Java 开发中基于 Spring Boot 框架实现 MQTT 消息推送与订阅功能详解

2025-06-11 647

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简介： 本文介绍基于Spring Boot集成MQTT协议实现消息推送与订阅的技术方案。涵盖MQTT协议概述、核心概念（Broker、Client、Topic、QoS）及应用场景，详细说明在Spring Boot中通过配置依赖、连接信息、客户端工厂及消息通道实现消息发布与订阅服务。提供物联网设备监控系统的应用实例，包括设备状态上报、服务器指令下发和实时数据处理。同时，探讨单元测试方法、生产环境部署注意事项（安全配置、性能优化、高可用性）以及总结MQTT在高效可靠消息通信系统中的应用价值。资源链接：[点击查看](https://pan.quark.cn/s/14fcf913bae6)。

Spring Boot集成MQTT实现消息推送与订阅技术方案

一、MQTT协议概述与应用场景

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种基于发布/订阅模式的轻量级消息传输协议，具有低带宽占用、低功耗、支持QoS等级等特点，广泛应用于物联网、移动应用、即时通讯等场景。

核心概念：

Broker：消息代理服务器，处理客户端连接和消息路由
Client：消息发布者或订阅者
Topic：消息主题，用于消息分类和过滤
QoS：服务质量等级（0-最多一次，1-至少一次，2-仅一次）

二、Spring Boot集成MQTT实现方案

1. 引入依赖

在pom.xml中添加以下依赖：

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-integration</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.integration</groupId>
    <artifactId>spring-integration-mqtt</artifactId>
</dependency>

2. 配置MQTT连接信息

在application.properties中配置MQTT服务器地址和认证信息：

# MQTT配置
mqtt.host=tcp://localhost:1883
mqtt.clientId=spring-boot-mqtt-client
mqtt.username=admin
mqtt.password=password
mqtt.defaultTopic=test/topic

3. 创建MQTT配置类

配置MQTT客户端工厂和消息通道：

@Configuration
public class MqttConfig {
   

    @Value("${mqtt.host}")
    private String host;

    @Value("${mqtt.clientId}")
    private String clientId;

    @Value("${mqtt.username}")
    private String username;

    @Value("${mqtt.password}")
    private String password;

    @Value("${mqtt.defaultTopic}")
    private String defaultTopic;

    // 配置MQTT客户端工厂
    @Bean
    public MqttConnectOptions getMqttConnectOptions() {
   
        MqttConnectOptions mqttConnectOptions = new MqttConnectOptions();
        mqttConnectOptions.setUserName(username);
        mqttConnectOptions.setPassword(password.toCharArray());
        mqttConnectOptions.setServerURIs(new String[]{
   host});
        mqttConnectOptions.setKeepAliveInterval(20);
        return mqttConnectOptions;
    }

    // 配置MQTT客户端
    @Bean
    public MqttPahoClientFactory mqttClientFactory() {
   
        DefaultMqttPahoClientFactory factory = new DefaultMqttPahoClientFactory();
        factory.setConnectionOptions(getMqttConnectOptions());
        return factory;
    }

    // 其他配置...
}

4. 实现消息发布服务

创建服务类实现消息发布功能：

@Service
public class MqttPublisher {
   

    private final MqttPahoClientFactory mqttClientFactory;
    private final String clientId;

    public MqttPublisher(MqttPahoClientFactory mqttClientFactory, 
                         @Value("${mqtt.clientId}") String clientId) {
   
        this.mqttClientFactory = mqttClientFactory;
        this.clientId = clientId + "-publisher";
    }

    public void publish(String topic, String payload) {
   
        try (MqttPahoMessageHandler messageHandler = new MqttPahoMessageHandler(
                clientId, mqttClientFactory)) {
   
            messageHandler.setAsync(true);
            messageHandler.setDefaultTopic(topic);
            messageHandler.start();
            messageHandler.handleMessage(new GenericMessage<>(payload));
        } catch (Exception e) {
   
            log.error("MQTT publish error: {}", e.getMessage(), e);
        }
    }
}

5. 实现消息订阅服务

配置消息监听器接收订阅消息：

@Configuration
public class MqttSubscriberConfig {
   

    @Bean
    public MessageChannel mqttInputChannel() {
   
        return new DirectChannel();
    }

    @Bean
    public MessageProducer inbound(MqttPahoClientFactory mqttClientFactory) {
   
        MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter adapter =
                new MqttPahoMessageDrivenChannelAdapter(
                        "subscriberClient", 
                        mqttClientFactory,
                        "test/topic/#"); // 订阅主题通配符
        adapter.setCompletionTimeout(5000);
        adapter.setConverter(new DefaultPahoMessageConverter());
        adapter.setQos(1);
        adapter.setOutputChannel(mqttInputChannel());
        return adapter;
    }

    @Bean
    @ServiceActivator(inputChannel = "mqttInputChannel")
    public MessageHandler handler() {
   
        return message -> {
   
            String topic = message.getHeaders().get(MqttHeaders.RECEIVED_TOPIC).toString();
            String payload = message.getPayload().toString();
            System.out.println("收到MQTT消息 - 主题: " + topic + ", 内容: " + payload);
            // 处理接收到的消息
        };
    }
}

