使用MASA全家桶从零开始搭建IoT平台（三）管理设备的连接状态

前言

获取一个设备的在线和离线状态，是一个很关键的功能。我们对设备下发的控制指令，设备处于在线状态才能及时给我们反馈。这里的在线和离线，我们可以简单的理解为设备与MQTT的连接状态。

分析

我们打电话的时候经常能听到："您拨打的用户已关机“和”用户不在服务区或暂时无法接通“，这两种的区别是什么？

1、当用户开机时，会自动向最近的移动基站注册，基站标记该用户为"attach"(在线)状态。
2、当用户关机时，手机会发起datach流程，告知基站自己关机了，基站标记该用户为"detach"(离线)状态。这样再次拨打就可以节省寻呼资源，直接提示用户关机。
3、当用户忽然进入无网络的环境，或者手机故障，导致来不及发起datach流程，基站还认为用户"在线",当有人拨打用户号码时，基站测会对用户进行寻呼，但是超时得不到回应后，就会提示"不在服务区"或者"暂时无法接通" 的语音。

其实这个方案在IoT上也是可行的，我们可以让设备在线和离线的过程中向特定Topic发送状态消息，但是存在问题，我们需要一个单独的Broker去订阅这个Topic，但是这个单独的Broker很容易成为单点故障点。而且如果设备数量很大，这种意外离线的设备也很难及时发现，需要下发指令后等待设备响应超时才能发现。

方案1:遗嘱消息

MQTT 遗嘱消息可以在客户端意外断线时将“遗嘱”优雅地发送给第三方订阅者，以实现离线通知、设备状态更新等业务。其中意外断线指客户端断开前未向服务器发送 DISCONNECT 消息，比如：

因网络故障或网络波动，设备在保持连接周期内未能通讯，连接被服务端关闭
设备意外掉电
设备尝试进行不被允许的操作而被服务端关闭连接，例如订阅自身权限以外的主题等
遗嘱消息在 MQTT 客户端向服务器端 CONNECT 请求时设置，可选属性包括是否发送遗嘱消息 (Will Message)标志，和遗嘱消息主题 (Topic) 与内容(Payload) 以及 Properties。

值得一提的，遗嘱消息发布的时间可能会有延迟：通常意外断线时，服务器无法立即检测到断线行为，需要通过连接保活心跳机制并经过一定周期后才会触发；MQTT 5.0 提供的遗嘱延迟间隔（Will Delay Interval）属性也会影响发布时间。

演示遗嘱消息的使用

我们使用A、B两台电脑使用MQTT X来演示。
我们在A电脑的 MQTT X 中新建一个名为 Test 的连接，Host 修改为 修改为我们的MQTT地址（192.120.5.204），并输入账号密码，在 Advanced 部分选择 MQTT Version 为 5.0，并且将 Session Expiry Interval 设置为 10，确保会话不会在遗嘱消息发布前过期。

然后在 Lass Will and Testament 部分将 Last-Will Topic 设置为 offline，Last-Will Payload 设置为 I'm offline，Will Delay Interval (s) 设置为 5。

完成以上设置后，我们点击右上角的 Connect 按钮以建立连接。

我们在B电脑的MQTTX中新建一个连接Sub，mqtt地址同样指向我们的mqtt服务器（192.120.5.204）

并订阅offline主题

我们用任务管理器直接结束A电脑的MQTTX进程，这是连接会被直接断开，模拟了设备断电的场景，在5s之后，在B电脑的MQTTX订阅中收到了一条内容为 I‘m offline 的遗嘱消息。

实施流程

1、设备遗嘱消息内容设置为offline，该遗嘱主题与一个普通发送状态的主题设定成同一个 {设备名称}/status。例如 284202304230001/status
2、当设备连接时，向主题 {设备名称}/status 发送内容为 online 的Retained消息，其它客户端订阅主题 {设备名称}/status 的时候，将获取到 Retained 消息为 online。

