STM32+ESP8266+MQTT协议连接OneNet物联网平台

DS小龙哥

发布于 2022-01-10 17:14:58

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发布于 2022-01-10 17:14:58

文章被收录于专栏：嵌入式项目开发

一、环境介绍

单片机采用：STM32F103C8T6

上网方式：采用ESP8266，也可以使用其他设备代替，只要支持TCP协议即可。比如：GSM模块、有线网卡等。

开发软件：keil5

硬件连接功能：ESP8266接在STM32的串口3上。通过AT指令与ESP8266进行通信。

注意：本篇文章没有贴ESP8266的底层编程代码，如果不会ESP8266底层编程，请看这里：

https://blog.csdn.net/xiaolong1126626497/article/details/107379554

如果需要了解ESP8266+MQTT协议连接阿里云物联网服务器请看这里：https://blog.csdn.net/xiaolong1126626497/article/details/107311897

工程完整源码下载: https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/15803518

二、功能介绍

2.1 功能说明

通过OneNet物联网服务器实现设备数据远程上传、下发，实现数据交互(不清楚OneNet物联网服务器功能的可以百度一下进入官网看简介)。之前的OneNet服务器不支持标准MQTT协议登录的，现在官网更新之后支持标准的MQTT协议，本篇文章介绍使用STM32+ESP8266使用标准MQTT协议登录Onenet服务器，实现数据交互。实现步骤OneNet官方提供了很详细的文档，可以参考一下。

文档地址：https://open.iot.10086.cn/devdoc/

2.2 硬件资源

在当前使用的开发板上有4盏LED灯、一个蜂鸣器、4个按键，ESP8266型号是ESP-12F，STM32型号是：STM32F103C8T6。

三、OneNet支持的MQTT协议版本

目前OneNet服务器支持MQTT 3.1.1版本，MQTT协议官网: http://mqtt.org/?spm=a2c4g.11186623.2.11.19083f86gxhJ7h

报文支持情况: 支持connect、subscribe、publish、ping、unsubscribe、disconnect等报文，不支持pubrec、pubrel、pubcomp报文。

四、登录OneNet服务器创建物联网产品

没有注册账号的，需要提前登录官网注册账号，再进入下面步骤：

这里根据自己产品情况填写。

产品创建成功之后，点击产品名称，跳转页面，继续添加设备。

下面选择仪表盘的数据来源，根据自己创建的数据点选择。

创建一个文本控件，显示数据点更新的时间，方便调试。

OneNte有手机版本的APP,登录之后也可以看到该页面。

下载地址：https://open.iot.10086.cn/doc/book/device-develop/multpro/sdk-doc-tool/APP.html

下面是手机上登录APP看到的界面效果：

五、OneNet服务器MQTT登录地址与订阅主题相关格式介绍

官网介绍文档地址: https://open.iot.10086.cn/doc/mqtt/book/get-start/connect.html

5.1 MQTT服务器登录地址

目前MQTT协议支持两个IP地址和端口号，一个需要加密、一个不需要加密。

注意：单片机上移植加密算法很麻烦，这里采用不需要加密的端口。(IP地址: 183.230.40.96 端口: 1883)

5.2 MQTT登录的：设备ID、用户名称、密码格式参数

上面图片里说明了，OneNet的设备参数与标准MQTT协议的登录参数对应关系。 OneNet的设备参数，在设备页面可以去查看。

登录密码生成看下面步骤：

注意：该工具在win10系统运行可能会提示非信任程序，点击任要运行即可。

下面是生成MQTT登录密匙的工具使用示例。

注意：工具中填的参数说明请看文档介绍。

res选项参数的格式： products/{产品ID}/devices/{设备名称}

et是设置token过期时间：算出1970-1-1到你想要设置的到期时间，单位是秒，填入即可。

比如：超时时间设置为2020-07-20 ,那么，这里填入的秒就是：1970-1-1到2020-07-20之间的秒单位时间。

Linux下代码：

#include <stdio.h>
#include <time.h>
 #include <time.h>

int main()
{
    time_t time_sec;
    time_sec=time(NULL);  //当前的秒单位时间--UTC时间
	printf("当前时间(秒):%ld\n",time_sec);
	printf("加30天的时间(秒):%ld\n",time_sec+30*24*60*60);
	return 0;
}

