📡 MQTT - Мгновенная связь между IoT устройствами. Publisher/Subscriber революция

 1🌐 HTTP: Отлично для веб-сайтов, но...
 2
 3❌ ПРОБЛЕМЫ ДЛЯ IoT:
 4   🔄 Request/Response - всегда нужно "спрашивать"
 5   📶 Тяжелый протокол - много лишних данных
 6   🔋 Энергозатратный - постоянные подключения
 7   ⏱️ Нет real-time - нужно постоянно опрашивать
 8   📱 Плохо для мобильных сетей - большие пакеты
 9
10🏠 ПРИМЕР: Умная лампочка по HTTP
11   💡 Лампочка → "Сервер, я включилась!"
12   🖥️ Сервер → "Ок, записал"
13   📱 Телефон → "Сервер, что с лампочкой?"
14   🖥️ Сервер → "Она включена"
15   
16   Проблема: Телефон не знает об изменениях мгновенно!
17
18✅ ЧТО НУЖНО IoT:
19   • Мгновенные уведомления об изменениях
20   • Минимальный трафик для экономии батареи
21   • Работа при нестабильном соединении
22   • Один к многим (broadcast) сообщения

 1📡 MQTT = Message Queuing Telemetry Transport
 2   Легкий протокол для обмена сообщениями в IoT
 3
 4🎯 КЛЮЧЕВЫЕ ПРИНЦИПЫ:
 5   1. Publisher/Subscriber модель
 6   2. Broker как посредник
 7   3. Topics для организации сообщений
 8   4. QoS для гарантии доставки
 9   5. Retain для сохранения последнего значения
10
11📮 АНАЛОГИЯ: MQTT как почтовая система
12   📬 Publisher = отправитель письма
13   🏢 Broker = почтовое отделение  
14   📪 Subscriber = получатель с подпиской
15   🏷️ Topic = адрес/тема письма
16   
17🔄 КАК ЭТО РАБОТАЕТ:
18   1. Все подключаются к Broker
19   2. Publisher отправляет сообщение в topic
20   3. Broker доставляет всем подписанным Subscriber'ам
21   4. Subscriber'ы мгновенно получают обновления
22
23💡 ПРИМЕР: home/living_room/temperature
24   🌡️ Датчик публикует: "23.5°C"
25   📱 Все приложения мгновенно получают: "23.5°C"

 1🏷️ TOPICS - система адресации MQTT:
 2
 3ИЕРАРХИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА:
 4home/living_room/temperature     - температура в гостиной
 5home/living_room/light/status    - статус света
 6home/living_room/light/brightness - яркость света
 7home/kitchen/motion              - датчик движения на кухне
 8home/security/door/front         - входная дверь
 9
10🔍 WILDCARDS для подписки:
11home/+/temperature              - температура во всех комнатах
12home/living_room/+              - все датчики в гостиной  
13home/#                          - всё в доме
14
15⚡ QoS (Quality of Service) уровни:
16QoS 0: "Fire and forget" - отправил и забыл
17QoS 1: "At least once" - гарантия доставки минимум 1 раз
18QoS 2: "Exactly once" - гарантия доставки ровно 1 раз
19
20🎯 КОГДА ЧТО ИСПОЛЬЗОВАТЬ:
21QoS 0: Датчики температуры (если потеряется - не критично)
22QoS 1: Уведомления о движении (важно не пропустить)
23QoS 2: Команды замка (критично выполнить точно 1 раз)
24
25🆕 RETAINED MESSAGES:
26Broker сохраняет последнее значение для новых подписчиков
27Пример: новое устройство сразу знает текущую температуру

 1# Для понимания процесса (псевдокод)
 2
 3# Ubuntu/Debian
 4sudo apt update
 5sudo apt install mosquitto mosquitto-clients
 6
 7# macOS
 8brew install mosquitto
 9
10# Windows
11# Скачать с mosquitto.org и установить
12
13# 🆕 Docker (универсальный способ)
14docker run -it -p 1883:1883 eclipse-mosquitto
15
16# 🆕 Облачные варианты для школы
17# HiveMQ Public Broker: broker.hivemq.com:1883
18# Eclipse Public Broker: iot.eclipse.org:1883

