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在物聯網（IoT）快速發展的世界中，Python MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）已成為最輕量級且高效的消息傳遞協議之一。無論你是構建智能家居設備、工業自動化系統還是即時數據管道，它都是設備間無縫通信的首選解決方案。我們將帶您從零開始，深入學習如何使用 Python 與最受歡迎的物聯網通信協議之一，建立強大的應用程式。

什麼是 MQTT？

這種通信協議的設計目標是提供快速且輕量的訊息傳遞能力，特別適用於需要高效資料交換的環境。與傳統的請求-回應模型不同，它採用了發佈-訂閱（Publish-Subscribe）的架構，允許設備以非同步的方式傳送和接收訊息，這使其非常適合即時資料傳輸需求。

關鍵特性：

• 輕量級：最小的數據包開銷，適合低功耗設備。
• Broker（伺服器）：負責管理訊息的分發（例如 Mosquitto)。
• Topic（主題）： 用於組織和傳遞訊息的邏輯通道，類似於資料的分類標籤。
• 發佈-訂閱模型：解耦發布者（Publisher）和訂閱者（Subscriber）。
• 服務質量（QoS）：確保消息在不同可靠性級別下的傳遞。
• 保留消息：為新的訂閱者存儲主題上的最後一條消息。
• 遺囑消息（LWT）：在客戶端意外斷開連接時通知訂閱者。

設定 Python MQTT 開發環境

在開始撰寫程式碼之前，我們需要安裝必要的工具。我們將使用 Python 搭配專門的函式庫來處理所有通信相關的任務，這不僅簡化了開發過程，還提高了效率。

步驟 1：安裝必要的 Python 套件

要在 Python 中使用此通信協議，我們會使用 paho-mqtt 這個函式庫。它提供了簡單易用的 API，能輕鬆與 Broker 進行連接、傳送訊息及訂閱主題。

在終端機輸入以下指令來安裝：

pip install paho-mqtt

如果您使用的是 Python 3，可以執行：

pip3 install paho-mqtt

步驟 2：確認安裝是否成功

安裝完成後，使用以下指令確認套件已正確安裝：

pip list

預期的輸出結果：

Package    Version
---------- -------
paho-mqtt  1.6.1
pip        22.3.1
setuptools 65.5.0

這表示 paho-mqtt 已成功安裝並可供使用。

連接到 Broker

我們將使用 Mosquitto 提供的免費 MQTT 公開測試伺服器：

• 密碼： readwrite
• 伺服器（Broker）： test.mosquitto.org
• 連接埠（Port）： 1884
• 使用者名稱： rw

建立訂閱者（Subscriber）

接下來我們將撰寫一個簡單的訂閱者程式，來接收來自特定主題的訊息。

訂閱者程式碼範例 :

import paho.mqtt.client as mqtt

# Callback when connected to the broker
def on_connect(client, userdata, flags, rc):
    print("Connected with result code " + str(rc))
    client.subscribe("iot_topic/#")  # Subscribe to the topic

# Callback when a message is received
def on_message(client, userdata, msg):
    print(f"Message from {msg.topic}: {msg.payload.decode('utf-8')}")

# Initialize the client
client = mqtt.Client()
client.username_pw_set("rw", "readwrite")

# Assign callbacks
client.on_connect = on_connect
client.on_message = on_message

# Connect to the broker
client.connect("test.mosquitto.org", 1884, 60)
client.loop_forever()

程式碼說明 :

• on_connect()： 當客戶端成功連接到 Broker 時會觸發，並自動訂閱指定主題。
• on_message()： 當接收到訊息時會被呼叫，並顯示訊息內容。
• loop_forever()： 使客戶端持續運行，並自動處理重新連接及訊息接收。

建立發佈者（Publisher）

現在，我們來撰寫一個簡單的發佈者程式，將訊息傳送到剛剛訂閱的主題。

發佈者程式碼範例 :

import paho.mqtt.client as mqtt
import json

# Message to be sent
msg = "Hello, IoT World!"

# Initialize the client
client = mqtt.Client()
client.username_pw_set("rw", "readwrite")

# Connect to the server
client.connect("test.mosquitto.org", 1884, 60)

# Publish the message
client.publish("iot_topic", json.dumps(msg))

最後的輸出結果（訂閱者端）

在啟動訂閱者程式後，執行上述發佈者程式，您應該會在訂閱者端看到以下輸出：

Connected with result code 0  
Message from iot_topic: "Hello, IoT World!"

進階功能

服務質量（QoS）: 支援三種 QoS 級別。

• QoS 0：最多一次（無需確認）。
• QoS 1：至少一次（確保傳遞，但可能重複）。
• QoS 2：恰好一次（確保傳遞且不重複）。

示例：

client.publish(topic, message, qos=1) 

保留消息 : 保留消息確保新訂閱者收到主題上的最後一條消息。

示例：

client.publish(topic, message, retain=True) 

遺囑消息（LWT）: 遺囑消息允許你指定在客戶端意外斷開連接時發送的消息。

示例：

client.will_set(topic, "Client disconnected unexpectedly", qos=1, retain=True)

結論

現在您已經學會如何使用 Python 建立即時通信系統，從基礎設定到進階的訊息發佈與訂閱，再到真實應用場景的探討。這種輕量級、高效率的通信架構不僅適用於物聯網，還能廣泛應用於各種即時數據處理的場景中。

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