【物联网】MQTT / Broker / Topic 是什么？

1) MQTT / Broker / Topic 是什么？在你项目里怎么用

• MQTT 是轻量级发布/订阅消息协议：设备把消息“发布（publish）”到某个主题（topic）；任何“订阅（subscribe）”了该主题的客户端都会收到消息；中间的Broker（代理服务器）只负责接收并转发消息。课件明确了这是 IoT 中常用的架构，并给了 Publish/Subscribe 的示意。

• 本课使用 AWS EC2 自建 Mosquitto 作为 Broker：在 EC2 上安装 mosquitto/mosquitto-clients，启用并启动服务（systemctl enable/start mosquitto），就能作为 MQTT Broker 收发消息。

• 要让外网可以访问，需要两处设置：

  1. Security Group 放通 TCP 1883（明文 MQTT；若走 TLS 是 8883）到 0.0.0.0/0；课件截图特别强调 SG 里“Allows MQTT traffic from anywhere (1883; 8883)”。

  2. 在 /etc/mosquitto/mosquitto.conf 加：

     listener 1883 0.0.0.0
     allow_anonymous true
     

     然后 systemctl restart mosquitto；并可用 ss -ltnp | grep 1883 检查端口监听。

• 快速自测命令（课件也给了）：

  • 订阅：mosquitto_sub -h <EC2_public_IP> -t test
  • 发布：mosquitto_pub -h <EC2_public_IP> -t test -m "hello"

你的截图里 EC2 的 Public IPv4 是 1xxxx。把它放进 Python 里当 MQTT_HOST，外网（校园网、家庭网等）都能连到你的 Broker，只要 SG 和 mosquitto.conf 按上面配置好了。

2) 你的完整数据管道：如何映射到代码

课件在 Practical #5 里把 A1 的上下行两条链路讲得很清楚：

• 上行（Uplink）：Arduino（BLE Peripheral）→ BLE Notify → Raspberry Pi（Python/bleak）→ MQTT Publish → Broker（EC2）。
• 下行（Downlink）：云端或手机 → MQTT Publish 命令 → Pi 订阅到命令 → Pi 用 BLE Write 写回 Arduino → Arduino 控制执行器（LED）。

在你的两份代码里，正好是一一对应的：

Arduino（Nano 33 IoT，BLE 外设）

• GATT 设计

  • Service UUID：f75cfb20-...e2f5
  • Sensor Characteristic：f75cfb21-...e2f5（Read | Notify）——上行数据口
  • Command Characteristic：f75cfb22-...e2f5（Write）——下行命令口
    这就是课件建议的“多特征、分工明确”的做法，利于拿满分。

• 上行实现

  • 周期性（每 6s）读取 DHT11，用 ArduinoJson 组装 JSON：{temperature, humidity, timestamp, device_id}；
  • 把 JSON 写入 Notify 特征：sensorCharacteristic.writeValue(json)，Central 若订阅了就会收到通知。

• 下行实现

  • 只要 Central 对 Write 特征 写入（commandCharacteristic.written() 为真），就解析 JSON（{"led":"on/off/toggle"}）或纯文本（LED_ON/LED_OFF），并控制板载 LED。

这部分正是 A1「Send the data to RPi via BLE」「Receive commands from RPi」「Operate actuators (LED)」的评分点。

Raspberry Pi（Python，bleak + paho-mqtt）

• BLE（bleak）部分

  • 扫描并连接：BleakScanner.find_device_by_filter(lambda d: d.name and DEVICE_NAME in d.name)；
  • 订阅上行数据：client.start_notify(SENSOR_CHAR_UUID, on_ble_notify)；
  • 收到 Notify 后，回调 on_ble_notify 把 payload publish 到 MQTT。

• MQTT（paho-mqtt）部分

  • mqtt.Client(...).connect(MQTT_HOST, MQTT_PORT) 与 Broker 建连；
  • 订阅命令主题（iot/commands/arduino）：回调 on_mqtt_message 把命令 JSON 原样 BLE write 到 COMMAND_CHAR_UUID；

• 这正是课件“把 BLE 与 MQTT 拼到一起”的桥接方式（上行 bleread_mqttpub；下行 mqttsub_blewrite）。你已经把它们合成到一个脚本里了，结构更清晰。

