STM32+ESP8266(ESP-12F)物联网温度计-移植paho MQTT协议连接阿里云
STM32+ESP8266(ESP-12F)物联网温度计-移植paho MQTT协议连接阿里云
目录
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- STM32+ESP8266(ESP-12F)物联网温度计-移植paho MQTT协议连接阿里云
- 一、硬件及软件准备
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- 1、硬件：STM32单片机、ESP8266(ESP-12F)、DS18B20
- 2、软件：Keil5、安信可串口调试助手、wireshark网络抓包工具、paho MQTT协议库
- 二、 实现效果
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- 1、 温度上传
- 2、手机APP实时查看温度数据
- 三、 MQTT协议
- 四、 paho MQTT协议库移植
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- 1、下载paho库
- 2、移植文件
- 3、添加进工程
- 4、修改transport.c和transport.h
- 5、编译查看工程是否存在错误
- 五、 阿里云物联网产品及设备创建
- 六、ESP8266配置
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- 1、测试ESP8266模块
- 2、配置WIFI工作模式
- 3、重启WIFI模块
- 4、关闭回显
- 5、连接WIFI
- 6、设为透传模式
- 7、建立TCP连接
- 七、核心代码
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- 1、 aliyun_mqtt.c
- 2、aliyun_mqtt.h
- 3、main.c
- 八、设备上线
- 九、手机APP获取温度数据
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- 1、数据流转
- 2、数据流转实现
- 十、代码调试注意事项及方法
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- 1、设备保活
- 2、关于串口助手无法打印接收数据中含有"0x00"数据的解决办法
- 3、通过wireshark网络抓包工具调试代码
- 十一、说明
一、硬件及软件准备
完整工程源码下载地址：https://download.csdn.net/download/qq_44062900/18392320
1、硬件：STM32单片机、ESP8266(ESP-12F)、DS18B20
注：ESP8266刷的固件是标准的AT指令固件，当然也可以刷MQTT透传固件，MQTT透传固件不需要我们实现MQTT协议，因为固件已经内置了MQTT协议，操作起来更加简单方便，但我们这里使用的是标准的AT指令固件，需要自己实现MQTT协议或移植MQTT协议库。有人可能会问为什么不直接刷MQTT固件实现连接阿里云呢？这里我们主要还是学习MQTT协议和MQTT协议的移植，这样的话如果设备不支持MQTT协议，但只要设备支持TCP协议就可以实现MQTT通信。
2、软件：Keil5、安信可串口调试助手、wireshark网络抓包工具、paho MQTT协议库
安信可串口调试助手下载：https://docs.ai-thinker.com/%E5%BC%80%E5%8F%91%E5%B7%A5%E5%85%B72
wireshark下载地址：https://www.wireshark.org/download.html
paho MQTT协议库下载：https://github.com/eclipse/paho.mqtt.embedded-c
二、 实现效果
1、 温度上传
2、手机APP实时查看温度数据
三、 MQTT协议
有关MQTT协议请查看官方中文PDF文档：http://blog.mcxiaoke.com/mqtt/protocol/MQTT-3.1.1-CN.pdf
四、 paho MQTT协议库移植
1、下载paho库
paho MQTT协议库下载：https://github.com/eclipse/paho.mqtt.embedded-c
下载完成后解压如下：
2、移植文件
将目录“paho.mqtt.embedded-c-1.1.0\MQTTPacket\src”下的所有.c和.h移植到自己的工程文件夹中(可以只移植部分.c,因为库里面是包含服务器和客户端的实现代码，而我们只需要用到客户端部分的代码即可)
然后再移植"paho.mqtt.embedded-c-1.1.0\MQTTPacket\samples"目录下的"transport.c"和"transport.h"文件,这个两个文件是用于传输报文的，需要根据自己的硬件做相应的修改
3、添加进工程
注意还需添加相应的头文件路径
4、修改transport.c和transport.h
- transport.c
#include "transport.h"
#include "usart.h"