保留消息(Retain )
MQTT 服务端收到 Retain 标志为 1 的 PUBLISH 报文时，会将该报文视为保留消息，除了被正常转发以外， 保留消息会被存储在服务端，每个主题下只能存在一份保留消息，因此如果已经存在相同主题的保留消息，则该保留消息被替换。
当客户端建立订阅时，如果服务端存在主题匹配的保留消息，则这些保留消息将被立即发送给该客户端。 借助保留消息，新的订阅者能够立即获取最近的状态，而不需要等待无法预期的时间，这在很多场景下是非常重要的。
EMQX 默认开启保留消息的能力和服务，可以在 etc/emqx.conf 中修改 mqtt.retain_available 为 false 来关闭保留消息的能力， 这样客户端将被禁止发送 Retain 标志为 1 的 PUBLISH 报文，否则，客户端将会收到原因码为 0x9A（不支持保留消息）的 DISCONNECT 报文。
保留消息的服务会存储和管理客户端发送的保留消息，并发送给相应的订阅者。

3、当客户端异常断开时，系统自动向主题 {设备名称}/status 发送内容为 offline 的消息，其它订阅了此主题的客户端会马上收到 offline 消息；如果遗嘱消息设置了 Will Retain，那么此时如果有新的订阅 A/status 主题的客户端上线，也将获取到内容为 offline 的遗嘱消息。

方案2:使用WebHook

方案1需要设备主动设置遗嘱消息才能实现，那么有没有更简单的方式，直接通过设备与Mqtt的连接事件来获取连接状态呢。
EMQX 设计了一套WebHook系统，可以通过这个自带的WebHook系统获取内部的事件并进行处理。WebHook的原理很简单，当设备与mqtt建立连接或者断开连接时，EMQX会把事件的信息通过我们的配置调用特定的URL上的接口，实现通知。
使用WebHook还可以有限避免单点故障。所以本项目会采用WebHook的方式来实现对设备在线和离线的管理。

开启WebHook

在数据集成 -> 数据桥接 中创建一个Webhook

名称设置为ConnectedEvent,URL 中填写我们的Webhook地址，也就是触发事件之后的调用接口地址，这里我们填：

http://192.120.5.204:5000/api/Device/ConnectedEvent

请求方式为Post，其他内容保持默认不变

这里注意URL可以通过${field}的方式拼接，请求体也可以自己指定，如果留空会原样转发消息，我们这里请求体留空
设备在线和离线的事件转发的消息格式如下

{
    "username": "284202304230001",
    "timestamp": 1682652598840,
    "sockname": "172.17.0.5:1883",
    "receive_maximum": 32,
    "proto_ver": 5,
    "proto_name": "MQTT",
    "peername": "172.17.0.1:48524",
    "node": "emqx@172.17.0.5",
    "mountpoint": "undefined",
    "metadata": {
        "rule_id": "rule_3hsx"
    },
    "keepalive": 60,
    "is_bridge": false,
    "expiry_interval": 10,
    "event": "client.connected",
    "connected_at": 1682652598840,
    "conn_props": {
        "User-Property": {},
        "Session-Expiry-Interval": 10
    },
    "clientid": "mqttx_c4491df0",
    "clean_start": false
}

我们点击 创建 ，并继续点击 创建规则

我们在创建规则中指定新的规则名称 rule_client_connected,并在SQL编辑器复制以下内容

SELECT
  *
FROM
  "$events/client_connected",
  "$events/client_disconnected"

在右侧的事件中，我们可以看到所有可用的事件，我们选择了连接和断开两个事件，在这两个事件触发时会通过Webhook调用我们配置的接口，这样我们就能获取到设备的在线、离线状态了。