3) 代码里“Broker/MQTT/Topic”的具体体现

以你的 Python 为例（省略无关行，只看 MQTT 相关）：

MQTT_HOST   = "13.236.187.137"   # 你的 EC2 公网 IP
MQTT_PORT   = 1883               # mosquitto 默认端口（明文）

TOPIC_SENSOR = "iot/sensors/data"     # 上行主题：Pi 发布
TOPIC_CMD    = "iot/commands/arduino" # 下行主题：Pi 订阅

mqtt_client = mqtt.Client(mqtt.CallbackAPIVersion.VERSION2)
mqtt_client.on_message = on_mqtt_message
mqtt_client.connect(MQTT_HOST, MQTT_PORT, 60)
mqtt_client.subscribe(TOPIC_CMD)      # 订阅命令
mqtt_client.loop_start()

# 上行发布：在 BLE 回调里
mqtt_client.publish(TOPIC_SENSOR, payload)

• MQTT_HOST/MQTT_PORT 指向Broker（EC2 上的 mosquitto）；课件中也使用相同端口并强调先放通安全组与 broker 配置。
• TOPIC_SENSOR / TOPIC_CMD 是你定义的主题（可以自取层级结构）；课件也建议用分层命名和通配符做调试，例如 ifn649/#。
• 你的 上行是“BLE Notify → 回调 → publish”；下行是“订阅 → 回调 → write_gatt_char”。这与课件的 E2E Pipeline 完全一致。

4) AWS EC2 端的最小可用配置（对照你的截图）

1. 创建/启动实例后，确认 Security Group 里：

   • Inbound 允许 TCP 22（SSH，校网段已预设）；
   • 允许 TCP 1883（0.0.0.0/0），若做 TLS 再开放 8883。

2. 首次 SSH（确保 .pem 权限是 400），连接到公网 IP（如 13.236.187.137），执行：

   sudo apt update && sudo apt upgrade -y
   sudo apt install -y mosquitto mosquitto-clients
   sudo systemctl enable mosquitto
   sudo systemctl start mosquitto
   

3. 打开外部监听与匿名访问（课堂环境）：

   sudo nano /etc/mosquitto/mosquitto.conf
   # 添加：
   listener 1883 0.0.0.0
   allow_anonymous true
   sudo systemctl restart mosquitto
   sudo ss -ltnp | grep 1883
   

4. 本地或手机自测：

   • mosquitto_sub -h 13.236.187.137 -t iot/sensors/data（先开订阅窗口）
   • 运行你的 Python，看到订阅窗口里出现 Arduino 上来的 JSON；
   • 用手机 MyMQTT 连接 13.236.187.137:1883，往 iot/commands/arduino 发 {"led":"on"}，观察板载 LED 亮起。

若你把 Python 里 MQTT_HOST 误写成 私网 IP（172.31.x.x），则校园网/家庭网无法直连（除非你的 Pi 也在同一 VPC），因此要用Public IPv4。这也是课件“外部访问需要开放 1883 并配置 broker 外部监听”的原因。

5) 与评分点的对齐（快速核对）

• Collect data from DHT-11：dht.readHumidity()/readTemperature()；失败打印“DHT sensor read failed!”。
• Send the data to RPi via BLE：sensorCharacteristic（Notify）+ 周期 6s 上报 JSON。
• Receive commands from RPi：commandCharacteristic.written() + JSON/文本命令解析。
• Operate actuators (LED)：digitalWrite(LED_PIN, HIGH/LOW) 对应 {"led":"on/off/toggle"}。
• RPi 端：bleak 读写 + paho-mqtt 发布/订阅，完成“Read data via BLE / Publish to MQTT / Receive subscribed topics / Send commands to Arduino”。这些正是 Practical #5 的 E2E 要求。

小结 / 你现在要做的事

1. 确保 EC2：Security Group 放通 1883；mosquitto 已安装并监听 0.0.0.0:1883。
2. 把 Python 的 MQTT_HOST 设为 1xxx.137（你的截图里公有 IP）。
3. 先开一个订阅窗口观察：mosquitto_sub -h 13.236.187.137 -t iot/sensors/data。
4. 烧录 Arduino（你贴的最新 ino 没问题）；再运行 Python 桥接脚本。
5. 手机/MyMQTT 或命令行向 iot/commands/arduino 发 {"led":"on"}/{"led":"off"}，观察板载 LED 响应。