#include "string.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
void USART3_Send_Buff(unsigned char* buf, int buflen)
{
while(buflen--)//字符串是否发送完成
{
USART3->DR = *buf;//发送一个字符
while(!(USART3->SR & (1<<7)));//等待发送完成
buf++;
}
}
int transport_sendPacketBuffer( unsigned char* buf, int buflen)
{
USART3_RX_FLAG=0;
USART3_RX_CNT=0;
memset((char *)USART3_RX_BUFF,0,USART_RX_MAXLEN);//清空接收缓冲区
USART3_Send_Buff(buf,buflen);//发送数据
return buflen;
}
int transport_getdata(unsigned char* buf, int count)
{
u16 rx_cnt=0;
static u16 read_count=0;
while(!USART3_RX_FLAG && rx_cnt<=100)//等待接收响应数据报
{
Delay_Ms(10);
rx_cnt++;
}
if(rx_cnt>100) return 1;//超时,未接收到数据
rx_cnt=0;
memcpy(buf,USART3_RX_BUFF+read_count,count);
read_count+=count;//USART3_BUFF数据偏移
if(read_count>=USART3_RX_CNT)//已经读完USART3_BUFF数据
{
USART3_RX_FLAG=0;
USART3_RX_CNT=0;
read_count=0;
}
return count;
}
int transport_getdatanb(void *sck, unsigned char* buf, int count)
{
return 0;
}
int transport_open(char* addr, int port)
{
return 0;
}
int transport_close(int sock)
{
return 0;
}
- transport.h
#ifndef _TRANSPORT_H_
#define _TRANSPORT_H_
#include "stm32f10x.h"
int transport_sendPacketBuffer(unsigned char* buf, int buflen);
int transport_getdata(unsigned char* buf, int count);
int transport_getdatanb(void *sck, unsigned char* buf, int count);
int transport_open(char* host, int port);
int transport_close(int sock);
#endif
5、编译查看工程是否存在错误
五、 阿里云物联网产品及设备创建
登录和创建物联网平台请查看官方文档，下面直接从控制台着手，控制台地址：https://account.aliyun.com/login/login.htm?oauth_callback=https%3A%2F%2Fiot.console.aliyun.com%2F%3Fspm%3D5176.cnlinkwan.J_8058803260.641.21022d3aDlclYO&lang=en
登录后选择“公共示例”
点击“创建产品”
输入产品信息，点击“确认”即可创建产品
点击"前往定义物模型"
点击“编辑草稿”为设备添加物模型
点击“发布上线”
创建设备，该设备为ESP8266
选择产品，输入设备名
点击“一键复制设备证书”以保存设备信息
后面激活设备会使用到这三个信息
因为我们需要手机获取温度信息，所以我们使用同样的方法创建另一个设备，然后保存设备信息。具体实现手机APP如何获取温度信息见后文。
六、ESP8266配置
由于MQTT协议是基于TCP传输层协议之上的应用层协议，所以在使用MQTT进行通信之前首先要和服务器建立TCP连接，这样我们才能通过MQTT协议连接到阿里云物联网平台。
配置总流程：测试ESP8266>>>配置WIFI工作模式为Station(终端)或AP+Station(接入点+终端)>>>重启模块>>>关闭回显>>>连接WIFI>>>设为透传模式>>>建立TCP连接>>>开启透传>>>使用MQTT协议进行通信
注：ESP-12F的固件是标准的AT指令，在给ESP8266发送指令时，要在指令最后加上"\r\n"结束符
1、测试ESP8266模块
指令：“AT\r\n”
测试成功则返回"OK"
2、配置WIFI工作模式
指令：“AT+CWMODE=1\r\n”
配置成功则返回"OK"
3、重启WIFI模块
指令：“AT+RST\r\n”
发送指令后需等待几秒钟，等ESP8266复位完成
4、关闭回显
指令：“ATE0\r\n”
配置成功返回"OK"
5、连接WIFI
指令：“AT+CWJAP=“ssid”,“pass”\r\n”
其中ssid为WIFI名称，pass为WIFI密码
配置成功返回"OK"
