自建MQTT迁移IoT物联网平台实战

前言

随着业务增长，自建MQTT集群维护成本越来越高，连接稳定性，消息时延不断遇到上层业务挑战，迁移阿里云IoT物联网平台是非常明智的最佳选择。

现有业务背景

企业基于自建MQTT集群的数据交互如下图：

设备端publish业务数据到MQTT集群，流转到后端业务服务器处理；业务服务器把指令发布到MQTT集群，触达到设备端。具体业务数据定义如下：

架构方案

当我们从自己MQTT集群迁移到IoT物联网平台，我们可以采用以下技术方案，实现低成本的快速迁移，减少设备端和业务系统的改造。

IoT设备迁移上云三步走：

• 设备做固件升级，修改接入域名为IoT平台Endpoint
• 调整现有通信topic为IoT物联网平台产品自定义Topic
• 配置规则引擎，把设备数据流转到服务端订阅AMQP消费组，业务服务器实时接收到设备数据

设备迁移上云实战

创建产品

首先，我们接入物联网平台控制台，左侧栏选择产品，创建新产品：充电宝机柜。如下图：

• 所属品类：自定义品类
• 节点类型：直连设备
• 连网方式：WiFi （这里可以根据实际情况选择）
• 数据格式：ICA 标准数据格式 JSON（这里也可以选 透传/自定义）

然后，把现有系统业务Topic映射到自定义通信的Topic类，如下表：

最后，我们接入产品详情，选择Topic类列表，点击自定义Topic，添加Topic如下图：

至此，我们完成了在IoT物联网平台的产品创建和通信定义。

注册设备

我们基于产品，创建一个具体设备，获取到设备身份认证信息（三元组），如下图：

数据流转配置

当我们创建完成产品，注册好设备之后，就需要在IoT平台配置数据流转方案了。

服务端订阅AMQP消费组

首先，我们要在控制台的服务端订阅，创建我们充电宝业务的AMQP消费组，用来消费设备生成的数据。如下图：

然后，我们进入消费组详情，查看消费组状态。由于我们设备端和服务端都没有连接到平台，数据都是为空。如下图：

规则引擎

接下来我们要做的是配置规则引擎处理数据，并流转到已创建的消费组上。

我们选择云产品流转，点击创建规则，选择二进制格式（二进制泛指非JSON结构数据）。如下图：

然后，我们编写SQL，让IoT物联网平台处理设备数据，并携带设备信息。如下图：

SELECT 
deviceName() as deviceName,
timestamp() as timestamp ,
payload() as payload 
FROM "/a********E/+/user/data/up"

接下来，我们添加数据转发操作到指定的AMQP消费组，如下图：

完整的规则引擎配置如下图所示：

最后，我们在规则引擎列表，启动规则。如下图：

设备开发

在完成了云上控制台的配置工作后，我们要做的就是设备端业务开发。这里我们在Mac上用nodejs脚本模拟设备业务行为，设备MQTT连接，数据上报，指令接收。
完整代码如下：

// 引入依赖mqtt库，或自己实现
const mqtt = require('aliyun-iot-mqtt');
// 设备身份
var options = {
    productKey: "设备pk",
    deviceName: "设备dn",
    deviceSecret: "设备ds",
    regionId: "cn-shanghai"
};

// 1.建立连接
const client = mqtt.getAliyunIotMqttClient(options);

// 2.设备接收云端指令数据
client.on('message', function(topic, message) {
    console.log("topic " + topic)
    console.log("message " + message)
})
// 3. 设备订阅指令的Topic
client.subscribe(`/${options.productKey}/${options.deviceName}/user/cmd/down`)

// 4. 模拟设备 上报数据（原始报文）
setInterval(function() {
    client.publish(`/${options.productKey}/${options.deviceName}/user/data/up`, getPostData(),{qos:1});

}, 1000);