key的参数格式：就是设备创建之后，在设备详情页的key

工具生成的结果值，直接当做MQTT登录的密码。

5.3 主题订阅格式

文档地址：https://open.iot.10086.cn/doc/mqtt/book/device-develop/protocol.html

5.4 设备保活时间

5.5 向服务器传数据点

六、核心代码

6.1 matt.c代码

#include "mqtt.h"

u8 *mqtt_rxbuf;
u8 *mqtt_txbuf;
u16 mqtt_rxlen;
u16 mqtt_txlen;
u8 _mqtt_txbuf[256];//发送数据缓存区
u8 _mqtt_rxbuf[256];//接收数据缓存区

typedef enum
{
	//名字 	    值 			报文流动方向 	描述
	M_RESERVED1	=0	,	//	禁止	保留
	M_CONNECT		,	//	客户端到服务端	客户端请求连接服务端
	M_CONNACK		,	//	服务端到客户端	连接报文确认
	M_PUBLISH		,	//	两个方向都允许	发布消息
	M_PUBACK		,	//	两个方向都允许	QoS 1消息发布收到确认
	M_PUBREC		,	//	两个方向都允许	发布收到（保证交付第一步）
	M_PUBREL		,	//	两个方向都允许	发布释放（保证交付第二步）
	M_PUBCOMP		,	//	两个方向都允许	QoS 2消息发布完成（保证交互第三步）
	M_SUBSCRIBE		,	//	客户端到服务端	客户端订阅请求
	M_SUBACK		,	//	服务端到客户端	订阅请求报文确认
	M_UNSUBSCRIBE	,	//	客户端到服务端	客户端取消订阅请求
	M_UNSUBACK		,	//	服务端到客户端	取消订阅报文确认
	M_PINGREQ		,	//	客户端到服务端	心跳请求
	M_PINGRESP		,	//	服务端到客户端	心跳响应
	M_DISCONNECT	,	//	客户端到服务端	客户端断开连接
	M_RESERVED2		,	//	禁止	保留
}_typdef_mqtt_message;

//连接成功服务器回应 20 02 00 00
//客户端主动断开连接 e0 00
const u8 parket_connetAck[] = {0x20,0x02,0x00,0x00};
const u8 parket_disconnet[] = {0xe0,0x00};
const u8 parket_heart[] = {0xc0,0x00};
const u8 parket_heart_reply[] = {0xc0,0x00};
const u8 parket_subAck[] = {0x90,0x03};

void MQTT_Init(void)
{
    //缓冲区赋值
	mqtt_rxbuf = _mqtt_rxbuf;
    mqtt_rxlen = sizeof(_mqtt_rxbuf);
	mqtt_txbuf = _mqtt_txbuf;
    mqtt_txlen = sizeof(_mqtt_txbuf);
	memset(mqtt_rxbuf,0,mqtt_rxlen);
	memset(mqtt_txbuf,0,mqtt_txlen);
	
	//无条件先主动断开
	MQTT_Disconnect();
    delay_ms(100);
	MQTT_Disconnect();
    delay_ms(100);
}

/*
函数功能: 登录服务器
函数返回值: 0表示成功 1表示失败
*/
u8 MQTT_Connect(char *ClientID,char *Username,char *Password)
{
    u8 i,j;
    int ClientIDLen = strlen(ClientID);
    int UsernameLen = strlen(Username);
    int PasswordLen = strlen(Password);
    int DataLen;
	mqtt_txlen=0;
	//可变报头+Payload  每个字段包含两个字节的长度标识
    DataLen = 10 + (ClientIDLen+2) + (UsernameLen+2) + (PasswordLen+2);
	
