【广东龙芯2K500先锋板试用体验】4.移植开发MQTT服务与MQTT通讯测试

一、MQTT简介

二、MQTT典型架构
三、MQTT的几个开源工程
    MQTT的软件开源资料比较多，有各种各样的实现。本次以在龙芯2K500开发板上实现MQTT服务为目标，主要研究c/c++的MQTT消息服务器即broker和其它相关消息收发工具的实现。这有一个MQTT服务Broker技术选型的资料可参考。
    https://www.jianshu.com/p/3e33adcb0ed5


   通过调查，找到了几个常用的c/c++的MQTT开源工程：
四、移植编译mosquitto工程
    看mosquitto的readme介绍，可见支持协议比较全，还包含了库和客户端工具和示例应用。
Mosquitto is an open sourceimplementation of a server for version 5.0, 3.1.1, and 3.1 of the MQTTprotocol. It also includes a C and C++ client library, and the `mosquitto_pub`and `mosquitto_sub` utilities for publishing and subscribing.
    经过探索和研究编译后，这里回头总结了记录在LS_2K500上编译mosquitto工程步骤和方法。为了更好的进行交叉测试MQTT，分别在目标板上和Ubuntu主机上两个平台上分别进行编译该工程以及所有的工具，方便交叉测试与验证。
    编译mosquitto中发现，该工程依赖这几个工程zlib, cJson 和openssl，而ubuntu和2K500的交叉编译SDK中都没有这几个库，因此需要分别从源码编译它们了。

1.编译2K500下的cJSON
1.1从github上拉取cJSON稳定板的源码
sudo git clone https://github.com/DaveGamble/cJSON.git
1.2修改makefile
1.3编译cJSON
切换交叉编译环境后，直接make进行编译即可。
1.4修改工程目录
因为mosquitto工程中引用cJSON的头文件的路径问题，经过研究发现需要移动一下cJSON的目录。
在当前工程下建立 cjson (注意大小写)，然后把工程所有资料移入该目录下，即深入一级，这样后面才不用改代码而直接编译。
2.编译Ubuntu下的cJSON
重新进入shell后，不切换交叉编译环境，直接编译即可。

这样就编译成功得到了2K500和Ubuntu Linux两个版本的cJSON库，可以在根目录下建 bin目录，目录下建立 x86，loongson目录，分别存放编译出的不同平台的libcjson.so 库文件。
3.编译2K500下的openssl  
3.1拉取openssl最近的稳定版本代码
https://github.com/openssl/openssl.git

3.2编译配置脚本
在工程目录下编写一个执行开发板下的配置的命令行脚本，内容如下：

3.3执行编译配置命令
执行上面编写的编译配置命令：

3.4修改make脚本文件
执行配置编译后，生成了makefile等文件，因为工程是放在虚机的共享目录中，无法适用ln –s创建链接， 因此需要修改makefile.in 文件1862行，修改为以下内容：

3.5执行make编译
修改完后，再执行切换交叉环境命令
source~/cross_LA64.txt   
然后再执行
Make –j4

大约5~6分钟后，编译完成。把编译出的lib下的lib库文件和client,samples ,test下的可执行文件放到 bin/loognarch64目录下。
4 编译x86-linux 版本的openssl
4.1清空上次编译结果
重新进入shell 后，首先执行清空工程编译。
makedistclean
4.2 配置x86-linux编译脚本

4.3执行编译配置脚本

4.3修改makefile相关文件
修改 Makefile.in:1862 行为以下内容
cp -R$full $simple
4.4 执行编译

五、测试mosquitto 客户端发布与订阅功能
    因为mosquitto有服务端也有客户端，为了便于测试验证MQTT协议的通讯，首先测试客户端。使用mosquitto客户端连接其它平台的服务端来验证客户端的功能。
    选择第三方的MQTT平台作为服务端，这里选用emqx 平台，它有开源版本，可以自己部署也可以使用云服务，可以申请免费测试试用，不用自己部署了。
首先申请成功 EMQX云服务：
进入云平台，创建一个免费的MQTT服务项目：
进入项目，创建该项目的用户访问认证和权限即可。
记下服务对外服务的IP地址和端口，图中信息：
    再进入 LS-2K500开发板，把编译好的mosquitto可执行文件复制到root/mosquitto目录下。把依赖的zlib,cJson,openssl库复制到开发板/lib目录下.
    在开发板环境下，运行mosquitto客户端来连接EMQX云服务，客户端分为消息发布端盒消息订阅端：
首先在2K500一个终端启动一个订阅客户端：
./mosquitto_sub-h 112.124.68.65 -t "test" -u user1 -P 123 -i "client001"
然后再2k500另一个终端窗口启动消息发布端：
./mosquitto_pub-h 112.124.68.65 -t "test" -u user1 -P 123 -i"client1"  -m "Are youOK?"
测试结果：订阅端成功收到了发布端发布的相同topic的消息。
    在测试中需要注意订阅和发布的主题，不同主题是不通的，订阅使用“#”支持通配的消息，这样就可以对不同终端类型的节点发布不同的消息，达到数据分类上报的功能。
六、测试mosquitto 消息转发服务(Broker)功能
     测试完mosquitto客户端的使用后，可以测试mosquitto作为服务端，作为broker进行消息转发服务的功能了。
Mosquitto服务端程序名就叫 mosquitto ，不过作为服务端运行需要一番设置和操作：
1.创建工作用户
    在2K500主板系统下添加新用户 mosquitto 和用户组mosquitto
adduser mosquitto
2.创建工作目录
    这里在/root/mosquitto分别创建了log,conf,lib,目录，
/root/mosquitto/conf存放服务配置文件
/root/mosquitto/conf/conf.d存放服务插件配置文件
/root/mosquitt/lib存放消息转存的数据
/root/mosquitto/log存在服务日志
3.创建用户账号文件 pwfile  
    使用编译的apps下的mosquitto_password工具即可创建用户访问账号文件
./mosquitto_passwdconf/pwfile  user1 添加用户，密码
4.编写服务配置文件 mosquitto.conf
5.编写消息服务权限文件 aclfile

