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物联网系统三层架构解析

news 2025/10/15 9:10:24

主要就是3层架构

1，设备层
配置mqtt链接
使用MQTT Broker服务器

2，中间层，用一般服务器（中间协调）
（负责协议转换与接口封装）

3，前端层（面向用户）
采用webSocket与中间层保持长链接

你可以把这个架构想象成一个新闻系统：

设备层：是各地的记者。他们用特定的方式（MQTT）将写好的新闻稿（传感器数据）发送到新闻总社（MQTT Broker）。
MQTT Broker：是新闻总社。它接收所有记者的稿件，并按照版面（主题）分类存放。
中间层：是你的新闻App的后台。它派人长期驻守在新闻总社，订阅你感兴趣的版面（比如“科技版”）。一旦有新的科技新闻，它就立刻抓取过来，然后通过App的推送系统（WebSocket）发到你的手机上。
前端层：就是你手机上的新闻App界面。它和后台保持着推送连接，所以新闻一来，你的App界面就会立刻弹出通知，内容实时更新。

其实这里面比较难理解的就是，设备层（MQTT Broker服务器）和中间层的一般服务器的作用，

以下是2者的区别,

其实感觉最大的区别就是是否轻量，实时

1，一般服务器

角色：服务提供者和逻辑处理中心。
沟通是一对一的，并且通常是你主动发起的。
提供稳定、安全、复杂的业务服务
连接方式，短连接
典型协议。HTTP, HTTPS, TCP Socket

2，MQTT Broker：

角色：消息中转站或信息分发中心
沟通可以是一对多，对多个订阅者
像一个微信群群主或电台。它自己不产生消息，而是负责把某些人（发布者）发出的消息，转发给所有关心这个消息的人（订阅者）。沟通是一对多的，并且是基于兴趣的。
实现轻量级、低功耗、高实时性的机器与机器之间的通信
连接方式，长连接
典型协议 MQTT协议（基于TCP）

作用

1，消息路由与中转（核心功能）
因为板子或者传感器本身不适合处理太多逻辑，方便设备与设备之间通讯，设备与中间层通讯。

2，会话管理与离线消息
当订阅者设备网络不稳定或暂时离线时，Broker可以（根据设置的服务质量等级）为它保存消息。等设备重新上线后，Broker会将这些离线期间的消息重新发送给它。
这保证了重要数据在弱网络环境下的可靠传输。

二，其实不要，”一般服务器“也行，
只不过复杂的物联网系统，还是不可或缺
“一般服务器”在物联网系统中的作用

虽然消息传递不需要它，但一个完整的物联网系统仍然离不开一般服务器。它们各司其职，协同工作。
一般服务器在物联网系统中负责 “管理”和“智能” 部分：

设备管理：
* 一般服务器提供一个Web界面或API，让你注册新设备、管理设备密钥。
* 它可能负责向设备和手机APP下发MQTT Broker的连接地址。
数据持久化与智能分析：
* MQTT Broker的核心是传递消息，通常不长期保存数据。
* 这时，我们需要一个“订阅者”来将数据存入数据库。这个订阅者常常就是你的一般服务器！
* 新数据流：传感器 -> MQTT Broker -> 一般服务器（订阅者） -> 数据库
* 一般服务器存入数据后，可以进行复杂分析、生成报表、训练AI模型等。
提供业务接口：
* 你的手机APP可能需要查看历史温度曲线。这个请求不会通过MQTT，而是直接HTTP请求到一般服务器，服务器再从数据库查询后返回。
发送控制命令：
* 当你想通过手机远程打开空调时，手机APP可以通过HTTP请求告诉一般服务器。
* 一般服务器然后作为MQTT发布者，向主题 app/command 发布一条 “turn_on_ac” 的消息。
* 空调，作为 app/command 的订阅者，从Broker收到消息后执行开机。

