【ESP32】ESP32与MQTT通信：实现传感器数据监测与设备控制

1 项目概览

本项目实现了以下功能：

• 通过ESP32读取光敏传感器的光照强度和倾斜传感器的状态
• 使用MQTT协议将传感器数据发布到服务器
• 接收服务器的控制命令，远程控制ESP32上的LED
  

2 硬件组成

• ESP32开发板：具备WiFi功能的微控制器
• 光敏传感器：连接到ESP32的模拟引脚(GPIO34)
• 倾斜传感器：连接到ESP32的数字引脚(GPIO5)
• LED指示灯：使用ESP32的内置LED(GPIO2)

3 MQTT协议解析

MQTT协议简介

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)是一种轻量级的发布/订阅消息传输协议，专为资源受限设备和低带宽、高延迟网络设计。它具有以下特点：

1. 轻量级：最小化网络带宽占用，适合IoT设备
2. 发布/订阅模式：解耦消息发送者和接收者
3. 可靠性：提供三种服务质量等级(QoS)
4. 简单实现：易于集成到各种设备和平台

MQTT核心概念

1. 发布者(Publisher)：发送消息的客户端
2. 订阅者(Subscriber)：接收消息的客户端
3. 代理(Broker)：中心服务器，负责接收、过滤和分发消息
4. 主题(Topic)：消息的路由路径，采用层级结构
5. 服务质量(QoS)：消息传递的可靠性保证

本项目中的MQTT应用

在代码中，ESP32作为MQTT客户端既是发布者也是订阅者：

发布者角色：

• 将光敏传感器值发布到aovalue主题
• 将倾斜传感器状态发布到dovalue主题

订阅者角色：

• 订阅switch主题接收LED控制命令

4 MQTT Broker选择

EMQX Broker

在本项目中，我们使用了安装在本地服务器(192.168.3.32)上的EMQX Broker。

特点：

• 开源、高性能的分布式MQTT消息服务器
• 支持百万级并发连接
• 完全支持MQTT 5.0和3.1.1协议
• 提供丰富的插件系统和扩展能力
• 内置WebSocket支持，便于Web应用集成
• 提供详细的监控指标和可视化管理界面

安装方法：

# Docker安装（推荐）
docker pull emqx/emqx:latest
docker run -d --name emqx -p 1883:1883 -p 8083:8083 -p 8883:8883 -p 8084:8084 -p 18083:18083 emqx/emqx:latest

# Debian/Ubuntu
curl -s https://assets.emqx.com/scripts/install-emqx-deb.sh | sudo bash
sudo apt-get install emqx

# CentOS/RHEL
curl -s https://assets.emqx.com/scripts/install-emqx-rpm.sh | sudo bash
sudo yum install emqx

基本配置：
通过访问http://localhost:18083（默认用户名和密码：admin/public）进行管理界面配置。

其他常用MQTT Broker

Mosquitto/HiveMQ/AWS IoT Cor

5 代码解析

初始化与配置

const char* mqtt_server = "192.168.*.32";  // MQTT服务器IP地址

// 定义引脚
const int ledPin = 2;        // LED引脚
const int lightSensorPin = 34; // 光敏传感器的模拟引脚
const int tiltSensorPin = 5;  // 倾斜传感器的数字引脚

WiFiClient espClient;                // 创建WiFi客户端
PubSubClient client(espClient);      // 创建MQTT客户端

MQTT消息处理

void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  // 将接收到的消息转换为字符串
  String message;
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    message += (char)payload[i];
  }
  
  // 判断主题是否为"switch"
  if (String(topic) == "switch") {
    // 根据消息内容控制LED
    if (message == "ON") {
      digitalWrite(ledPin, HIGH);
    } 
    else if (message == "OFF") {
      digitalWrite(ledPin, LOW);
    }
  }
}

发布传感器数据

// 每隔指定时间发布一次数据
if (now - lastMsg > publishInterval) {
  lastMsg = now;
  
  // 读取光敏传感器模拟值
  int lightValue = analogRead(lightSensorPin);
  
  // 读取倾斜传感器数字状态
  int tiltState = digitalRead(tiltSensorPin);
  
  // 发布光敏数据
  char lightStr[10];
  sprintf(lightStr, "%d", lightValue);
  client.publish("aovalue", lightStr);
  
  // 发布倾斜状态
  char tiltStr[2];
  sprintf(tiltStr, "%d", tiltState);
  client.publish("dovalue", tiltStr);
}

6 MQTT话题TOPIC设计

本项目使用了三个TOPIC：

1. aovalue：模拟输出值(Analog Output Value)

   • 用于发布光敏传感器的模拟值
   • 数值范围：0-4095

2. dovalue：数字输出值(Digital Output Value)

   • 用于发布倾斜传感器的状态
   • 数值：0或1

3. switch：控制指令

   • 用于接收LED控制命令
   • 有效值：“ON"或"OFF”

这种主题设计简单明确，适合小型项目。在大型项目中，EMQX支持更复杂的主题结构和通配符订阅，如：

device/{deviceID}/{sensorType}/value
device/{deviceID}/control/{action}

7 EMQX的优势在IoT项目中的体现

1. 高性能：EMQX可处理大量并发连接，适合规模化IoT部署
2. 规则引擎：内置数据处理、转发和持久化能力
3. 认证与授权：提供多种认证方式，增强安全性
4. 丰富的监控：详细的实时监控指标，便于系统管理
5. 集群能力：支持水平扩展，满足业务增长需求
6. 多协议支持：除MQTT外，还支持CoAP、LwM2M等IoT协议
7. 数据集成：可轻松集成Kafka、数据库等后端系统