 1# Псевдокод для понимания команд
 2
 3# Подписаться на topic (в одном терминале)
 4mosquitto_sub -h localhost -t "test/topic"
 5
 6# Опубликовать сообщение (в другом терминале)  
 7mosquitto_pub -h localhost -t "test/topic" -m "Hello MQTT!"
 8
 9# 🆕 Эксперименты с wildcards
10mosquitto_sub -h localhost -t "home/+/temperature"
11mosquitto_sub -h localhost -t "home/#"
12
13# 🆕 Retained messages
14mosquitto_pub -h localhost -t "home/status" -m "online" -r
15
16# 🆕 QoS эксперименты
17mosquitto_pub -h localhost -t "critical/command" -m "unlock" -q 2

 1ЗАДАЧА: Исследовать основы MQTT коммуникации
 2
 3ЭКСПЕРИМЕНТЫ:
 41. Простая pub/sub связь между двумя терминалами
 52. Тестирование wildcards (+, #)
 63. Эксперименты с retained messages
 74. Влияние QoS на доставку
 8
 9ИЗМЕРЕНИЯ:
10✓ Скорость доставки сообщений
11✓ Поведение при отключении subscriber
12✓ Размер MQTT пакетов vs HTTP
13✓ Энергопотребление (симуляция)
14
15РЕЗУЛЬТАТ: Сравнительная таблица MQTT vs HTTP

 1# Псевдокод: Симулятор датчиков умного дома
 2
 3import random
 4import time
 5import mqtt_client
 6
 7# Симулятор температурного датчика
 8class TemperatureSensor:
 9    def __init__(self, room_name):
10        self.room = room_name
11        self.client = mqtt_client.connect("localhost")
12        
13    def simulate(self):
14        while True:
15            temperature = random.uniform(18.0, 26.0)
16            topic = f"home/{self.room}/temperature"
17            self.client.publish(topic, temperature)
18            time.sleep(5)  # каждые 5 секунд
19
20# Симулятор датчика движения            
21class MotionSensor:
22    def simulate_motion(self):
23        motion_detected = random.choice([True, False])
24        topic = f"home/{self.room}/motion"
25        self.client.publish(topic, motion_detected)
26
27ЗАДАЧА:
28✓ Создать 3+ виртуальных датчика
29✓ Разные комнаты и типы датчиков
30✓ Realistic данные (температура 18-26°C, влажность 30-70%)
31✓ Случайные события (движение, открытие двери)

 1# Псевдокод: Контроллеры умных устройств
 2
 3class SmartLight:
 4    def __init__(self, room_name):
 5        self.room = room_name
 6        self.state = "off"
 7        self.brightness = 0
 8        self.client = mqtt_client.connect("localhost")
 9        
10        # Подписываемся на команды
11        self.client.subscribe(f"home/{room}/light/command")
12        self.client.on_message = self.handle_command
13        
14    def handle_command(self, topic, message):
15        if message == "on":
16            self.state = "on"
17            self.brightness = 100
18        elif message == "off":
19            self.state = "off"
20            self.brightness = 0
21            
22        # Публикуем новое состояние
23        status_topic = f"home/{self.room}/light/status"
24        self.client.publish(status_topic, self.state)
25
26ЗАДАЧА:
27✓ Умная лампочка (включение/выключение/яркость)
28✓ Термостат (установка температуры)
29✓ Умный замок (блокировка/разблокировка)
30✓ Реакция на команды через MQTT

 1<!-- Псевдокод: Веб-дашборд для мониторинга -->
 2<!DOCTYPE html>
 3<html>
 4<head>
 5    <title>IoT Dashboard</title>
 6    <script src="https://unpkg.com/mqtt/dist/mqtt.min.js"></script>
 7</head>
 8<body>
 9    <h1>🏠 Smart Home Dashboard</h1>
10    
11    <div class="sensors">
12        <div class="sensor-card">
13            <h3>🌡️ Living Room</h3>
14            <div id="living-temp">--°C</div>
15        </div>
16        
17        <div class="sensor-card">
18            <h3>💡 Kitchen Light</h3>
19            <div id="kitchen-light">--</div>
20            <button onclick="toggleLight('kitchen')">Toggle</button>
21        </div>
22    </div>
23
24    <script>
25        // Подключение к MQTT брокеру через WebSockets
26        const client = mqtt.connect('ws://localhost:8080');
27        
28        // Подписка на все датчики
29        client.subscribe('home/+/temperature');
30        client.subscribe('home/+/light/status');
31        
32        // Обработка входящих сообщений
33        client.on('message', function(topic, message) {
34            updateDashboard(topic, message.toString());
35        });
36        
37        function toggleLight(room) {
38            client.publish(`home/${room}/light/command`, 'toggle');
39        }
40    </script>
41</body>
42</html>
43
44ЗАДАЧА:
45✓ Real-time отображение всех датчиков
46✓ Управление устройствами через веб-интерфейс
47✓ Графики изменения температуры за время
48✓ Уведомления о критических событиях