	//固定报头
	//控制报文类型
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x10;		//MQTT Message Type CONNECT
	//剩余长度(不包括固定头部)
	do
	{
		u8 encodedByte = DataLen % 128;
		DataLen = DataLen / 128;
		// if there are more data to encode, set the top bit of this byte
		if ( DataLen > 0 )
			encodedByte = encodedByte | 128;
		mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte;
	}while ( DataLen > 0 );
    	
	//可变报头
	//协议名
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0;        	// Protocol Name Length MSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4;           // Protocol Name Length LSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'M';        	// ASCII Code for M    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'Q';        	// ASCII Code for Q    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'T';        	// ASCII Code for T    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'T';        	// ASCII Code for T    
	//协议级别
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4;        		// MQTT Protocol version = 4   对于 3.1.1 版协议，协议级别字段的值是 4(0x04)   
	//连接标志
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0xc2;        	// conn flags 
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0;        		// Keep-alive Time Length MSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 100;        	// Keep-alive Time Length LSB  100S心跳包    保活时间
	
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(ClientIDLen);// Client ID length MSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(ClientIDLen);// Client ID length LSB  	
	memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],ClientID,ClientIDLen);
    mqtt_txlen += ClientIDLen;
    
    if(UsernameLen > 0)
    {   
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(UsernameLen);		//username length MSB    
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(UsernameLen);    	//username length LSB    
		memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Username,UsernameLen);
        mqtt_txlen += UsernameLen;
    }
    
    if(PasswordLen > 0)
    {    
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(PasswordLen);		//password length MSB    
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(PasswordLen);    	//password length LSB  
		memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Password,PasswordLen);
        mqtt_txlen += PasswordLen; 
    }    
	
  
    memset(mqtt_rxbuf,0,mqtt_rxlen);
    MQTT_SendBuf(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
    for(j=0;j<10;j++)
    {
        delay_ms(50);
        if(USART3_RX_FLAG)
        {
            memcpy((char *)mqtt_rxbuf,USART3_RX_BUFFER,USART3_RX_CNT);
            
            //memcpy
           
             for(i=0;i<USART3_RX_CNT;i++)USART1_Printf("%#x ",USART3_RX_BUFFER[i]);
            
            USART3_RX_FLAG=0;
            USART3_RX_CNT=0;
        }
        //CONNECT
        if(mqtt_rxbuf[0]==parket_connetAck[0] && mqtt_rxbuf[1]==parket_connetAck[1]) //连接成功			   
        {
            return 0;//连接成功
        }
    }
    
	return 1;
}

/*
函数功能: MQTT订阅/取消订阅数据打包函数
函数参数:
    topic       主题   
    qos         消息等级 0:最多分发一次  1: 至少分发一次  2: 仅分发一次
    whether     订阅/取消订阅请求包 (1表示订阅,0表示取消订阅)
返回值: 0表示成功 1表示失败
*/
u8 MQTT_SubscribeTopic(char *topic,u8 qos,u8 whether)
{    
    u8 i,j;
	mqtt_txlen=0;
    int topiclen = strlen(topic);
	
	int DataLen = 2 + (topiclen+2) + (whether?1:0);//可变报头的长度（2字节）加上有效载荷的长度
	//固定报头
	//控制报文类型
    if(whether)mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x82; //消息类型和标志订阅
    else	mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0xA2;    //取消订阅

	//剩余长度
	do
	{
		u8 encodedByte = DataLen % 128;
		DataLen = DataLen / 128;
		// if there are more data to encode, set the top bit of this byte
		if ( DataLen > 0 )
			encodedByte = encodedByte | 128;
		mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte;
	}while ( DataLen > 0 );	
	