// 模拟 设备原有报文格式
function getPostData() {
    let payload = "DE02,"+Math.floor((Math.random() * 20) + 10)
    +","+Math.floor((Math.random() * 20) + 10)
    +",011101010,am024,1d478f";

    console.log("payload=[ " + payload+" ]")
    return JSON.stringify(payload);
}

至此，我们完成了设备端业务开发。

服务端开发

服务端我们以Java为例，演示设备数据接收和控制指令的下发。

业务服务器接收设备数据

参考服务端订阅AMQP文档 https://help.aliyun.com/document_detail/143601.html
完整代码如下：

package com.aliyun.iot;

import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import org.apache.qpid.jms.JmsConnection;
import org.apache.qpid.jms.JmsConnectionListener;
import org.apache.qpid.jms.message.JmsInboundMessageDispatch;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import javax.jms.*;
import javax.naming.Context;
import javax.naming.InitialContext;
import java.net.URI;
import java.util.Hashtable;

public class AMQPClient {

    private final static Logger logger = LoggerFactory.getLogger(AMQPClient.class);

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //参数说明，请参见上一篇文档：AMQP客户端接入说明。
        String accessKey = "阿里云账号ak";
        String accessSecret = "阿里云账号as";
        String consumerGroupId = "服务端订阅消费组ID";
        long timeStamp = System.currentTimeMillis();
        //签名方法：支持hmacmd5，hmacsha1和hmacsha256
        String signMethod = "hmacsha1";
        //控制台服务端订阅中消费组状态页客户端ID一栏将显示clientId参数。
        //建议使用机器UUID、MAC地址、IP等唯一标识等作为clientId。便于您区分识别不同的客户端。
        String clientId = "ecs_"+System.currentTimeMillis();

        //UserName组装方法，请参见上一篇文档：AMQP客户端接入说明。
        String userName = clientId + "|authMode=aksign"
                + ",signMethod=" + signMethod
                + ",timestamp=" + timeStamp
                + ",authId=" + accessKey
                + ",consumerGroupId=" + consumerGroupId
                + "|";
        //password组装方法，请参见上一篇文档：AMQP客户端接入说明。
        String signContent = "authId=" + accessKey + "&timestamp=" + timeStamp;
        String password = doSign(signContent,accessSecret, signMethod);
        //按照qpid-jms的规范，组装连接URL。
        String connectionUrl = "failover:(amqps://替换你的阿里云账号UID.iot-amqp.cn-shanghai.aliyuncs.com:5671?amqp.idleTimeout=80000)"
                + "?failover.reconnectDelay=30";

        Hashtable<String, String> hashtable = new Hashtable<>();
        hashtable.put("connectionfactory.SBCF",connectionUrl);
        hashtable.put("queue.QUEUE", "default");
        hashtable.put(Context.INITIAL_CONTEXT_FACTORY, "org.apache.qpid.jms.jndi.JmsInitialContextFactory");
        Context context = new InitialContext(hashtable);
        ConnectionFactory cf = (ConnectionFactory)context.lookup("SBCF");
        Destination queue = (Destination)context.lookup("QUEUE");
        // Create Connection
        Connection connection = cf.createConnection(userName, password);
        ((JmsConnection) connection).addConnectionListener(myJmsConnectionListener);
        // Create Session
        // Session.CLIENT_ACKNOWLEDGE: 收到消息后，需要手动调用message.acknowledge()
        // Session.AUTO_ACKNOWLEDGE: SDK自动ACK（推荐）
        Session session = connection.createSession(false, Session.AUTO_ACKNOWLEDGE);
        connection.start();
        // Create Receiver Link
        MessageConsumer consumer = session.createConsumer(queue);
        consumer.setMessageListener(messageListener);
    }

    private static MessageListener messageListener = new MessageListener() {
        @Override
        public void onMessage(Message message) {
            try {
                byte[] body = message.getBody(byte[].class);
                String content = new String(body);
                String topic = message.getStringProperty("topic");
                String messageId = message.getStringProperty("messageId");
                logger.info("receive message"
                        + ", topic = " + topic
                        + ", messageId = " + messageId
                        + ", content = " + content);
                System.out.println();
                //如果创建Session选择的是Session.CLIENT_ACKNOWLEDGE，这里需要手动ACK。
                //message.acknowledge();
                //如果要对收到的消息做耗时的处理，请异步处理，确保这里不要有耗时逻辑。
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    };

    private static JmsConnectionListener myJmsConnectionListener = new JmsConnectionListener() {
        /**
         * 连接成功建立。
         */
        @Override
        public void onConnectionEstablished(URI remoteURI) {
            logger.info("onConnectionEstablished, remoteUri:{}", remoteURI);
        }