我们点击 创建按钮 完成规则的创建
我们可以看见我们创建好的规则

点击规则ID，还可以看到统计数据

在FLows中还可以看到整个工作流程

演示Webhook

我们使用MQTTX模拟一次设备连接和断开动作，可以在规则统计界面看到我们的操作已经被记录。

编写代码

我们这里采用方案2。
我们需要实现之前配置的ConnectedEvent接口

    /// <summary>
    /// 连接事件请求
    /// </summary>
    public class ConnectedEventRequest
    {
        /// <summary>
        /// 设备名称
        /// </summary>
        public string Username { get; set; }
        /// <summary>
        /// 时间戳
        /// </summary>
        public long Timestamp { get; set; }

        /// <summary>
        /// 事件（连接/断开）
        /// </summary>
        public string Event { get; set; }
        /// <summary>
        /// 连接时间（断开事件中为0）
        /// </summary>
        public long Connected_at { get; set; }

        /// <summary>
        /// Client ID
        /// </summary>
        public string Clientid { get; set; }
    }

        /// <summary>
        /// 更新设备在线状态
        /// </summary>
        /// <param name="deviceName"></param>
        /// <param name="onlineStatus"></param>
        /// <returns></returns>
        public async Task UpdateDeviceOnlineStatusAsync(string deviceName, OnLineStates onlineStatus)
        {
            var device = await _ioTDbContext.IoTDeviceInfo.Include(o => o.IoTDeviceExtend).AsNoTracking()
                .FirstOrDefaultAsync(o => o.DeviceName == deviceName);
            if (device == null)
            {
                return;
            }
            else
            {
                if (device.IoTDeviceExtend == null) //扩展表为空
                {
                    device.IoTDeviceExtend = new IoTDeviceExtend
                    {
                        DeviceInfoId = device.Id,
                        OnLineStates = (int)onlineStatus,
                    };
                    _ioTDbContext.Attach(device.IoTDeviceExtend);
                    
                    _ioTDbContext.Entry(device.IoTDeviceExtend).State = EntityState.Added;
                    _ioTDbContext.Entry(device.IoTDeviceExtend).Property(o => o.OnLineStates).IsModified = true;
                    await _ioTDbContext.SaveChangesAsync();
                }
                if (device.IoTDeviceExtend.OnLineStates != (int)onlineStatus)         //在线状态不一致
                {
                    device.IoTDeviceExtend.OnLineStates = (int)onlineStatus;

                    _ioTDbContext.Attach(device.IoTDeviceExtend);
                    //防止更新其他字段
                    _ioTDbContext.Entry(device.IoTDeviceExtend).State = EntityState.Unchanged;
                    _ioTDbContext.Entry(device.IoTDeviceExtend).Property(o => o.OnLineStates).IsModified = true;
                    await _ioTDbContext.SaveChangesAsync();
                }
            }
        }

我们根据Event中的内容来判断是 连接（client.connected）/断开(client.disconnected) 的事件

        /// <summary>
        /// 连接、断开事件
        /// </summary>
        /// <param name="request"></param>
        /// <returns></returns>
        [HttpPost]
        public async Task ConnectedEventAsync([FromBody] ConnectedEventRequest request)
        {
            var onlineStatus = request.Event switch
            {
                "client.connected" => OnLineStates.OnLine,
                _ => OnLineStates.OffLine
            };

            await _deviceHandler.UpdateDeviceOnlineStatusAsync(request.Username, onlineStatus);
        }

总结

以上就是本文要讲的内容，我们可以通过MQTTX来测试我们的代码有效性。
该方案还存在部分缺点，例如：
1、每次设备上下线会导致频繁的请求接口，在大量设备接入的场景中需要考虑接口性能。
2、由于网络等问题，Web调用顺序可能不能完全保证，也许离线会比在线事件更早处理，从而导致状态不一致。我们后面会尝试用其他方案来替代WebHook，尝试解决上述问题，在此之前我们都会继续使用WebHook进行功能演示。

完整代码在这里：https://github.com/sunday866/MASA.IoT-Training-Demos

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