MQTT 是一種輕量級且簡單有效的通訊協定，可以在物聯網（ IoT ）設備之間進行通訊，目前已被廣泛使用在各種物聯網應用中。本文將介紹 MQTT 的概念搭配 Webduino 萬用遙控器體驗，幫助讀者更好地理解和應用 MQTT！
MQTT 是什麼？
歷史沿革
起初 IBM 公司正在開發一個物聯網項目，需要一種輕量的二進制通訊協定，以實現設備之間的通訊。因此，由 IBM 的 Andy Stanford-Clark 及 Arcom 公司的 Arlen Nipper 於 1999 年開發了此協定的第一個版本，並在 2001 年開源，隨後在 2014 年被 OASIS 標準化。
OASIS（ 結構化資訊標準促進組織 ）：全球的非營利組織，主要在發展及整合物聯網、網路服務等領域的相關標準。
基本原理
MQTT ( Message Queuing Telemetry Transport ) 的設計目的，是讓設備能夠透過網路傳送小型數據包，控制訊息最小只有 2 位元組的資料，將訊息用最精簡的方式傳送出去，並且使用較少的網路頻寬和電力。由於 MQTT 具備可靠性高、可擴展性強、網路傳輸效率高⋯⋯等特點，故廣泛應用於各種場景中，例如物聯網、Facebook Messenger 即時通訊、遠程控制等。
MQTT 及 HTTP 的比較
HTTP ( 超文本傳輸協定 ) 是一種客戶端 / 伺服器端的通訊協定，使用請求 / 回應模式進行通訊。當用戶端發送請求給伺服器時，伺服器會回應一個包含狀態碼和資料的回應。HTTP 通常用於網頁和 API 傳輸，並且設計為一種無狀態協定，每次請求都是獨立的，不會保留任何狀態資訊。
MQTT 及 HTTP 的共通點
- 使用 TCP / IP 協定來傳輸資料
- 用於實現客戶端和伺服器之間的通訊
- 傳輸二進制或文本數據，支援不同的傳輸格式
MQTT 及 HTTP 的相異點
| HTTP | MQTT | |
| 用途 | Web 服務器之間的通訊 | IoT 設備之間的通訊 |
| 傳輸方式 | 請求 / 回應模式 | 發布 / 訂閱模式 |
| 安全性 | HTTPS（ 超文本傳輸安全協議 ） | SSL / TLS 和其他安全機制 |
| 可靠性 | 需實施附加組件 ( TCP ) | 基於 QoS，完全可靠 |
| 可傳輸資料量 | 較小 | 較大 |
| 佔用頻寬 | 較大 | 較小 |
MQTT 的訊息規範
1999 年 IBM 提出第一版本的 MQTT 協定時，他們設計了一個基於「 發布 / 訂閱 」模式的訊息規範，來滿足簡單、網路不穩定、輕量級的需求。接下來將說明 MQTT 的「 發布 / 訂閱 」模式、主題（ Topic ）名稱以及服務品質 ( QoS ) 設定。
發布 / 訂閱（ Publish / Subscribe ）模式
MQTT 是採用 Publish / Subscribe 模式，Publisher （ 發佈者 ）發佈一個 Topic（ 主題 ）的訊息，Subscriber（ 訂閱者 ）可以透過 Subscribe（ 訂閱 ）該主題來接收相關的訊息。當 Publisher 發佈一個新的訊息時，Broker ( 中間人 ) 會將該訊息轉發給所有訂閱了該主題的 Subscriber。而 Subscriber 則可以通過訂閱不同的主題來接收不同的訊息，也可以透過Unsubscribe（ 取消訂閱 ）某個主題來停止接收相關的訊息。
MQTT 的主題（ Topic ）名稱
MQTT 的 Topic 是萬國碼 UTF – 8 編碼的字串，階層 ( level ) 數量沒有限制，但不能超過 65,535 個位元，主題階層之間需使用斜線 “/ ” 分隔。可以參考下列範例：
- home/bedroom/temperature：表示家裡臥室的溫度，可以用來監控空調或暖氣的效能。
- devices/lighting/office/bulb1：表示辦公室的第一盞燈，可以用來遠端控制燈光開關或調整亮度。