        /**
         * 尝试过最大重试次数之后，最终连接失败。
         */
        @Override
        public void onConnectionFailure(Throwable error) {
            logger.error("onConnectionFailure, {}", error.getMessage());
        }

        /**
         * 连接中断。
         */
        @Override
        public void onConnectionInterrupted(URI remoteURI) {
            logger.info("onConnectionInterrupted, remoteUri:{}", remoteURI);
        }

        /**
         * 连接中断后又自动重连上。
         */
        @Override
        public void onConnectionRestored(URI remoteURI) {
            logger.info("onConnectionRestored, remoteUri:{}", remoteURI);
        }

        @Override
        public void onInboundMessage(JmsInboundMessageDispatch envelope) {}

        @Override
        public void onSessionClosed(Session session, Throwable cause) {}

        @Override
        public void onConsumerClosed(MessageConsumer consumer, Throwable cause) {}

        @Override
        public void onProducerClosed(MessageProducer producer, Throwable cause) {}
    };

    /**
     * password签名计算方法，请参见上一篇文档：AMQP客户端接入说明。
     */
    private static String doSign(String toSignString, String secret, String signMethod) throws Exception {
        SecretKeySpec signingKey = new SecretKeySpec(secret.getBytes(), signMethod);
        Mac mac = Mac.getInstance(signMethod);
        mac.init(signingKey);
        byte[] rawHmac = mac.doFinal(toSignString.getBytes());
        return Base64.encodeBase64String(rawHmac);
    }
}

业务服务器下发控制指令

参考云端API文档 https://help.aliyun.com/document_detail/69793.html
完整代码如下：

package com.aliyun.iot;

import com.aliyuncs.DefaultAcsClient;
import com.aliyuncs.IAcsClient;
import com.aliyuncs.exceptions.ClientException;
import com.aliyuncs.iot.model.v20170420.PubRequest;
import com.aliyuncs.iot.model.v20170420.PubResponse;
import com.aliyuncs.profile.DefaultProfile;
import com.google.gson.Gson;

public class PubClient {

    public static void main(String[] args) {

        DefaultProfile profile = DefaultProfile.getProfile(
                "cn-shanghai",
                "替换你的ak",
                "替换你的as");
        IAcsClient client = new DefaultAcsClient(profile);

        PubRequest request = new PubRequest();
        request.setTopicFullName("/替换设备pk/替换设备dn/user/cmd/down");
        request.setMessageContent("Q01ELDgyOTIzLGFkMzIyCiA=");//原始报文 : CMD,82923,ad322
        request.setProductKey("替换设备pk");
        request.setQos(1);

        try {
            PubResponse response = client.getAcsResponse(request);
            System.out.println(new Gson().toJson(response));

        } catch (ClientException e) {
            System.out.println("ErrCode:" + e.getErrCode());
            System.out.println("ErrMsg:" + e.getErrMsg());
            System.out.println("RequestId:" + e.getRequestId());
        }
    }
}

至此，我们完成了服务端业务开发。

整体运行

在完成以上业务开发之后，我们先启动服务端程序和IoT物联网平台建立连接，然后启动设备端模拟脚本。

设备上报数据

设备端日志：
在设备端日志，我们看到打印出来的业务报文如下：

服务端日志：
在设备打印出来日志同时，我们能看到服务端实时在打印从IoT物联网平台获取到的消息数据，如下图：

此时，我们在物联网平台控制台，消费组详情里，也能看到消息处理速率，堆积量，最后一条消息处理时间，以及服务端ecs的列表。如下图：

日志服务

在阿里云IoT的控制台日志服务里，我们可以查看设备行为日志：

在日志服务的上行消息分析里，可以查看消息详情，包括Topic和Payload。

也可以跟踪上行消息的流转过程，如下图：

服务端下发控制指令

我们在服务端执行Pub接口调用，像设备下发控制指令。如下图：

此时，设备端会实时打印出来指令信息，如下图：

同样，我们可以在控制台的日志服务，下行消息分析中，查看到指令消息流转完整过程，如下图：

至此，我们在尽量少改动的前提下，完成了存量设备上云的迁移工作。

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