物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)：從0到1構(gòu)建IoT平臺（第2版）

目　　錄　Contents
前言
第一部分　物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)
第1章　什么是物聯(lián)網(wǎng)　2
1.1　物聯(lián)網(wǎng)和人工智能　3
1.2　物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀與前景　4
第2章　常見的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議　6
2.1　MQTT協(xié)議　6
2.2　MQTT-SN協(xié)議　7
2.3　CoAP　8
2.4　LwM2M協(xié)議　9
2.5　HTTP　9
2.6　LoRaWAN協(xié)議　9
2.7　NB-IoT協(xié)議　10
2.8　本章小結(jié)　10
第二部分　MQTT協(xié)議詳解與實(shí)戰(zhàn)
第3章　MQTT協(xié)議基礎(chǔ)　13
3.1　MQTT協(xié)議的通信模型　13
3.2　MQTT的不同版本　 14
3.3　MQTT Client　14
3.4　MQTT Broker　16
3.5　MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)包格式　17
3.6　本章小結(jié)　19
第4章　MQTT 3.1.1協(xié)議詳解　20
4.1　建立到Broker的連接　20
4.1.1　CONNECT數(shù)據(jù)包　20
4.1.2　CONNACK數(shù)據(jù)包　23
4.1.3　關(guān)閉連接　25
4.1.4　代碼實(shí)踐　26
4.2　訂閱與發(fā)布　29
4.2.1　PUBLISH數(shù)據(jù)包　30
4.2.2　代碼實(shí)踐：發(fā)布消息　32
4.2.3　訂閱一個主題　32
4.2.4　代碼實(shí)踐：訂閱主題　35
4.2.5　取消訂閱　37
4.3　QoS及其最佳實(shí)踐　40
4.3.1　MQTT協(xié)議中的QoS等級　40
4.3.2　QoS0　40
4.3.3　QoS1　41
4.3.4　QoS2　42
4.3.5　代碼實(shí)踐：使用不同的QoS
發(fā)布消息　45
4.3.6　實(shí)際的QoS　48
4.3.7　QoS的最佳實(shí)踐　48
4.4　Retained消息和LWT　49
4.4.1　Retained消息　49
4.4.2　代碼實(shí)踐：發(fā)布和接收
Retained消息　50
4.4.3　LWT　52
4.4.4　代碼實(shí)踐：監(jiān)控Client連接
狀態(tài)　52
4.5　Keep Alive與連接?；睢?4
4.5.1　Keep Alive　54
4.5.2　代碼實(shí)踐　56
4.5.3　連接?；睢?7
4.6　本章小結(jié)　59
第5章　MQTT 5.0協(xié)議詳解　60
5.1　協(xié)議包內(nèi)容擴(kuò)展　60
5.1.1　屬性集　60
5.1.2　原因碼　60
5.2　更完善的連接管理　63
5.2.1　獲取MQTT Broker的連接
屬性　63
5.2.2　代碼實(shí)踐：建立MQTT 5.0
連接　65
5.2.3　Client主動斷開連接　65
5.2.4　代碼實(shí)踐：主動斷開連接，
觸發(fā)遺愿機(jī)制　66
5.2.5　Broker主動斷開連接　67
5.2.6　代碼實(shí)踐：處理客戶端標(biāo)識符
沖突　67
5.3　更完善的會話管理　68
5.3.1　清理會話啟動　69
5.3.2　會話過期時間　69
5.3.3　代碼實(shí)踐：在CONNECT數(shù)據(jù)包
中設(shè)定會話過期時間　70
5.3.4　代碼實(shí)踐：在DISCONNECT
數(shù)據(jù)包中更新會話過期時間　70
5.4　新增消息過期機(jī)制　71
5.4.1　消息過期時間　71
5.4.2　代碼實(shí)踐：發(fā)布帶有過期
時間的消息　72
5.5　協(xié)議級別支持共享訂閱　73
5.5.1　如何使用共享訂閱　73
5.5.2　代碼實(shí)踐：使用共享訂閱　74
5.5.3　代碼實(shí)踐：使用帶通配符的
共享訂閱　75
5.5.4　代碼實(shí)踐：多個共享訂閱組　76
5.6　數(shù)據(jù)包可攜帶用戶屬性　77
5.6.1　為什么要引入用戶屬性　77
