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STM32+ESP8266+MQTT协议连接OneNet物联网平台

2022-07-22 09:18:00 【InfoQ】

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。

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(&quot;当前时间(秒):%ld\n&quot;,time_sec);
 printf(&quot;加30天的时间(秒):%ld\n&quot;,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 &quot;mqtt.h&quot;

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(&quot;%#x &quot;,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 &quot;stm32f10x.h&quot;
#include &quot;string.h&quot;
#include &quot;stdio.h&quot;
#include &quot;stdlib.h&quot;
#include &quot;stdarg.h&quot;
#include &quot;delay.h&quot;
#include &quot;usart.h&quot;

#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 &quot;stm32f10x.h&quot;
#include &quot;led.h&quot;
#include &quot;delay.h&quot;
#include &quot;key.h&quot;
#include &quot;usart.h&quot;
#include <string.h>
#include &quot;timer.h&quot;
#include &quot;esp8266.h&quot;
#include &quot;mqtt.h&quot;

/*
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 &quot;mq2&quot;
#define MQTT_UserName &quot;361594&quot;

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

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

//格式: $sys/{产品ID}/{设备名称}/dp/post/json
#define POST_TOPIC &quot;$sys/361594/mq2/dp/post/json&quot; //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(&quot;正在初始化WIFI请稍等.\n&quot;);
 if(ESP8266_Init())
 {
 USART1_Printf(&quot;ESP8266硬件检测错误.\n&quot;); 
 }
 else
 {
 //加密端口
 //USART1_Printf(&quot;WIFI:%d\n&quot;,ESP8266_STA_TCP_Client_Mode(&quot;OnePlus5T&quot;,&quot;1126626497&quot;,&quot;183.230.40.16&quot;,8883,1));
 
 //非加密端口
 USART1_Printf(&quot;WIFI:%d\n&quot;,ESP8266_STA_TCP_Client_Mode(&quot;OnePlus5T&quot;,&quot;1126626497&quot;,&quot;183.230.40.96&quot;,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(&quot;OneNet服务器连接失败,正在重试...\n&quot;);
 delay_ms(500);
 }
 USART1_Printf(&quot;OneNet服务器连接成功.\n&quot;);
 
 //3. 订阅主题
 if(MQTT_SubscribeTopic(SET_TOPIC,0,1))
 {
 USART1_Printf(&quot;主题订阅失败.\n&quot;);
 }
 else
 {
 USART1_Printf(&quot;主题订阅成功.\n&quot;);
 } 
 
 while(1)
 { 
 key=KEY_Scan(0);
 if(key==2)
 {
 time_cnt=0;
 sprintf(mqtt_message,&quot;{\&quot;id\&quot;:1,\&quot;dp\&quot;:{\&quot;mq2\&quot;:[{\&quot;v\&quot;:50}]}}&quot;);
 MQTT_PublishData(POST_TOPIC,mqtt_message,0);
 USART1_Printf(&quot;发送状态1\r\n&quot;);
 }
 else if(key==3)
 {
 time_cnt=0;
 sprintf(mqtt_message,&quot;{\&quot;id\&quot;:1,\&quot;dp\&quot;:{\&quot;mq2\&quot;:[{\&quot;v\&quot;:80}]}}&quot;);
 MQTT_PublishData(POST_TOPIC,mqtt_message,0);
 USART1_Printf(&quot;发送状态0\r\n&quot;);
 } 

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