## 使用 JavaScript 和 MQTT 开发物联网应用	

文/刘彦玮

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J avaScript，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。

<img src="http://ipad-cms.csdn.net/cms/attachment/201706/5930ce52dbdf5.png" alt="图1  智能家居物联平台的数据链路" title="图1  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。

1. 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。
2. 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）。
3. cloud 云层：这里是集中处理业务的地方。
4. 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。

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。

<img src="http://ipad-cms.csdn.net/cms/attachment/201706/5930ceaf74b36.png" alt="图2  MQTT的数据链路图" title="图2  MQTT的数据链路图" />

图2  MQTT 的数据链路图

#### JavaScript 在 MQTT 架构中常用的框架

mosca（<a href='https://github.com/mcollina/mosca '>https://github.com/mcollina/mosca</a>）

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（<a href='https://github.com/mqttjs/MQTT.js '>https://github.com/mqttjs/MQTT.js</a>）
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。

<img src="http://ipad-cms.csdn.net/cms/attachment/201706/5930cf8d4e9e4.png" alt="图3  JavaScript在MQTT架构中常用的框架" title="图3  JavaScript在MQTT架构中常用的框架" />

图3  JavaScript 在 MQTT 架构中常用的框架

### 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。

<img src="http://ipad-cms.csdn.net/cms/attachment/201706/5930cfb16952d.png" alt="图4  “穿衣提示”业务场景框架" title="图4  “穿衣提示”业务场景框架" />

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<a href='https://github.com/mcollina/mosca '>https://github.com/mcollina/mosca</a>。

- 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<a href='https://github.com/mqttjs/MQTT.js '>https://github.com/mqttjs/MQTT.js</a>
- 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。

完整 Demo 代码已经分享在 github 中，大家可以输入 URL 下载。

<a href='https://github.com/coolnameismy/javascript-mqtt-demo-wearingTip '>https://github.com/coolnameismy/javascript-mqtt-demo-wearingTip</a>

<img src="http://ipad-cms.csdn.net/cms/attachment/201706/5930db6d10e77.png" alt="图5  Demo硬件演示" title="图5  Demo硬件演示" />

图5  Demo 硬件演示

### 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。