- weather/forecast/week1/temperature：表示未來一周的氣溫預報，可以用來提醒人們注意氣溫變化。
MQTT 的服務品質 ( QoS ) 設定
QoS 是 MQTT 中用於控制訊息傳輸質量的機制，MQTT 定義了三種不同的 QoS 等級：QoS 0、QoS 1 和 QoS 2。
QoS 0 為最多傳輸一次，且不保證訊息能夠成功傳出；QoS 1 為至少傳輸一次，可以確保消息能夠到達接收端，但可能會重複傳輸；QoS 2 為確實傳輸一次，傳送訊息時會分成兩段式，並保證消息能夠到達接收端，但也可能導致較高的延遲。
總體而言，MQTT 的訊息規範非常靈活和容易擴展，可以應用於各種不同的場景。MQTT 的主題（ TOPIC ）和品質 ( QoS ) 設定使得訊息傳輸非常高效，同時也讓 MQTT 易於實現和部署。
體驗 MQTT 在物聯網的實際應用
上述提及 MQTT 是物聯網中重要的通訊協定之一，利用簡單而有效的方法來即時傳輸物聯網設備之間的數據，加速系統進行處理和分析。接下來將分享 MQTT 實際應用在物聯網的案例「 萬用遙控器 」提供讀者參考。
Webduino 萬用遙控器
為方便教學現場使用，Webduino 在 MQTT 上疊加了視覺化操作介面，不需要額外設定主機、帳號跟密碼。以 Webduino 萬用遙控器 為例，我們可以直接透過網頁設置「 發佈 」跟「 接收 」的頻道，並且串接 Webduino 的服務，不需要另外註冊該平台的帳號也能互相傳送訊息。
接下來我們可以模擬教室教學現場扮演老師和學生，拿出手邊的手機或電腦開啟 Webduino 萬用遙控器體驗，藉由淺顯易懂的方式讓學生們快速了解 MQTT 。
實際體驗範例
˙ 步驟一
老師及學生打開網路並開啟 Webduino 萬用遙控器，開啟後點選右上角設定 ≡ 輸入相同的頻道名稱 ( 可以自行更改頻道名稱 )，設定後即可互相發送、接收訊息。
以下圖為例，根據上述提及 MQTT 的訊息規範（ Publish / Subscribe 模式 ），使用者必須訂閱「 webduino 」這個頻道才能接收到訊息。假設有學生沒有訂閱此頻道，也就是接收頻道不是「 webduino 」，則該學生不會接收到老師或同學在 「 webduino 」頻道中發送的訊息。
˙ 步驟二
自行設定每個按鈕想要發送的訊息，例如：老師可以設定按鈕 1 對應的是座號尾數 1 的同學，當老師在萬用遙控器上點擊按鈕 1 時，廣播訊息會發送到該頻道，則座號尾數對應到的同學們要回答問題。
設定好頻道及按鈕廣播訊息後，該頻道會自動更新及儲存設定好的訊息。若想要將連結分享給其他人則要拉至最底下「 儲存分享連結 」，待產生特定連結後就可以將連結傳送給其他人。
˙ 步驟三
設定好廣播頻道及訊息後，老師可以點選左上角的九宮格，開始發送訊息，也可以直接手動輸入要傳送的訊息在對話框中，點擊「 傳送 」訊息後，則會顯示在最上方給有訂閱頻道的學生。
MQTT 的特點
體驗完 Webduino 萬用遙控器後，會發現只要訂閱相同的頻道，便可輕鬆地在各種裝置上互相傳送訊息，無論是電腦或手機都可以輕鬆操作。如果在教學現場，老師可以在學生體驗完萬用遙控器後，引導學生一同探討 MQTT，並觀察學生們是否有發現特別之處。此外，小編也提供幾個 MQTT 的特點，供老師們在課堂中分享：
- 相同頻道一次只能接收一個訊息。
- 新的訊息會覆蓋舊的訊息，且傳送過的訊息不會被記錄下來。
- 除非經過設計，否則訊息是採匿名，無法得知是哪部裝置傳送。
- 裝置必須有網路才能傳送訊息，但訊息不受裝置間的距離限制，不管距離多遠都可以傳送。
結語
MQTT 作為一個輕量級且高效的通訊協定，在物聯網領域已經得到了廣泛的應用和認可。透過本文的介紹，讀者一定深入了解 MQTT 的基本概念、原理以及應用情境等方面的知識，對於如何在物聯網設備之間進行高效通訊有更清晰的認識和理解。如果需要在許多設備之間進行即時、可靠的數據傳輸，那麼 MQTT 一定是個不錯的選擇！
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