5.6.2　典型的使用場景　78
5.7　可聲明消息體格式　79
5.7.1　為什么要聲明消息體格式　79
5.7.2　如何聲明消息體格式　79
5.7.3　代碼實(shí)踐：發(fā)布帶有消息體
格式的消息　79
5.8　可設(shè)置主題別名　80
5.8.1　主題名映射　81
5.8.2　代碼實(shí)踐：使用主題別名　81
5.9　新增請求/響應(yīng)模式　82
5.9.1　MQTT 5.0之前的解決方案　82
5.9.2　MQTT 5.0的解決方案　83
5.9.3　代碼實(shí)踐：使用請求/響應(yīng)模式
進(jìn)行數(shù)據(jù)交互　84
5.10　訂閱時可指定訂閱標(biāo)識符　85
5.10.1　訂閱標(biāo)識符　85
5.10.2　代碼實(shí)踐：使用訂閱標(biāo)
識符　85
5.11　更完善的訂閱選項(xiàng)　86
5.11.1　QoS等級選項(xiàng)　87
5.11.2　非本地選項(xiàng)　87
5.11.3　保留Retain標(biāo)識符選項(xiàng)　87
5.11.4　保留消息處理選項(xiàng)　87
5.11.5　代碼實(shí)踐：設(shè)置非本地
選項(xiàng)　87
5.11.6　代碼實(shí)踐：設(shè)置保留Retain
標(biāo)識符選項(xiàng)　88
5.11.7　代碼實(shí)踐：設(shè)置保留消息
處理選項(xiàng)　89
5.12　更完善的認(rèn)證機(jī)制　91
5.13　本章小結(jié)　92
第6章　MQTT協(xié)議實(shí)戰(zhàn)　93
6.1　“AI IoT”項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)　93
6.1.1　用TensorFlow在Android系統(tǒng)
上進(jìn)行物體識別　93
6.1.2　如何在MQTT協(xié)議里傳輸大
文件　94
6.1.3　消息去重　95
6.1.4　最終的消息數(shù)據(jù)格式　95
6.1.5　代碼實(shí)踐：上傳識別結(jié)果　95
6.1.6　在瀏覽器中運(yùn)行
MQTT Client　97
6.1.7　代碼實(shí)踐：接收識別結(jié)果　97
6.1.8　搭建私有MQTT Broker　98
6.1.9　傳輸層安全　100
6.2　MQTT常見問題解答　101
6.3　開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，學(xué)會MQTT
協(xié)議就夠了嗎　101
6.4　本章小結(jié)　103
第三部分　實(shí)戰(zhàn)：從零開始搭建
　一個IoT平臺
第7章　準(zhǔn)備工作臺　107
7.1　安裝需要的組件　107
7.2　Maque IotHub的組成部分　108
7.3　項(xiàng)目結(jié)構(gòu)　109
7.3.1　IotHub Server　109
7.3.2　IotHub DeviceSDK　109
7.4　本章小結(jié)　111
第8章　設(shè)備生命周期管理　112
8.1　設(shè)備注冊　112
8.1.1　設(shè)備三元組　112
8.1.2　EMQX的認(rèn)證方式　113
8.1.3　設(shè)備接入流程　117
8.1.4　Server API：設(shè)備注冊　118
8.1.5　調(diào)整EMQX配置　120
8.1.6　修改DeviceSDK　121
8.1.7　Server API：設(shè)備信息
查詢　122
8.1.8　Server API：獲取接入IotHub
的一次性密碼（JWT）　123
8.1.9　完善細(xì)節(jié)　125
8.2　設(shè)備連接狀態(tài)管理　127
8.2.1　Poor man’s Solution　127
8.2.2　使用EMQX的解決方案　128
8.2.3　管理設(shè)備的連接狀態(tài)　132
8.3　設(shè)備的禁用與刪除　136
8.3.1　禁用設(shè)備　136
8.3.2　刪除設(shè)備　141
8.4　設(shè)備權(quán)限管理　142
8.4.1　為什么要控制Publish和
Subscribe權(quán)限　142
8.4.2　EMQX的ACL功能　142
8.4.3　集成EMQX的ACL功能　146
8.5　給IotHub加一點(diǎn)擴(kuò)展性　148
8.5.1　EMQX的縱向擴(kuò)展　148
8.5.2　EMQX的橫向擴(kuò)展　149
8.6　本章小結(jié)　151