6.修改文件所有者
    修改 /root/mosquitto 目录下所有子目录和文件的所有者为mosquitto: mosquitto所有，不然 mosquitto服务程序无法访问这些文件。
7.启动mosquitto服务
    启动mosquitto服务很简单，命令：
./mosquitto -c./mosquitto1.conf  #使用配置文件启动主服务


     此时，在另外两个2K500终端窗口，同样分别启动消息订阅端盒发布端，此时只需要把主机地址改为 127.0.0.1即连接本地这个mosquitto服务，即可进行测试mosquitto作为消息服务器的转发等功能了。
    在对mosquitto发布消息与订阅消息，服务端会记录所有连接和访问过程，通过查看日志可见服务工作：
    消息收发也可以通过上面编译的主机版本客户端来进行，只需要把连接MQTT主机地址改为开发板的地址 192.168.50.210即可。
    需要注意的是，默认mosquitto服务的TCP监听地址是绑定在127.0.0.1地址，监听端口为1883,因为外部客户端是无法访问通，修改的方式，一种方法是，修改源码，把默认监听绑定地址从127.0.0.1修改为0.0.0.0 ,修改代码内容如下：
    另一种方式是，在配置文件mosquitto.conf 中加入一行指定监听端口和绑定地址，如下：
listener1883 0.0.0.0


七、测试W801通过MQTT向LS-2K500 服务器发布消息功能
    通过上面两个测试试验，测试验证了mosquitto客户端的发布和订阅功能，以及作为服务端Broker的功能。这里更近一步，模拟使用应用环境，使用一个单片机作为下位机，将采集到的数据通过MQTT发布到2K500打开板上来。
这里使用联盛德威的W801的单片机开发板，它是一个基于平头哥的一款低功耗的32位，功能强大的单片机，具有ADC转换，WIFI，蓝牙的单芯片的一款可运行rtos系统的单片机。
   该单片机测评介绍见下面一文;
      https://bbs.elecfans.com/jishu_2201066_1_1.html
    该单片机的开发商发布了多种物联网络协议的源码，其中就有MQTT的代码与例程，该例程已经能够成功的对接阿里物联网平台，这里就在该例程的基础上进行修改，使它能够连上这块龙芯2K500的MQTT消息服务端，并进行消息的发布与订阅。
     在W801上主要修改代码如下部分：
1.修改服务接入地址，端口，发布订阅主题，用户名和密码
2.修改网w801工程里mqtt库的连接协议
    W801中MQTT例程协议使用的是MQTT V3版本，其中头部标识是 MQIsp,头部是12字节，而mosquitto连接的头部标识为MQTT,头部长度是10字节，因此做如下修改（注释掉原来的连接头部协议，增加修改后的头部）
     然后编译，烧录到W801板子上，再进行对W801配网，使w801连接到和2K500所在同一路由器网络下，开始发布消息。
     W801这里测试的是，采集板上wifi连接ap的信号强度，每隔10秒使用MQTT协议发布到服务端去。
同时在ubuntu主机环境下，使用mosquitto订阅W801单片机发布的相同的订阅主题，即可收到单片机的wifi信号强度信息了。
    下图是W801单片机运行时，串口输出的信息，分别显示了，连接wifi成功，连接LS-2K500的MQTT 服务成功，启动了wifi信号强度采集和发布任务。
    下图为2k500开发板上mosquitto的日志内容;
   下图为Ubuntu主机上，启动mosquitto的x86订阅客户端收到LS-2K500板上转发过来的消息：
    在测试中需要注意，订阅端和发布端的client ID 不能相同，即在MQTT中每个终端在服务端必须有唯一的标识，而用户名密码验证身份可以使用相同的。
   测试现场如图（W801运行发布数据，Ubuntu客户端订阅到数据）：
八、MQTT开发测试总结
     通过在龙芯2K500开发板上开发测试MQTT协议的mosquitto工程，测试通了使用2K500作为客户端场景时，实现了向EMQX公有MQTT云服务发布消息和订阅接收消息的功能。 测试了在2K500板上运行mosquitto 服务，使之成为broker服务，在测试本机连接，Ubuntu主机连接和下位机单片机连接方式，进行发布数据和订阅数据的功能。这些测试验证均成功完成。
     LS-2K500 龙芯开发板在开发MQTT以上连通测试时，均使用开源开放的软件通过龙芯开班的SDK经过简单的移植和修改即可完成。总体移植难度较低，在移植过程中也发先，SDK里一些基础的组件库确实，如zip库，ssl库等。需要应用开饭者自行去实现，不过好在经过开发测试，龙芯2K500编译器兼容性较好，对测试中所有的开源工具编译均顺利通过，并且开发移植还是比较容易。
     在经W801 MCU向2K500长时间(>24小时)发送MQTT数据测试时，整体系统运行稳定，没有出现死机或者中断的状况，可见该方案稳定性较高。
    在经过模拟MQTT压力测试后，2K500运行mosquitto服务也能达到较好的性能指标，作为前端数据转发和预处理嵌入式处理服务已能够完全可以达到行业应用需求。