 1ЗАДАЧА: Система безопасности на MQTT
 2
 3КОМПОНЕНТЫ:
 4• Датчики движения в разных комнатах
 5• Датчики открытия дверей/окон
 6• Система постановки/снятия с охраны
 7• Камеры безопасности (симуляция)
 8• Сирена и уведомления
 9
10TOPICS ARCHITECTURE:
11security/arm_status          - статус охраны (armed/disarmed)
12security/sensors/+/motion    - датчики движения
13security/sensors/+/door      - датчики дверей
14security/alerts/+            - тревоги
15security/cameras/+/status    - статус камер
16
17ЛОГИКА:
18✓ При постановке на охрану - подписка на все датчики
19✓ При срабатывании датчика - проверка статуса охраны
20✓ Генерация тревоги и уведомлений
21✓ Логирование всех событий
22
23🆕 ADVANCED FEATURES:
24• Геофенсинг (автопостановка при уходе)
25• Ложные тревоги и их фильтрация
26• Интеграция с emergency services

 1🏠 ОБЩАЯ MQTT TOPOLOGY:
 2
 3home/
 4├── living_room/
 5│   ├── temperature
 6│   ├── humidity  
 7│   ├── light/status
 8│   ├── light/command
 9│   └── motion
10├── kitchen/
11│   ├── temperature
12│   ├── light/status
13│   └── door
14├── security/
15│   ├── arm_status
16│   ├── alerts/
17│   └── sensors/
18└── system/
19    ├── broker_status
20    └── last_will
21
22ЗАДАЧА: Создать взаимодействие между системами
23• Автовключение света при движении
24• Автопостановка охраны при уходе всех
25• Климат-контроль на основе присутствия
26• Энергосбережение (выключение всего при уходе)

 1🔒 SECURITY DEMO:
 2- MQTT без аутентификации vs с паролем
 3- Шифрование SSL/TLS для критических данных
 4- Показ перехвата незащищенного трафика
 5
 6📊 PERFORMANCE COMPARISON:
 7- HTTP polling vs MQTT push
 8- Замер трафика и батареи
 9- Latency тесты
10
11🌐 ALTERNATIVE PROTOCOLS:
12- CoAP (Constrained Application Protocol)
13- WebSockets vs MQTT-over-WebSockets
14- LoRaWAN для дальних расстояний
15
16🚀 ADVANCED MQTT FEATURES:
17- Last Will Testament (что происходит при отключении)
18- Persistent sessions
19- Shared subscriptions для нагрузки

 1📡 MQTT ARCHITECTURE DOCUMENT:
 2
 31. SYSTEM ANALYSIS:
 4   • Какие устройства входят в систему?
 5   • Какие данные они генерируют?
 6   • Какие команды должны выполнять?
 7   • Критические vs некритические операции
 8
 92. MQTT DESIGN:
10   • Полная topic hierarchy (минимум 15 topics)
11   • QoS уровни для каждого типа сообщений
12   • Retained messages стратегия
13   • Last Will Testament для критических устройств
14
153. SECURITY ARCHITECTURE:
16   • Аутентификация устройств
17   • Авторизация (кто что может делать)
18   • Шифрование критических данных
19   • Мониторинг подозрительной активности
20
214. SCALABILITY PLAN:
22   • Как система будет расти?
23   • Производительность брокера
24   • Clustering и load balancing
25   • Backup и disaster recovery
26
275. 🆕 INTEGRATION STRATEGY:
28   • Интеграция с существующими системами
29   • API Gateway для внешних приложений
30   • Данные analytics и machine learning
31   • Cloud vs on-premise deployment
32
33ФОРМАТ: Техническая документация + схемы архитектуры

1Спринт #25 → Спринт #26 → Спринт #27
2MQTT теория → Реальные датчики → Итоговый проект
3Broker setup → Hardware integration → Full IoT solution
4Topic design → Sensor data → Professional presentation
5Security basics → Production deployment → Real-world demo