转自IOT物联网技术

在物联网场景中，由于网络不稳定，导致设备间歇性离线状态；电池容量限制，很多 IoT 设备无法做到24小时在线，设备沉睡处于离线状态；这些现状带来一个新的挑战：在设备离线时，云端如何发送控制指令给设备？才能保证设备上线后，按照新的指令执行业务逻辑？
技 术 解 决 方 案

面对设备离线场景消息触达诉求，我们有两种通用解决方案：

  • 基于 MQTT 协议 QoS=1 消息
  • 基于 IoT 物联网平台的设备影子功能

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方案一、发送QoS=1离线消息

MQTT 协议设计了一套保证消息稳定传输的机制，包括消息应答、存储和重传。在这套机制下，提供了三种不同层次服务质量QoS（Quality of Service）：

  • QoS=0，至多一次；
  • QoS=1，至少一次；
  • QoS=2，只有一次。

    QoS=1 代表，Sender 发送的一条消息，Receiver 至少能收到一次，也就是说 Sender 向 Receiver 发送消息，如果发送失败，会继续重试，直到 Receiver 收到消息为止，但是因为重传的原因，Receiver 有可能会收到重复的消息；

IoT 设备离线时，云端下行消息触达方案 - 图2
当我们采用QoS=1方式发布消息到 IoT 物联网平台，即可保证消息至少到达设备端一次，再结合去重逻辑，重连时保留Session信息来实现离线消息触达。

1.1 设备端配置

设备建立 MQTT 连接时需要配置 CONNECT 参数 CleanSession=0，即保留之前建立的 session 状态，这包括：

  • 客户端的订阅信息；
  • 未完成确认的QoS=1的消息；
  • 未发送给客户端的QoS=1的消息。

Node.js实现CONNECT参数示例:

  1. const options = {
  2.     clientId: `$ {
  3.         id
  4.     } | securemode = 3,
  5.     signmethod = hmacsha1,
  6.     timestamp = $ {
  7.         timestamp
  8.     } | `,
  9.     username: `$ {
  10.         deviceName
  11.     } & $ {
  12.         productKey
  13.     }`,
  14.     password: "根据文档规则进行 hmacsha1 加密",
  15.     host: `$ {
  16.         productKey
  17.     }.iot - as - mqtt.cn - shanghai.aliyuncs.com`,
  18.     protocol: "mqtt",
  19.     clean: false,
  20.     //重连后保持Session
  21.     keepalive: 300
  22. }

1.2 服务端调用

服务端调用 IoT 物联网平台的Pub API ，并指定Qos =1 。完整API 文档参考
https://help.aliyun.com/document_detail/69793.html
IoT 设备离线时，云端下行消息触达方案 - 图3
Node.js调用Pub API示例:

  1. //1.构建 Pub API 请求报文
  2. const params = {
  3.     TopicFullName: "下行指令的完整 Topic",
  4.     MessageContent: "消息体的 base64 编码",
  5.     ProductKey: "产品 ProductKey",
  6.     IotInstanceId: "实例化 Id",
  7.     Qos: 1 // 设备离线时，IoT平台缓存 7 天
  8. };
  9. //2.发起 Pub API 调用
  10. const response = yield client.request('Pub', params);

方案二、设备影子实现离线控制

IoT 物联网平台提供设备影子功能，可以实现离线设备的消息触达，完整消息链路如下如:
IoT 设备离线时，云端下行消息触达方案 - 图4

2.1 设备端开发

为了实现设备影子功能，IoT 设备端需要做两件事情：

  • 订阅设备影子更新的Topic：/shadow/get/${productKey}/${deviceName} 以便实时获取云端控制指令消息；
  • 设备CONNECT成功后，主动发布Topic和Payload 查询设备影子，用于获取云端最新影子数据。

IoT 设备离线时，云端下行消息触达方案 - 图5

Node.js 示例代码如下:

  1. const mqtt = require('aliyun-iot-mqtt');
  3. //设备身份三元组+区域
  4. const deviceConfig = {
  5.     "productKey": "产品",
  6.     "deviceName": "设备",
  7.     "deviceSecret": "设备deviceSecret",
  8.     "regionId": "cn-shanghai"
  9. };
  11. //1.建立连接
  12. const client = mqtt.getAliyunIotMqttClient(deviceConfig);
  13. //2.订阅设备影子topic
  14. const getShadow = ` / shadow / get / $ {
  15.     deviceConfig.productKey
  16. }
  17. /${deviceConfig.deviceName}`;
  18. client.subscribe(getShadow)
  20. client.on('message', function(topic, message) {
  21.     / / 收到消息后，显示设备影子中的远程配置参数
  22. if (topic == getShadow) {
  23.     message = JSON.parse(message);
  24.     console.log(new Date().Format("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.S")) console.log("\tappConfig.content :", JSON.stringify(message.payload.state.desired.appConfig)) console.log("\tappConfig.timestamp :", JSON.stringify(message.payload.metadata.desired.appConfig.timestamp))
  25. }
  27. })
  28. //3.主动获取设备影子中的远程配置参数
  29. const updateShadow = ` / shadow / update / $ {
  30.     deviceConfig.productKey
  31. }
  32. /${deviceConfig.deviceName}`;
  33. client.publish(updateShadow, JSON.stringify({method: "get"}), { qos: 1 })/

2.2 服务端调用

服务端调用设备影子接口 UpdateDeviceShadow 把新的配置参数保存到设备影子的desired中，接口文档:
https://help.aliyun.com/document_detail/69954.html
IoT 设备离线时，云端下行消息触达方案 - 图6

Node.js 示例代码如下:

  1. const co = require('co');
  2. const RPCClient = require('@alicloud/pop-core').RPCClient;
  4. const options = {
  5.     accessKey: "你的accessKey",
  6.     accessKeySecret: "你的accessKeySecret",
  7. };
  9. //1.初始化client
  10. const client = new RPCClient({
  11.     accessKeyId: options.accessKey,
  12.     secretAccessKey: options.accessKeySecret,
  13.     endpoint: 'https://iot.cn-shanghai.aliyuncs.com',
  14.     apiVersion: '2018-01-20'
  15. });
  16. //2.desired中appConfig变更
  17. const shadowMessage = {
  18.     method: "update",
  19.     state: {
  20.         desired: {
  21.             appConfig: {
  22.                 maxTemperature: 39.5,
  23.             }
  24.         }
  25.     },
  26.     version: Date.now()
  27. }
  28. const params = {
  29.     ProductKey: "你的ProductKey",
  30.     DeviceName: "你的DeviceName",
  31.     ShadowMessage: JSON.stringify(shadowMessage)
  32. };
  34. co(function * () {
  35.     try {
  36.         //3.发起API调用，更新影子中配置参数
  37.         const response = yield client.request('UpdateDeviceShadow', params);
  38.         console.log(JSON.stringify(response));
  39.     } catch(err) {
  40.         console.log(err);
  41.     }
  42. });

**

2.3 设备影子运行

云端业务系统调用成功后，我们在 IoT 物联网平台的控制台，设备详情>设备影子，查看设备影子信息。具体如下：
IoT 设备离线时，云端下行消息触达方案 - 图7

在线设备，实时获取更新

设备在线时，设备通过订阅设备影子的Topic实时获得云端配置参数。
IoT 设备离线时，云端下行消息触达方案 - 图8

离线设备，上线后获取更新

设备离线时，设备影子缓存云端配置参数，设备上线后，主动从云端拉取最新的配置参数。这时配置参数更新的时间会比当前时间早，设备端可以根据这个时间来判断是否要使用新的配置参数。

IoT 设备离线时，云端下行消息触达方案 - 图9