	//可变报头
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0;			//消息标识符 MSB
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x0A;        //消息标识符 LSB
	//有效载荷
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(topiclen);//主题长度 MSB
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(topiclen);//主题长度 LSB   
	memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],topic,topiclen);
    mqtt_txlen += topiclen;
    
    if(whether)
    {
       mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = qos;//QoS级别
    }
    
    for(i=0;i<10;i++)
    {
        memset(mqtt_rxbuf,0,mqtt_rxlen);
		MQTT_SendBuf(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
        for(j=0;j<10;j++)
        {
            delay_ms(50);
            if(USART3_RX_FLAG)
			{
                memcpy((char *)mqtt_rxbuf,(char*)USART3_RX_BUFFER,USART3_RX_CNT);
				USART3_RX_FLAG=0;
				USART3_RX_CNT=0;
			}
			
			if(mqtt_rxbuf[0]==parket_subAck[0] && mqtt_rxbuf[1]==parket_subAck[1]) //订阅成功			   
			{
				return 0;//订阅成功
			}
        }
    }
	return 1; //失败
}

//MQTT发布数据打包函数
//topic   主题 
//message 消息
//qos     消息等级 
u8 MQTT_PublishData(char *topic, char *message, u8 qos)
{  
    int topicLength = strlen(topic);    
    int messageLength = strlen(message);     
    static u16 id=0;
	int DataLen;
	mqtt_txlen=0;
	//有效载荷的长度这样计算：用固定报头中的剩余长度字段的值减去可变报头的长度
	//QOS为0时没有标识符
	//数据长度             主题名   报文标识符   有效载荷
    if(qos)	DataLen = (2+topicLength) + 2 + messageLength;       
    else	DataLen = (2+topicLength) + messageLength;   

    //固定报头
	//控制报文类型
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x30;    // MQTT Message Type PUBLISH  

	//剩余长度
	do
	{
		u8 encodedByte = DataLen % 128;
		DataLen = DataLen / 128;
		// if there are more data to encode, set the top bit of this byte
		if ( DataLen > 0 )
			encodedByte = encodedByte | 128;
		mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte;
	}while ( DataLen > 0 );	
	
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(topicLength);//主题长度MSB
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(topicLength);//主题长度LSB 
	memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],topic,topicLength);//拷贝主题
    mqtt_txlen += topicLength;
        
	//报文标识符
    if(qos)
    {
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(id);
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(id);
        id++;
    }
	memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],message,messageLength);
    mqtt_txlen += messageLength;
        
	MQTT_SendBuf(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
    return mqtt_txlen;
}

void MQTT_SentHeart(void)
{
	MQTT_SendBuf((u8 *)parket_heart,sizeof(parket_heart));
}

void MQTT_Disconnect(void)
{
	MQTT_SendBuf((u8 *)parket_disconnet,sizeof(parket_disconnet));
}

void MQTT_SendBuf(u8 *buf,u16 len)
{
	USARTx_DataSend(USART3,buf,len);
}

6.2 mqtt.h代码

#ifndef __FY_MQTT_H_
#define __FY_MQTT_H_

#include "stm32f10x.h"
#include "string.h"
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
#include "stdarg.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"

#define BYTE0(dwTemp)       (*( char *)(&dwTemp))
#define BYTE1(dwTemp)       (*((char *)(&dwTemp) + 1))
#define BYTE2(dwTemp)       (*((char *)(&dwTemp) + 2))
#define BYTE3(dwTemp)       (*((char *)(&dwTemp) + 3))
    
//用户名初始化
void OneNet_LoginInit(char *ProductKey,char *DeviceName,char *DeviceSecret);
//MQTT协议相关函数声明
u8 MQTT_PublishData(char *topic, char *message, u8 qos);
u8 MQTT_SubscribeTopic(char *topic,u8 qos,u8 whether);
void MQTT_Init(void);
u8 MQTT_Connect(char *ClientID,char *Username,char *Password);
void MQTT_SentHeart(void);
void MQTT_Disconnect(void);
void MQTT_SendBuf(u8 *buf,u16 len);
#endif