三，前端层
职责：采用webSocket与中间层保持长链接
这是用户直接交互的界面，通常是一个运行在浏览器中的网页应用（Web App）。

采用WebSocket：WebSocket是一种在单个TCP连接上进行全双工通信的协议。它非常适合需要服务器主动向客户端推送数据的场景。
与中间层保持长链接：
前端通过JavaScript的 WebSocket API，与中间层建立一个持久的长连接。
一旦连接建立，中间层就可以在任何需要的时候，立即将收到的设备数据通过这个连接推送给前端，前端页面无需刷新就能实时更新显示（比如图表跳动、数字变化）。

四，mqtt Broker开发语言

一般服务器开发：选择开发效率高的语言（Java/PHP/Node.js/Python等）
MQTT Broker开发：选择网络性能极致的语言（Erlang/C/Java/Go等）

五，进阶功能

进阶功能
1. OTA 远程更新
可以让 ESP32 通过 WiFi 接收代码更新，无需物理连接。
2. 低功耗模式
使用深度睡眠模式节省电量，适合电池供电场景。
3. 数据加密
使用 TLS/SSL 加密 MQTT 通信，提高安全性。
4. 断线重连机制
增强网络异常时的稳定性。

附，一个板子，接mqtt的源码

#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>// WiFi 配置
const char* ssid = "你的WiFi名称";
const char* password = "你的WiFi密码";// MQTT 配置
const char* mqtt_broker = "broker.emqx.io";  // 免费MQTT服务器
const int mqtt_port = 1883;
const char* topic = "esp32/sensor/data";     // 主题名称
const char* mqtt_username = "";              // 用户名（公共服务器通常为空）
const char* mqtt_password = "";              // 密码// 创建客户端对象
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);// 设备ID（用于区分多个设备）
String clientId = "ESP32Client-" + String(random(0xffff), HEX);void setup() {Serial.begin(115200);// 1. 连接 WiFisetup_wifi();// 2. 配置 MQTTclient.setServer(mqtt_broker, mqtt_port);client.setCallback(callback);  // 设置接收消息的回调函数// 3. 连接 MQTT Brokerconnect_mqtt();
}void loop() {// 保持 MQTT 连接if (!client.connected()) {connect_mqtt();}client.loop();  // 处理MQTT消息// 每5秒发布一次数据static unsigned long lastMsg = 0;if (millis() - lastMsg > 5000) {lastMsg = millis();publish_sensor_data();}
}// 连接 WiFi
void setup_wifi() {delay(10);Serial.println();Serial.print("连接WiFi: ");Serial.println(ssid);WiFi.begin(ssid, password);while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {delay(500);Serial.print(".");}Serial.println("");Serial.println("WiFi连接成功");Serial.println("IP地址: ");Serial.println(WiFi.localIP());
}// 连接 MQTT Broker
void connect_mqtt() {while (!client.connected()) {Serial.print("连接MQTT Broker...");if (client.connect(clientId.c_str(), mqtt_username, mqtt_password)) {Serial.println("连接成功!");// 订阅主题（如果需要接收指令）client.subscribe("esp32/control");} else {Serial.print("失败, rc=");Serial.print(client.state());Serial.println(" 5秒后重试...");delay(5000);}}
}// 接收消息的回调函数（当收到订阅的消息时调用）
void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {Serial.print("收到消息 [");Serial.print(topic);Serial.print("]: ");for (int i = 0; i < length; i++) {Serial.print((char)payload[i]);}Serial.println();// 这里可以处理接收到的控制指令// 例如：开关LED、重启设备等
}// 发布传感器数据
void publish_sensor_data() {// 模拟传感器数据（实际中从这里读取真实传感器）float temperature = random(200, 300) / 10.0;  // 20.0-30.0°Cfloat humidity = random(400, 800) / 10.0;     // 40.0-80.0%// 创建JSON格式数据String message = "{";message += "\"deviceId\":\"" + clientId + "\",";message += "\"temperature\":" + String(temperature) + ",";message += "\"humidity\":" + String(humidity) + ",";message += "\"timestamp\":" + String(millis());message += "}";// 发布消息if (client.publish(topic, message.c_str())) {Serial.println("数据发布成功: " + message);} else {Serial.println("数据发布失败");}
}

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