使用 Node-RED 处理 MQTT 数据

本文将介绍使用 Node-RED 连接到 MQTT 服务器，并对 MQTT 数据进行过滤和处理后再将其发送至 MQTT 服务器的完整操作流程。读者可以快速了解如何使用 Node-RED 对 MQTT 数据进行简单的流处理。

Node-RED 无论是在你本地的电脑上，还是树莓派等设备，亦或是云端服务器，都可以快速安装和使用，下面将使用两种比较常见的安装方式：

使用 npm 进行全局安装：

使用 Docker 进行安装：

如果使用的是 npm 进行的全局安装，那么在提示安装成功后，只需要在全局运行 node-red 命令就可以立即启动 Node-RED。

无论是使用 Docker 还是 npm 在启动成功后，我们只需要打开浏览器，输入当前地址加 1880 端口号，即可打开 Node-RED 的浏览器编辑器页面，例如在本地运行的话，打开浏览器，输入 http://127.0.0.1:1880，当看到如下图所示页面后，说明 Node-RED 已经成功启动：

本文将使用 EMQ 提供的 免费公共 MQTT 服务器，该服务基于 MQTT 物联网云平台 - EMQX Cloud 创建，服务器接入信息如下：

在下面的功能演示中，我们将提供一个使用 Node-RED 来处理接收到的包含温湿度信息的 JSON 数据，然后对温度值进行规则判断，当温度发生改变的时候，就将当前发生改变的温度值通过 MQTT 再次发送出去的简单使用案例。

我们首先在左侧菜单栏中，拖拽一个 MQTT in 的节点到页面中，双击节点后，右侧出现一个编辑 MQTT 节点的配置页面，我们根据内容提示，新建一个连接信息后，再填入 MQTT 的其它连接信息后，点击 Done 按钮后，即可保存该节点信息。

接入数据：我们拖拽一个 JSON 节点到页面中，可以在 JSON 节点的配置页面中，配置一个 Action，我们设置为 Always convert to JavasScript Object ，因为我们无法确定发送过来的数据是一个 JSON 格式的数据还是一个 JSON 字符串，因此第一步都将接收到的消息进行一个 JSON 转换。配置完成后，我们将该节点与 MQTT in 节点进行连接。

过滤数据

我们配置完成格式化发送过来的消息数据后，我们就可以拖拽一个 filter 节点到页面中，同样双击节点后，在配置页面中配置规则，我们先选择一个 Mode，我们设置为 blcok unless value changes ，过滤规则为需要当前接收到数据的值发生改变，因为目前数据为 JSON 格式，我们判断的是 JSON 数据内的某一个值，因此我们需要在 Property 这里设置值为 msg.payload.temperature 配置完成后我们点击 Done 按钮来保存数据过滤节点的配置，最后将该节点连接到上一步配置完成后的 JSON 节点。

使用模版

当过滤完数据后，同样拖拽一个 template 节点到页面中，双击节点后来配置模版内容，使过滤完成后的数据，能通过模版将数据进行输出。当然也可以不需要这个步骤，直接将过滤后的数据进行输出。

完成以上对数据的处理和过滤后，最后我们再来将处理完成后的数据使用 MQTT 将其发送出去，拖拽一个 MQTT out 的节点到页面中，填入和 MQTT in 节点相同的连接信息，配置一个用户接收数据的 Topic，最后保存完成后，再将其和 template 节点进行连接，点击右上角的 Deploy 按钮，即可对当前规则应用进行在线部署。

在完成整个流数据处理的功能编排以后，我们使用 MQTT 5.0 客户端工具 - MQTT X 来测试和验证该功能的可用性。我们新建一个连接，连接到刚才在 Node-RED 中配置的 MQTT 云服务地址，然后输入 MQTT in 节点内的 Topic 来发送一条消息，使 Node-RED 能够接收到我们发送的 MQTT 数据。

然后我们再在 MQTT X 中订阅一个在 MQTT out 节点内配置的 Topic，用于接收处理过的消息数据。当发送一条包含了温湿度的消息数据后，我们可以接收到一条根据我们设定的消息模版发送过来的消息，再次发送就无法接收到。

因为此时温度值没有发生变化，当我们再次修改温度值后，就会发现我们又接收到了一条包含提醒温度值发生变化的消息。

至此，我们完成了安装并使用 Node-RED 连接到 MQTT 云服务，以及对 MQTT 消息数据进行过滤和处理，最后再将处理完成后的数据消息发送至 MQTT 服务器的全部流程。

Node-RED 的交互和使用方式，即用 UI 方式描述通用业务逻辑，可以降低非专业开发人员的上手门槛，使用一个可视化工具快速地创建需要的复杂执行任务，可以通过简单 Node 即节点连接构建出复杂的任务，特别是针对一些物联网的应用场景，都很有帮助。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议），是一种基于发布/订阅模式的"轻量级"通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上。好比你给好友发送一封电子邮件，发送完成后你可以去做别的事情，收件人也不必立刻响应，可以在自己有空的时候查看邮件，是一个典型的异步发布/订阅场景。而另一种典型的同步请求/回答场景，可以用接打电话的场景来类比。

MQTT的设计遵循以下的原则：

为了满足不同的场景，MQTT支持三种不同级别的服务质量（Quality of Service，QoS）为不同场景提供消息可靠性：

MQTT拥有14种不同的消息类型：

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：

MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。

当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量（QoS）和主题名（Topic）相关连。

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：

MQTT服务器以称为"消息代理"（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

订阅包含主题筛选器（Topic Filter）和最大服务质量（QoS）。订阅会与一个会话（Session）关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。

每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。

连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。

一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。

消息订阅者所具体接收的内容。

MQTT协议中定义了一些方法（也被称为动作），来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：

MQTT ( 消息队列遥测传输 )是ISO 标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议。它工作在 TCP/IP协议族 上，是为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的发布/订阅型消息协议，为此，它需要一个 消息中间件 。

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如：机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，它具有以下主要的几项特性：

实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份： 发布者（Publish） 、 代理（Broker） （服务器） 、订阅者（Subscribe） 。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

MQTT传输的消息分为： 主题（Topic）和负载（payload） 两部分：

MQTT服务器以称为"消息代理"（Broker），可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：

在MQTT协议中，一个MQTT数据包由： 固定头（Fixed header）、可变头（Variable header）、消息体（payload） 三部分构成。MQTT数据包结构如下：

（1） 固定头（Fixed header） 。存在于所有MQTT数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识。

（2） 可变头（Variable header） 。存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。

（3） 消息体（Payload） 。存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的具体内容。

固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：

相于一个4位的无符号值，类型、取值及描述如下

在不使用标识位的消息类型中，标识位被作为保留位。如果收到无效的标志时，接收端必须关闭网络连接：

Payload消息体位MQTT数据包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息：

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