6、设为透传模式
指令：“AT+CIPMODE=1\r\n”
配置成功返回"OK"
7、建立TCP连接
指令：“AT+CIPSTART=“TCP”,“ip”,port\r\n”
其中ip为服务器ip，这里为a1LuysWJE8a.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com
port为固定的1883
格式参考
配置成功返回"CONNECT OK "
注：当连接成功后必须10S中之内通过MQTT协议登录到阿里云物联网平台，否则服务器会主动断开。
6、开启透传
指令：“AT+CIPSEND\r\n”
当模块返回">“时，此时进入透传模式，发送的所有数据都被视为是数据，当单独发送一包数据中含有”+++"时，模块会退出透传模式
通过以上步骤后，此时可以通过MQTT协议和服务器进行通信
七、核心代码
1、 aliyun_mqtt.c
#include "aliyun_mqtt.h"
#include "MQTTPacket.h"
#include "transport.h"
#include "string.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
u8 mqtt_buf[MQTT_MAX_BUFF];
u16 rx_cnt=0;
u8 MQTT_Connect(char *client_id,char *user_name,char *password,u16 keep_alive)
{
MQTTPacket_connectData data = MQTTPacket_connectData_initializer;
data.clientID.cstring =client_id;//客户端ID
data.keepAliveInterval = keep_alive;//保活时间
data.cleansession = 1;//清除会话
data.username.cstring = user_name;//用户名
data.password.cstring = password;//密码
u16 send_len=MQTTSerialize_connect(mqtt_buf,MQTT_MAX_BUFF,&data);//序列化连接数据报
transport_sendPacketBuffer(mqtt_buf,send_len);//向服务器发送连接数据报
memset(mqtt_buf,0,MQTT_MAX_BUFF);
if (MQTTPacket_read(mqtt_buf, MQTT_MAX_BUFF, transport_getdata) == CONNACK)
{
unsigned char sessionPresent, connack_rc;
if (MQTTDeserialize_connack(&sessionPresent, &connack_rc, mqtt_buf, MQTT_MAX_BUFF) != 1 || connack_rc != 0)//反序列化CONNACK报文
{
return 1;//接收报文类型正确,但连接失败
}
}
else return 1;//接收报文类型错误
return 0;
}
void MQTT_Disconnect(void)
{
u16 send_len=MQTTSerialize_disconnect(mqtt_buf, MQTT_MAX_BUFF);
transport_sendPacketBuffer(mqtt_buf,send_len);//向服务器发送断开连接数据报
memset(mqtt_buf,0,MQTT_MAX_BUFF);
send_len=MQTTSerialize_disconnect(mqtt_buf, MQTT_MAX_BUFF);
transport_sendPacketBuffer(mqtt_buf,send_len);//向服务器发送断开连接数据报
memset(mqtt_buf,0,MQTT_MAX_BUFF);
}
u8 MQTT_Subscribe_Topic(char *sub_topic,int req_qos,int msgid)
{
MQTTString topicString = MQTTString_initializer;
topicString.cstring = sub_topic;
u16 send_len = MQTTSerialize_subscribe(mqtt_buf, MQTT_MAX_BUFF, 0, msgid, 1, &topicString, &req_qos);//序列化订阅数据报
transport_sendPacketBuffer(mqtt_buf,send_len);//向服务器发送订阅数据报
memset(mqtt_buf,0,MQTT_MAX_BUFF);
if(MQTTPacket_read(mqtt_buf,MQTT_MAX_BUFF, transport_getdata) == SUBACK)//判断是否是SUBACK报文
{
unsigned short submsgid;
int subcount;
int granted_qos;
u8 rc=MQTTDeserialize_suback(&submsgid, 1, &subcount, &granted_qos, mqtt_buf, MQTT_MAX_BUFF);//反序列化SUBACK报文