6.3 main.c 主函数代码

#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "usart.h"
#include <string.h>
#include "timer.h"
#include "esp8266.h"
#include "mqtt.h"

/*
序号	符号	编码
1	+	%2B
2	空格%20
3	/	%2F
4	?	%3F
5	%	%25
6	#	%23
7	&	%26
8	=	%3D
*/

//OneNet物联网服务器的设备信息
#define MQTT_ClientID "mq2"
#define MQTT_UserName "361594"

#define MQTT_PassWord "version=2018-10-31&res=products%2F361594%2Fdevices%2Fmq2&et=1597492895&method=sha1&sign=uqvA0KkjXw0FlN01aT6fWrGBLGw%3D"

//订阅与发布的主题
//格式：$sys/{产品ID}/{设备名称}/#
#define SET_TOPIC  "$sys/361594/mq2/#"  //订阅设备所有信息

//格式: $sys/{产品ID}/{设备名称}/dp/post/json
#define POST_TOPIC "$sys/361594/mq2/dp/post/json"  //发布

char mqtt_message[200];//上报数据缓存区

int main()
{
   u32 time_cnt=0;
   u32 i;
   u8 key;
   LED_Init();
   BEEP_Init();
   KEY_Init();
   USART1_Init(115200);
   TIMER1_Init(72,20000); //超时时间20ms
   USART3_Init(115200);//串口-WIFI
   TIMER3_Init(72,20000); //超时时间20ms
   USART1_Printf("正在初始化WIFI请稍等.\n");
   if(ESP8266_Init())
   {
      USART1_Printf("ESP8266硬件检测错误.\n");  
   }
   else
   {
      //加密端口
      //USART1_Printf("WIFI:%d\n",ESP8266_STA_TCP_Client_Mode("OnePlus5T","1126626497","183.230.40.16",8883,1));
      
      //非加密端口
      USART1_Printf("WIFI:%d\n",ESP8266_STA_TCP_Client_Mode("OnePlus5T","1126626497","183.230.40.96",1883,1));
  
   }
   
    //2. MQTT协议初始化	
    MQTT_Init(); 
    //3. 连接OneNet服务器        
    while(MQTT_Connect(MQTT_ClientID,MQTT_UserName,MQTT_PassWord))
    {
        USART1_Printf("OneNet服务器连接失败,正在重试...\n");
        delay_ms(500);
    }
    USART1_Printf("OneNet服务器连接成功.\n");
    
    //3. 订阅主题
    if(MQTT_SubscribeTopic(SET_TOPIC,0,1))
    {
        USART1_Printf("主题订阅失败.\n");
    }
    else
    {
        USART1_Printf("主题订阅成功.\n");
    }        
    
    while(1)
    {    
        key=KEY_Scan(0);
        if(key==2)
        {
            time_cnt=0;
            sprintf(mqtt_message,"{\"id\":1,\"dp\":{\"mq2\":[{\"v\":50}]}}");
            MQTT_PublishData(POST_TOPIC,mqtt_message,0);
            USART1_Printf("发送状态1\r\n");
        }
        else if(key==3)
        {
            time_cnt=0;
            sprintf(mqtt_message,"{\"id\":1,\"dp\":{\"mq2\":[{\"v\":80}]}}");
            MQTT_PublishData(POST_TOPIC,mqtt_message,0);
            USART1_Printf("发送状态0\r\n");
        }  

        if(USART3_RX_FLAG)
        {
            USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\0';
            for(i=0;i<USART3_RX_CNT;i++)
            {
                USART1_Printf("%c",USART3_RX_BUFFER[i]);
            }
            USART3_RX_CNT=0;
            USART3_RX_FLAG=0;
        }

        //定时发送心跳包,保持连接
        delay_ms(10);
        time_cnt++;
        if(time_cnt==500)
        {
            MQTT_SentHeart();//发送心跳包
            time_cnt=0;
        }
    }
}