第9章　上行數(shù)據(jù)處理　152
9.1　選擇一個可擴(kuò)展的方案　152
9.1.1　完全基于MQTT協(xié)議的方案　153
9.1.2　基于WebHook的方案　154
9.1.3　數(shù)據(jù)格式　155
9.1.4　主題名規(guī)劃　156
9.1.5　上行數(shù)據(jù)存儲　156
9.1.6　通知業(yè)務(wù)系統(tǒng)　157
9.1.7　上行數(shù)據(jù)查詢　157
9.1.8　上行數(shù)據(jù)處理流程　157
9.2　實(shí)現(xiàn)上行數(shù)據(jù)處理功能　158
9.2.1　DeviceSDK的功能實(shí)現(xiàn)　158
9.2.2　IotHub Server的功能實(shí)現(xiàn)　160
9.2.3　代碼聯(lián)調(diào)　162
9.2.4　通知業(yè)務(wù)系統(tǒng)　164
9.2.5　Server API歷史消息查詢　167
9.3　設(shè)備狀態(tài)上報(bào)　168
9.3.1　設(shè)備狀態(tài)　168
9.3.2　DeviceSDK的實(shí)現(xiàn)　169
9.3.3　IotHub Server 的實(shí)現(xiàn)　169
9.3.4　Server API：查詢設(shè)備狀態(tài)　171
9.3.5　代碼聯(lián)調(diào)　172
9.3.6　為何不用Retained消息　172
9.4　時序數(shù)據(jù)庫　173
9.4.1　時序數(shù)據(jù)　173
9.4.2　時序數(shù)據(jù)庫概述　174
9.4.3　收集設(shè)備連接狀態(tài)變化的
數(shù)據(jù)　174
9.5　本章小結(jié)　177
第10章　下行數(shù)據(jù)處理　178
10.1　選擇一個可擴(kuò)展的方案　179
10.1.1　完全基于 MQTT協(xié)議的
方案　179
10.1.2　基于EMQX RESTful API的
方案　180
10.1.3　下行數(shù)據(jù)格式　180
10.1.4　主題名規(guī)劃　181
10.1.5　如何訂閱主題　182
10.1.6　設(shè)備端消息去重　182
10.1.7　指令回復(fù)　183
10.2　DeviceSDK端的實(shí)現(xiàn)　183
10.2.1　消息去重　183
10.2.2　提取元數(shù)據(jù)　184
10.2.3　處理指令　185
10.2.4　回復(fù)指令　186
10.3　服務(wù)端的實(shí)現(xiàn)　187
10.3.1　更新ACL 列表　187
10.3.2　EMQX發(fā)布功能　187
10.3.3　Server API：發(fā)送指令　188
10.3.4　Broker自動訂閱　189
10.3.5　通知業(yè)務(wù)系統(tǒng)　190
10.3.6　代碼聯(lián)調(diào)　192
10.4　本章小結(jié)　195
第11章　IotHub的高級功能　196
11.1　RPC式調(diào)用　196
11.1.1　主題規(guī)劃　197
11.1.2　等待指令回復(fù)　198
11.1.3　服務(wù)端實(shí)現(xiàn)　198
11.1.4　Server API：發(fā)送RPC指令　200
11.1.5　更新設(shè)備ACL列表　201
11.1.6　更新服務(wù)器訂閱列表　201
11.1.7　DeviceSDK端實(shí)現(xiàn)　202
11.1.8　代碼聯(lián)調(diào)　203
11.2　設(shè)備數(shù)據(jù)請求　204
11.2.1　更新設(shè)備ACL列表　205
11.2.2　服務(wù)端實(shí)現(xiàn)　206
11.2.3　DeviceSDK端實(shí)現(xiàn)　207
11.2.4　代碼聯(lián)調(diào)　207
11.3　NTP服務(wù)　209
11.3.1　IotHub 的 NTP 服務(wù)　209
11.3.2　DeviceSDK端實(shí)現(xiàn)　210
11.3.3　服務(wù)端實(shí)現(xiàn)　211
11.3.4　代碼聯(lián)調(diào)　212
11.4　設(shè)備分組　212
11.4.1　功能設(shè)計(jì)　213
11.4.2　服務(wù)端實(shí)現(xiàn)　215
11.4.3　DeviceSDK端實(shí)現(xiàn)　 218
11.4.4　代碼聯(lián)調(diào)　221