三、应用实例：物联网设备监控系统

场景说明：

构建一个简单的物联网设备监控系统，实现：

设备状态数据定时上报
服务器远程控制指令下发
实时数据展示与告警

1. 设备端实现（模拟）

@Service
public class DeviceSimulator {
   

    @Autowired
    private MqttPublisher mqttPublisher;

    private final ScheduledExecutorService scheduler = Executors.newScheduledThreadPool(1);

    public void startReporting(String deviceId) {
   
        scheduler.scheduleAtFixedRate(() -> {
   
            // 生成模拟设备数据
            Map<String, Object> payload = new HashMap<>();
            payload.put("deviceId", deviceId);
            payload.put("temperature", 20 + new Random().nextInt(10));
            payload.put("humidity", 40 + new Random().nextInt(20));
            payload.put("status", "online");
            payload.put("timestamp", System.currentTimeMillis());

            // 发布设备数据到MQTT
            String jsonPayload = new ObjectMapper().writeValueAsString(payload);
            mqttPublisher.publish("device/data/" + deviceId, jsonPayload);
        }, 0, 5, TimeUnit.SECONDS); // 每5秒上报一次
    }
}

2. 服务端数据处理

@Service
public class DeviceDataService {
   

    @Autowired
    private DeviceRepository deviceRepository;

    @ServiceActivator(inputChannel = "mqttInputChannel")
    public void handleDeviceData(Message<?> message) {
   
        String topic = message.getHeaders().get(MqttHeaders.RECEIVED_TOPIC).toString();
        String payload = message.getPayload().toString();

        // 解析设备数据
        if (topic.startsWith("device/data/")) {
   
            try {
   
                DeviceData deviceData = new ObjectMapper().readValue(payload, DeviceData.class);
                // 保存设备数据
                deviceRepository.save(deviceData);
                // 检查告警阈值
                checkAlarms(deviceData);
            } catch (JsonProcessingException e) {
   
                log.error("解析设备数据失败: {}", e.getMessage(), e);
            }
        }
    }

    private void checkAlarms(DeviceData data) {
   
        // 检查温度是否超过阈值
        if (data.getTemperature() > 30) {
   
            // 触发高温告警
            sendAlarm("高温告警", 
                    "设备 " + data.getDeviceId() + " 温度异常: " + data.getTemperature() + "°C");
        }
    }

    private void sendAlarm(String title, String content) {
   
        // 发送告警通知
        log.warn("ALARM: {} - {}", title, content);
    }
}

3. 控制指令下发

@RestController
@RequestMapping("/api/device")
public class DeviceController {
   

    @Autowired
    private MqttPublisher mqttPublisher;

    @PostMapping("/{deviceId}/command")
    public ResponseEntity<String> sendCommand(
            @PathVariable String deviceId,
            @RequestBody DeviceCommand command) {
   

        try {
   
            // 将命令转换为JSON格式
            String payload = new ObjectMapper().writeValueAsString(command);
            // 发布命令到设备
            mqttPublisher.publish("device/command/" + deviceId, payload);
            return ResponseEntity.ok("命令已发送");
        } catch (Exception e) {
   
            log.error("发送设备命令失败: {}", e.getMessage(), e);
            return ResponseEntity.status(500).body("发送命令失败");
        }
    }
}

四、测试与验证

1. 单元测试示例

@SpringBootTest
class MqttIntegrationTest {
   

    @Autowired
    private MqttPublisher mqttPublisher;

    @Test
    void testMqttPublishAndSubscribe() throws Exception {
   
        // 创建测试主题
        String testTopic = "test/integration/" + UUID.randomUUID().toString();
        String testPayload = "Hello, MQTT!";

        // 设置异步测试监听器
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
        AtomicReference<String> receivedPayload = new AtomicReference<>();

        MessageHandler testHandler = message -> {
   
            receivedPayload.set(message.getPayload().toString());
            latch.countDown();
        };

        // 发布消息
        mqttPublisher.publish(testTopic, testPayload);

        // 等待消息接收
        assertTrue(latch.await(5, TimeUnit.SECONDS));
        assertEquals(testPayload, receivedPayload.get());
    }
}

2. 使用MQTT客户端工具测试

可以使用MQTT.fx、HiveMQ Client等工具连接到MQTT Broker，手动发布和订阅消息进行测试。

五、生产环境部署注意事项

安全配置：
- 使用TLS加密连接（tcp:// → ssl://）
- 启用客户端认证和权限控制
- 定期更换凭证和密钥
性能优化：
- 根据业务量调整QoS等级
- 合理设计主题层级结构
- 考虑使用集群部署提高吞吐量
高可用性：
- 配置MQTT Broker集群
- 实现客户端自动重连机制
- 考虑消息持久化存储

六、总结

通过Spring Boot集成MQTT，我们可以快速实现高效、可靠的消息通信系统。本文介绍了MQTT的基本概念、Spring Boot集成方案、实际应用案例以及生产环境部署注意事项。在实际项目中，可以根据具体需求扩展功能，如添加消息持久化、分布式处理、多协议适配等。

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资源地址：
https://pan.quark.cn/s/14fcf913bae6