8 MQTT通信流程

1. 连接阶段：

   • ESP32连接到WiFi网络
   • 连接到EMQX Broker
   • 订阅"switch"主题

2. 发布阶段：

   • 定期读取传感器数据
   • 将数据发布到相应主题

3. 订阅处理：

   • 接收"switch"主题的消息
   • 根据消息内容控制LED状态

4. 断线重连：

   • 监测MQTT连接状态
   • 断线时自动重连并恢复订阅

9 应用场景

这个简单项目的基础技术可扩展到多种应用场景：

1. 环境监测：监测光照变化，可用于智能农业
2. 安全监控：检测设备是否被移动或倾斜
3. 家居自动化：基于环境变化自动控制设备
4. 数据收集：将传感器数据集中存储分析

10 代码原文

#include            // ESP32的WiFi库
#include    // MQTT客户端库

const char* ssid = "601B";            // WIFI名称
const char* password = "12345678";    // WIFI密码
const char* mqtt_server = "192.168.3.32";  // MQTT服务器IP地址

// 定义引脚
const int ledPin = 2;        // LED引脚，ESP32内置LED通常在引脚2
const int lightSensorPin = 34; // 光敏传感器的模拟输入引脚，根据实际连接调整
const int tiltSensorPin = 5;  // 倾斜传感器的数字输入引脚，根据实际连接调整

// 设置上次发布的时间
unsigned long lastMsg = 0;
const int publishInterval = 1000;  // 发布频率(毫秒)

WiFiClient espClient;                // 创建WiFi客户端对象
PubSubClient client(espClient);      // 创建MQTT客户端对象

// 函数用于连接WiFi网络
void setup_wifi() {
  delay(10);
  Serial.println();
  Serial.print("WIFI连接到: ");
  Serial.println(ssid);
 
  WiFi.begin(ssid, password);
 
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.print(".");
  }
 
  randomSeed(micros());
  Serial.println("");
  Serial.println("WIFI连接成功");
  Serial.println("IP地址: ");
  Serial.println(WiFi.localIP());
}
 
// 回调函数，当接收到订阅主题的消息时调用
void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  Serial.print("收到消息 [");
  Serial.print(topic);
  Serial.print("] ");
  
  // 将接收到的消息转换为字符串
  String message;
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    message += (char)payload[i];
  }
  Serial.println(message);
  
  // 判断主题是否为"switch"
  if (String(topic) == "switch") {
    // 如果消息内容为"ON"，打开LED
    if (message == "ON") {
      digitalWrite(ledPin, HIGH);
      Serial.println("LED 已打开");
    } 
    // 如果消息内容为"OFF"，关闭LED
    else if (message == "OFF") {
      digitalWrite(ledPin, LOW);
      Serial.println("LED 已关闭");
    }
  }
}
 
// 函数用于连接或重新连接到MQTT服务器
void reconnect() {
  while (!client.connected()) {
    Serial.println("正在尝试MQTT连接...");
    // 创建随机客户端ID
    String clientId = "ESP32Client-";
    clientId += String(random(0xffff), HEX);
    
    // 尝试连接
    if (client.connect(clientId.c_str())) {
      Serial.println("已连接到MQTT服务器");
      
      // 成功连接后，订阅"switch"主题以控制LED
      client.subscribe("switch");
      Serial.println("已订阅主题: switch");
    } else {
      Serial.print("连接失败, 错误码=");
      Serial.print(client.state());
      Serial.println("，5秒后重试");
      delay(5000);
    }
  }
}
 
void setup() { 
  // 初始化串口通信
  Serial.begin(115200);
  
  // 设置引脚模式
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  pinMode(tiltSensorPin, INPUT);
  
  // 初始状态：LED关闭
  digitalWrite(ledPin, LOW);
  
  // 连接WiFi
  setup_wifi();
  
  // 设置MQTT服务器和回调函数
  client.setServer(mqtt_server, 1883);
  client.setCallback(callback);
}
 
void loop() {
  // 如果与MQTT服务器断开连接，重新连接
  if (!client.connected()) {
    reconnect();
  }
  
  // 处理MQTT消息
  client.loop();
  
  // 当前时间
  unsigned long now = millis();
  
  // 每隔指定时间发布一次数据
  if (now - lastMsg > publishInterval) {
    lastMsg = now;
    
    // 读取光敏传感器数值（模拟值）
    int lightValue = analogRead(lightSensorPin);
    
    // 读取倾斜传感器状态（数字值）
    int tiltState = digitalRead(tiltSensorPin);
    
    // 将光敏传感器数值转换为字符串并发布
    char lightStr[10];
    sprintf(lightStr, "%d", lightValue);
    client.publish("aovalue", lightStr);
    Serial.print("发布光敏数据: ");
    Serial.println(lightValue);
    
    // 将倾斜传感器状态转换为字符串并发布
    char tiltStr[2];
    sprintf(tiltStr, "%d", tiltState);
    client.publish("dovalue", tiltStr);
    Serial.print("发布倾斜状态: ");
    Serial.println(tiltState);
  }
}