11.5　M2M設(shè)備間通信　223
11.5.1　主題名規(guī)劃　223
11.5.2　服務(wù)端實(shí)現(xiàn)　224
11.5.3　DeviceSDK端實(shí)現(xiàn)　225
11.5.4　代碼聯(lián)調(diào)　225
11.6　OTA升級　227
11.6.1　功能設(shè)計(jì)　227
11.6.2　服務(wù)端實(shí)現(xiàn)　229
11.6.3　DeviceSDK端實(shí)現(xiàn)　233
11.6.4　代碼聯(lián)調(diào)　235
11.7　設(shè)備影子　238
11.7.1　什么是設(shè)備影子　238
11.7.2　設(shè)備影子的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)　238
11.7.3　設(shè)備影子的數(shù)據(jù)流向　239
11.7.4　服務(wù)端實(shí)現(xiàn)　241
11.7.5　DeviceSDK端實(shí)現(xiàn)　246
11.7.6　代碼聯(lián)調(diào)　248
11.8　本章小結(jié)　250
第12章　擴(kuò)展EMQX Broker　251
12.1　EMQX的插件系統(tǒng)　251
12.1.1　Erlang語言　252
12.1.2　安裝編譯工具　252
12.2　我們會用到的Erlang特性　253
12.2.1　Erlang簡介　253
12.2.2　變量和賦值　254
12.2.3　特殊的 Erlang 數(shù)據(jù)類型　255
12.2.4　模式匹配　255
12.2.5　模塊與函數(shù)　256
12.2.6　宏定義　257
12.2.7　OTP　257
12.3　搭建開發(fā)和編譯環(huán)境　257
12.3.1　使用插件模板　257
12.3.2　代碼結(jié)構(gòu)　257
12.3.3　編譯和打包　260
12.4　實(shí)現(xiàn)基于RabbitMQ的Hook
插件：emqx_rabbitmq?_?plugin　260
12.4.1　插件配置文件　260
12.4.2　建立RabbitMQ的連接池　261
12.4.3　處理client.connected事件　263
12.4.4　處理client.disconnected
事件　263
12.4.5　處理message.publish事件　264
12.5　使用emqx_rabbitmq?_?plugin
插件　265
12.5.1　安裝和啟用插件　265
12.5.2　測試插件　266
12.5.3　管理插件配置　267
12.5.4　集成emqx_rabbitmq?_?plugin
插件　268
12.5.5　IotHub 的全新架構(gòu)　269
12.6　本章小結(jié)　270
第13章　集成CoAP　271
13.1　CoAP簡介　271
13.1.1　CoAP的消息模型　272
13.1.2　CoAP的請求/響應(yīng)機(jī)制　272
13.1.3　CoAP OBSERVE　273
13.1.4　CoAP HTTP網(wǎng)關(guān)　273
13.2　集成CoAP到IotHub　274
13.2.1　EMQX的CoAP網(wǎng)關(guān)　274
13.2.2　設(shè)備發(fā)起連接　277
13.2.3　設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)　279
13.2.4　設(shè)備發(fā)送心跳　280
13.2.5　設(shè)備主動斷開連接　281
13.3　本章小結(jié)　282
第14章　使用其他語言擴(kuò)展
　EMQX　283
14.1　EMQX的gRPC鉤子　283
14.2　gRPC簡介　284
14.3　基于EMQX的gRPC鉤子實(shí)現(xiàn)
插件功能　284
14.3.1　ExHook的服務(wù)定義　284
14.3.2　代碼結(jié)構(gòu)　286
14.3.3　OnProviderLoaded接口　287
14.3.4　OnClientConnected接口　288
14.3.5　OnClientDisconnected
接口　290
14.3.6　OnMessagePublish接口　290
14.4　啟用emqx_rabbitmq?_node_
plugin　293
14.5　本章小結(jié)　294
結(jié)語　我們學(xué)到了什么　295
附錄A　如何運(yùn)行Maque IotHub　299