if(!rc || submsgid!=msgid || granted_qos==0x80) return 1;接收报文类型正确,但订阅失败
}
else return 1;//接收报文类型错误
return 0;
}
u8 MQTT_Unsubscribe_Topic(char *unsub_topic,int msgid)
{
MQTTString topicString = MQTTString_initializer;
topicString.cstring = unsub_topic;
u16 send_len = MQTTSerialize_unsubscribe(mqtt_buf,MQTT_MAX_BUFF, 0, msgid,1, &topicString);//序列化取消订阅数据报
transport_sendPacketBuffer(mqtt_buf,send_len);//向服务器发送取消订阅数据报
memset(mqtt_buf,0,MQTT_MAX_BUFF);
if(MQTTPacket_read(mqtt_buf,MQTT_MAX_BUFF, transport_getdata) == UNSUBACK)//判断是否是UNSUBACK报文
{
unsigned short unsubmsgid;
u8 rc=MQTTDeserialize_unsuback(&unsubmsgid,mqtt_buf,MQTT_MAX_BUFF);//反序列化UNSUBACK报文
if(!rc || unsubmsgid!=msgid ) return 1;接收报文类型正确,但取消订阅失败
}
else return 1;//接收报文类型错误
return 0;
}
u8 MQTT_Publish(char *pub_topic, unsigned char* payload)
{
MQTTString topicString = MQTTString_initializer;
topicString.cstring = pub_topic;
u16 send_len = MQTTSerialize_publish(mqtt_buf,MQTT_MAX_BUFF,0,0,0,0,topicString, payload, strlen((const char*)payload));//序列化发布数据报
transport_sendPacketBuffer(mqtt_buf,send_len);//向服务器发送发布数据报
memset(mqtt_buf,0,MQTT_MAX_BUFF);
return 0;
}
u8 MQTT_Heart_Send(void)
{
u16 send_len=MQTTSerialize_pingreq(mqtt_buf,MQTT_MAX_BUFF);
transport_sendPacketBuffer(mqtt_buf,send_len);//向服务器发送PING数据报
memset(mqtt_buf,0,MQTT_MAX_BUFF);
if(MQTTPacket_read(mqtt_buf,MQTT_MAX_BUFF, transport_getdata) != PINGRESP)//判断是否是PINGRESP报文
{
return 1;//接收报文类型错误
}
return 0;
}
2、aliyun_mqtt.h
#ifndef _ALIYUN_MQTT_H_
#define _ALIYUN_MQTT_H_
#include "stm32f10x.h"
#define Aliyun_Client_ID "ESP8266|securemode=3,signmethod=hmacsha1|"
#define Aliyun_UserName "ESP8266&a1LuysWJE8a"
#define Aliyun_password "853545d20890aa6a55a80a7cccb3d2d41c46dcb9"
#define Aliyun_Pub_Topic "/sys/a1LuysWJE8a/ESP8266/thing/event/property/post"
#define Aliyun_Sub_Topic "/sys/a1LuysWJE8a/ESP8266/thing/service/property/set"
#define Aliyun_Server_IP "a1LuysWJE8a.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com"
#define Aliyun_Server_Port 1883
#define MQTT_MAX_BUFF 512
enum REQ_QoS
{
REQ_QoS_0=0,
REQ_QoS_1,
REQ_QoS_2
};
u8 MQTT_Connect(char *client_id,char *user_name,char *password,u16 keep_alive);
void MQTT_Disconnect(void);
u8 MQTT_Subscribe_Topic(char *topic,int req_qos,int msgid);
u8 MQTT_Unsubscribe_Topic(char *topic,int msgid);
