Android MQTT：實現設備間快速消息傳遞

MQTT是一種基於發布/訂閱模型的網路協議，被廣泛使用於各種機器間通信領域，如物聯網（IoT）。MQTT在低帶寬、不穩定的網路環境中表現良好，已經成為了一種極為成熟的協議標準。在Android平台上，通過使用MQTT實現設備間的實時通信變得異常容易。

一、MQTT工作原理

MQTT採取發布/訂閱模型，由一個中央系統（MQTT伺服器，Broker）負責處理所有的客戶端連接和消息傳輸。MQTT伺服器將所有的連接維護在一個連接清單中，並按照每個客戶端所訂閱的主題（Topic）進行推送消息。消息通信時使用的主題不需要提前聲明，而是在使用時進行動態創建並按需訂閱。

每個訂閱者都要訂閱一個或多個主題，在發起訂閱請求之後，伺服器在一個發布/訂閱列表中匹配這個主題，一旦匹配到了，伺服器將在以後向這個客戶端推送這個主題所涉及的所有消息。

MQTT協議也支持原生的質量等級控制，可以通過確定每條消息所使用的QoS等級來確保主題消息的可靠性。在QoS控制下，一個訂閱者可以選擇一直等待直到伺服器成功將消息送達（QoS2），也可以在某個時間點確認消息已經到達（QoS1），或者不需要確認（QoS0）。

二、MQTT在Android中的實現

為了在Android平台上實現MQTT通信，我們可以使用Eclipse Paho庫。Paho庫是一個開源的MQTT客戶端庫，提供了Java、Python等多種版本實現。在Android中，我們可以通過Gradle將其引入到項目中：

dependencies {
    implementation "org.eclipse.paho:org.eclipse.paho.client.mqttv3:1.2.2"
}

在使用MQTT協議進行通信時，我們需要客戶端（Client）及其連接選項（Connection Options）和通信回調（Callback）三個元素。其中，客戶端可以是一個發布者或者一個訂閱者，連接選項包含連接伺服器、協議等參數，並且指定到何種程度需要保證QoS的可靠性；回調則包含了MQTT伺服器在通信過程中所產生的所有事件。

三、代碼示例

在下面的示例中，我們將實現一個簡單的Android MQTT客戶端應用，該應用包含一個MQTT客戶端，客戶端負責向伺服器訂閱和發布消息。用戶可以通過手動輸入需要訂閱或者需要發布的主題和消息內容，並點擊「訂閱」或「發布」按鈕完成操作。

在示例代碼中，我們使用了Eclipse Paho提供的MQTTClient類封裝了所有與MQTT伺服器的交互細節。用戶在完成輸入後，客戶端向伺服器發起相應的請求。當客戶端接收到來自伺服器的消息後，它會調用相應的回調方法來處理。

public class MainActivity extends AppCompatActivity {

    private MqttClient mqttClient;

    private Button btnConnect;
    private Button btnSubscribe;
    private Button btnPublish;
    private EditText edtServerUri;
    private EditText edtClientName;
    private EditText edtUserName;
    private EditText edtPassword;
    private EditText edtTopic;
    private EditText edtMessage;
    private TextView txvResult;

    private boolean isConnected = false;

    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        super.onCreate(savedInstanceState);
        setContentView(R.layout.activity_main);

        btnConnect = findViewById(R.id.btn_connect);
        btnSubscribe = findViewById(R.id.btn_subscribe);
        btnPublish = findViewById(R.id.btn_publish);
        edtServerUri = findViewById(R.id.edt_server_uri);
        edtClientName = findViewById(R.id.edt_client_name);
        edtUserName = findViewById(R.id.edt_user_name);
        edtPassword = findViewById(R.id.edt_password);
        edtTopic = findViewById(R.id.edt_topic);
        edtMessage = findViewById(R.id.edt_message);
        txvResult = findViewById(R.id.txv_result);

