数据发送到特定的Topic，App订阅Topic获取数据后进行展现。

图4 “穿衣提示”业务场景框架

Broker端的实现

Broker端使用mosca，参考网页https://github.com/mcollina/mosca。

• 安装mosca。

nmp install mosca --save

• 启动mosca。这里需要注意，如果本地没有配置MongoDB，则需要把ascoltatore中的内容全部注释掉。

var mosca = require('mosca');

var ascoltatore = 
  //using ascoltatore
  // type: 'mongo',
  // url: 'mongodb://localhost:27017/mqtt',
  // pubsubCollection: 'ascoltatori',
  // mongo: 
;

var settings = 
  port: 1883,
  backend: ascoltatore
;

var server = new mosca.Server(settings);

server.on('clientConnected', function(client) 
    console.log('client connected', client.id);
);

// fired when a message is received
server.on('published', function(packet, client) 
  console.log('Published', packet.payload); //"clientId":"mqttjs_02fea7b4","topic":"/tips"
  // console.log('>>>packet', packet); //"clientId":"mqttjs_02fea7b4","topic":"/tips"
);

server.on('ready', setup);

// fired when the mqtt server is ready
function setup() 
  console.log('Mosca server is up and running');

代码完成后，启动文件，本地的一个Broker就跑在localhost的1883端口上了。

Client端的温度传感器实现

Client使用MQTT.js实现，参考网页https://github.com/mqttjs/MQTT.js

• 安装

npm install mqtt --save

• 启动

var mqtt = require('mqtt');
var client  = mqtt.connect('mqtt://localhost:1883');

client.on('connect', function () 
   console.log('>>> connected')
   // client.subscribe('/tips')
   setInterval(
        ()=>client.publish('/temperature', '30');,
        3000
    );

)

client.on('message', function (topic, message) 
  // message is Buffer
  console.log(message.toString())
)

// client.end();

执行Node index后Client就启动了，可以看到在MQTT.connect方法中连接了上一节中启动的Broker地址，连接成功后，Client会输出日志，“>>> connected”，Broker的控制台也会输出Client的连接信息。

这里模拟了温度传感器，定时3秒向/temperature的Topic中发送温度数据。

本节的温度器可以在电脑中使用Node方式运行，也可以运行在支持JavaScript的开发板中，如RUFF、NodeMCU、Raspberry Pi，并且可以使用真实的传感器。

Server的实现

Server使用MQTT.js订阅Client发送到/temperature Topic的数据进行处理，把处理后的数据转译成JSON发送到另一业务主题/tips中。

实现代码如下：

'use strict'

const mqtt = require('mqtt');
var client  = mqtt.connect('mqtt://localhost:1883');

client.on('connect', function () 
   console.log('>>> connected');
   client.subscribe('/temperature');
)

client.on('message', function (topic, message) 
  var temperature = parseInt(message.toString());
  var data = temperature;

  if (temperature >= 60) 
        data.tips = "热... 500服务器故障";
  
  else if (temperature >= 50) 
        data.tips = "今天天气非常热，建议不要穿衣服了";
  
  else if (temperature >= 40) 
        data.tips = "今天天气十分的热，建议穿短袖T恤+短裤";
  
  else if (temperature >= 30) 
        data.tips = "今天天气有点的热，建议穿短袖T恤";
  
  else if (temperature >= 0) 
        data.tips = "今天天气正好，可以穿上一件薄衣服";
  
  else if (temperature >= -10) 
        data.tips = "今天天气十分寒冷，棉袄可以穿上一件";    
  
  else 
        data.tips = "今天天气十分十分寒冷，棉袄可以穿上二件";  
  
  client.publish('/tips', JSON.stringify(data));
  // if (temperature+1) 
  // message is Buffer
  console.log(JSON.stringify(data));
)

App的实现

Demo的App使用KOA启动一个Web，在Web中展现当前温度对应的穿衣提示，通过订阅tips获取数据。

• 安装koa

$ npm install koa

• 实现代码

'use strict'

const Koa = require('koa');
const mqtt = require('mqtt');
const app = new Koa();


var msg = temperature:"-",tips:"";
// response
app.use(ctx => 
  ctx.body = "当前温度:" + msg.temperature + "度" + "\\n" + '穿衣提示:'+msg.tips + "\\n"  ;
);

app.listen(3000);

//mqtt
var client  = mqtt.connect('mqtt://localhost:1883');

client.on('connect', function () 
   console.log('>>> connected');
   client.subscribe('/tips');
)

client.on('message', function (topic, message) 
  var data = JSON.parse(message.toString());
  console.log(message.toString()); 
  console.log(data.tips); 
  msg = data;

  // if (temperature+1) 
  // message is Buffer
  // let str = message.toString();
  // let data = JSON.parse(message);
  // console.log(data.tips);
  // msg =  message.toString();
)

Demo小节

本章给出了一个简单的物联网业务的业务场景和实现逻辑，其中Client也可以运行在电脑上进行Demo查看，或是跑在真实物联设备或开发版上。如图5，笔者使用RUFF开发板实现了一次。

图5 Demo硬件演示

完整Demo代码已经分享在github中，大家可以输入URL下载。
https://github.com/coolnameismy/javascript-mqtt-demo-wearingTip

总结

本文和大家交流了物联网应用的一般数据链路、MQTT协议的架构，并基于MQTT实现了一个简单的物联网应用。

现在正是前端工程师的大好机会，越来越多的嵌入式设备都开始支持JavaScript，原因是现在有很多JavaScript引擎可以把JavaScript转换成各种平台的底层代码，比较有名的有Jerryscript、Duktape等。随着越来越多的JavaScript工程师进入嵌入式开发的领域，嵌入式应用开发也会出现前后端分离的情况（应用开发或是驱动开发），类似于Web开发的前后端分离。前端关注在应用、创意、数据链路、用户体现上，而后端则关心GPIO、I2C的底层数据接口和驱动，平台兼容性等方向。