u8 MQTT_Publish(char *pub_topic, unsigned char* payload);
u8 MQTT_Heart_Send(void);
#endif
3、main.c
#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "beep.h"
#include "key.h"
#include "usart.h"
#include 注意：需要在aliyun_mqtt.h中替换Aliyun_Client_ID、Aliyun_UserName、Aliyun_password三个宏以及订阅和发布的Topic
- 替换aliyun_mqtt.h中的Aliyun_Client_ID宏的值，格式如下
- 替换aliyun_mqtt.h中的Aliyun_UserName宏的值，格式如下
- 替换aliyun_mqtt.h中的Aliyun_password宏的值，格式如下
clientId{DeviceName}deviceName{DeviceName}productKey{ProductKey}
其中{DeviceName}、{ProductKey}为创建设备时生成的三元组信息
{DeviceName}为设备名，{ProductKey}为产品秘钥
最终的Aliyun_password的值还需将上述文本进行一次hmacsha1加密
在线加密网站：http://encode.chahuo.com/
加密的密钥为设备秘钥： {DeviceSecret}
加密后的密码如下
复制加密后的密码到工程
在这里也可以使用官方的生成工具：阿里云MQTT Password生成工具，实测有效。
- 订阅和发布的Topic查找
替换aliyun_mqtt.h中对应的Topic
八、设备上线
烧录代码后可以在控制台中看到设备已经上线
- 点击“查看”，再点击“物模型数据”即可看到ESP8266上传的温度数据
九、手机APP获取温度数据
手机APP获取温度数据的方式是通过物联网平台中的数据流转功能，手机APP中也是采用MQTT协议连接到阿里云物联网平台的
1、数据流转
数据流转是指当前有两个设备，需要实现一个设备（手机）和另一个设备（ESP8266）之间的数据共享。则手机需要订阅“/sys/a1LuysWJE8a/Android /thing/service/property/set”这个主题，而ESP8266将温度数据发布到“/sys/a1LuysWJE8a/ESP8266/thing/event/property/post”这个主题下，然后通过数据流转功能转将ESP8266发布到主题的数据流转到手机订阅的Topic下，这样就可以实现手机获取ESP8266上传的温度数据。
2、数据流转实现
首先打开物联网控制台，操作如下
填写需要流转的数据，这里进行一下过滤，这里只要是物模型上报的数据都会被流转，而我们只需要温度物模型数据。或者不进行过滤，在手机端进行数据解析时抛弃不需要的数据即可。
添加要流转的操作
设置如下
点击确定后返回主界面
启动数据流转规则
启动成功后如下
手机客户端接收流转数据
十、代码调试注意事项及方法
1、设备保活
在MQTT协议中，在连接MQTT服务器时会设置一个保活时间，如果在这个保活时间内客户端没有给MQTT服务器发送数据，则MQTT服务器会主动断开连接，所以在给定的保活时间内必须发送至少一条消息到MQTT服务器，以保证持续连接。阿里云官方给出的文档中保活时间的取值范围为30~1200s，如果保活时间不在这个范围内，则MQTT服务器会拒绝连接，这个非常重要，保活时间必须在这个范围内。
2、关于串口助手无法打印接收数据中含有"0x00"数据的解决办法
在串口接收MQTT服务器返回的响应报文中会含有"0x00"的数据，而由于‘\0’对应的ASCII值为0x00，故不能使用字符串辅助函数(如printf()、strlen())对接收的数据进行处理，因为这些函数都是检测到’\0’时会结束操作，所以会造成’0x00’后面的数据都无法打印出来
建议采用wireshark抓包查看原始数据进行代码调试
如下图所示：
例如:服务器返回SUBACK报文时，通过wireshark抓包工具查看到MQTT服务器返回的SUBACK报文数据是"0x90 0x03 0x00 0x01 0x01"
而通过printf(“%s”)方法打印mqtt_buff里面数据时不能完全打印出来
如果需要打印出“0x00”及之后的数据，则可以使用以下方法打印
for(u8 i=0;i<rec_len;i++)
{
printf("%c",mqtt_buff[i]);
}
此时可以打印出服务器返回的完整数据报文
3、通过wireshark网络抓包工具调试代码
通过网络抓包工具可以很清楚的看到客户端和服务器通过MQTT通信的数据报，比串口调试助手更加可靠直观，也便于学习MQTT协议。
这里我是用笔记本开热点，然后ESP8266连接这个热点，这样我们就可以抓取数据报了
使用方法：
双击活动的网卡
在过滤规则栏中输入"mqtt",即可过滤出使用MQTT协议通信的数据报
这里可以看到客户端向MQTT服务器发送的连接报文
服务器返回的CONNACK报文
十一、说明
说明：所发布工程只完成了基本的MQTT通信部分，可能会存在一些bug，如有发现可以评论或私信告诉我，其他应用功能还需要自己根据实际需要进行更改。
如教程中存在错误，欢迎在评论区指正！