        btnConnect.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
            @Override
            public void onClick(View view) {
                connectToServer();
            }
        });

        btnSubscribe.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
            @Override
            public void onClick(View view) {
                subscribeToTopic(edtTopic.getText().toString());
            }
        });

        btnPublish.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {
            @Override
            public void onClick(View view) {
                publishMessage(edtTopic.getText().toString(), edtMessage.getText().toString());
            }
        });
    }

    private void connectToServer() {
        String mqttServerUri = edtServerUri.getText().toString();
        String mqttClientName = edtClientName.getText().toString();
        String userName = edtUserName.getText().toString();
        String password = edtPassword.getText().toString();

        if (mqttServerUri.isEmpty() || mqttClientName.isEmpty()) {
            Toast.makeText(MainActivity.this, "Please input server uri and client name", Toast.LENGTH_SHORT).show();
            return;
        }

        MemoryPersistence persistence = new MemoryPersistence();

        try {
            mqttClient = new MqttClient(mqttServerUri, mqttClientName, persistence);
            mqttClient.connect(createConnectionOptions(userName, password));
            mqttClient.setCallback(new MqttCallback() {
                @Override
                public void connectionLost(Throwable throwable) {
                    txvResult.setText("Connection lost: " + throwable.getMessage());
                }

                @Override
                public void messageArrived(String topic, MqttMessage mqttMessage) throws Exception {
                    txvResult.setText("Message arrived: " + new String(mqttMessage.getPayload()));
                }

                @Override
                public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken iMqttDeliveryToken) {
                    txvResult.setText("Delivery complete!");
                }
            });
            isConnected = true;
            txvResult.setText("Connected to " + mqttServerUri);
        } catch (MqttException e) {
            txvResult.setText("Failed to connect to " + mqttServerUri + ": " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private void subscribeToTopic(String topic) {
        if (!isConnected) {
            Toast.makeText(MainActivity.this, "Please connect to server first", Toast.LENGTH_SHORT).show();
            return;
        }
        try {
            mqttClient.subscribe(topic);
        } catch (MqttException e) {
            txvResult.setText("Failed to subscribe to " + topic + ": " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private void publishMessage(String topic, String message) {
        if (!isConnected) {
            Toast.makeText(MainActivity.this, "Please connect to server first", Toast.LENGTH_SHORT).show();
            return;
        }
        MqttMessage mqttMessage = new MqttMessage();
        mqttMessage.setPayload(message.getBytes());
        try {
            mqttClient.publish(topic, mqttMessage);
        } catch (MqttException e) {
            txvResult.setText("Failed to publish message to " + topic + ": " + e.getMessage());
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private MqttConnectOptions createConnectionOptions(String userName, String password) {
        MqttConnectOptions options = new MqttConnectOptions();
        options.setCleanSession(true);
        if (!userName.isEmpty()) {
            options.setUserName(userName);
        }
        if (!password.isEmpty()) {
            options.setPassword(password.toCharArray());
        }
        return options;
    }
}

在上面的示例代碼中，我們實現了connectToServer()、subscribeToTopic()和publishMessage()三個方法，用於實現與MQTT伺服器的交互。connectToServer()方法用於創建MqttClient實例並連接到伺服器，subscribeToTopic()和publishMessage()方法分別用於向伺服器訂閱主題和發布消息。

此外，我們還定義了一個MqttCallback回調類，並重載了其中的三個方法，分別處理伺服器的連接斷開、消息到達和發布確認三個事件。在創建MqttClient實例時，我們通過setCallback()方法將回調類與MQTT客戶端關聯起來。

總結

如此快速實現設備間消息傳遞，MQTT在Android平台上幾乎是一個理想的選擇，Eclipse Paho庫給了我們很多的幫助。通過上述代碼示例，我們可以輕鬆實現Android端與MQTT伺服器交互，使設備間通信變得異常便捷。