#物联网征文# STM32+ESP8266+MQTT协议连接阿里云物联网平台 原创 精华
DS小龙哥
发布于 2022-8-3 09:26
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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。
阿里云物联网平台提供安全可靠的设备连接通信能力，支持设备数据采集上云，规则引擎流转数据和云端数据下发设备端。此外，也提供方便快捷的设备管理能力，支持物模型定义，数据结构化存储，和远程调试、监控、运维。
阿里云物联网平台是一个集成了设备管理、数据安全通信和消息订阅等能力的一体化平台。向下支持连接海量设备，采集设备数据上云；向上提供云端API，服务端可通过调用云端API将指令下发至设备端，实现远程控制。
二、实现功能
接下来通过阿里云物联网服务器实现STM32+ESP8266设备数据远程上传、下发，实现数据交互。
在当前使用的开发板上有4盏LED灯、一个蜂鸣器、4个按键。
实现步骤阿里云官方提供了很详细的文档和对应的SDK，可以参考一下。
文档地址：https://iot.console.aliyun.com/lk/document)
三、阿里云物联网服务器创建步骤
说明：如果没有账号的话，先点击网页右上角，注册一个账号，并完成实名认证再继续下一步。
产品名称根据自己情况填写。
设备信息根据自己情况填写。
下面参数根据自己情况填写。
四、向服务器上传的数据效果
完成网页端服务器的创建之后，下面使用STM32开发板按下按键通过ESP8266将烟雾传感器数据上传到阿里云服务器。
如果连接成功的话，网页会显示在线状态。
上传的数据可以在这里查看。
五、STM32端的MQTT协议核心代码
代码是标准的MQTT协议代码，实现过程可以参考MQTT协议官方文档。
5.1 mqtt.c代码
#include "aliyun_mqtt.h"
char MQTT_ClientID[100]; //MQTT_客户端ID
char MQTT_UserName[100]; //MQTT_用户名
char MQTT_PassWord[100]; //MQTT_密码
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};
/*
函数功能: 初始化阿里云物联网服务器的登录参数
*/
//密码
//clientId*deviceName*productKey#
// *替换为DeviceName #替换为ProductKey 加密密钥是DeviceSecret 加密方式是HmacSHA1
//PassWord明文=clientIdmq2_iotdeviceNamemq2_iotproductKeya1WLC5GuOfx
//hmacsha1加密网站：http://encode.chahuo.com/
//加密的密钥：DeviceSecret
void Aliyun_LoginInit(char *ProductKey,char *DeviceName,char *DeviceSecret)
{
sprintf(MQTT_ClientID,"%s|securemode=3,signmethod=hmacsha1|",DeviceName);
sprintf(MQTT_UserName,"%s&%s",DeviceName,ProductKey);
sprintf(MQTT_PassWord,"%s","ebc042f42a9d73ba9ead8456b652e7756895b79d");
}
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
//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
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;
}
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)
{
USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\0';
sprintf((char *)mqtt_rxbuf,"%s",USART3_RX_BUFFER);
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++] = 0x01; //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)
{
USART3_RX_BUFFER[USART3_RX_CNT]='\0';
strcpy((char *)mqtt_rxbuf,(char*)USART3_RX_BUFFER);
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);
}
5.2 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))
extern char MQTT_ClientID[100]; //MQTT_客户端ID
extern char MQTT_UserName[100]; //MQTT_用户名
extern char MQTT_PassWord[100]; //MQTT_密码
//阿里云用户名初始化
void Aliyun_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
5.3 main.c代码
#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "usart.h"
#include <string.h>
#include "timer.h"
#include "bluetooth.h"
#include "esp8266.h"
#include "aliyun_mqtt.h"
//阿里云物联网服务器的设备证书
#define ProductKey "a1GLM2BFQK0"
#define DeviceName "iot_mq2"
#define DeviceSecret "caa5b2684101072f3dfe0f04688e0a7f"
//订阅与发布的主题
#define SET_TOPIC "/sys/a1GLM2BFQK0/iot_mq2/thing/service/property/set"
#define POST_TOPIC "/sys/a1GLM2BFQK0/iot_mq2/thing/event/property/post"
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
USART2_Init(9600);//串口-蓝牙
TIMER2_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
{
USART1_Printf("WIFI:%d\n",ESP8266_STA_TCP_Client_Mode("ChinaNet-wbyq","12345678","a1WLC5GuOfx.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com",1883,1));
}
//1. 初始化阿里云登录参数
Aliyun_LoginInit(ProductKey,DeviceName,DeviceSecret);
//2. MQTT协议初始化
MQTT_Init();
//3. 连接阿里云服务器
while(MQTT_Connect(MQTT_ClientID,MQTT_UserName,MQTT_PassWord))
{
USART1_Printf("阿里云服务器连接失败,正在重试...\n");
delay_ms(500);
}
USART1_Printf("阿里云服务器连接成功.\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,"{\"method\":\"thing.event.property.post\",\"id\":\"0000000001\",\"params\":{\"mq2\":55},\"version\":\"1.0.0\"}");
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,"{\"method\":\"thing.event.property.post\",\"id\":\"0000000001\",\"params\":{\"mq2\":66},\"version\":\"1.0.0\"}");
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;
}
}
}
六、代码参数解释
6.1 设备证书与发布订阅主题
设备证书在创建设备时保存过，如果没有保存可以在下面的页面里查看对应的值。
订阅的主题在下面页面可以看到。
SET,GET,POST,ERR。 SET 用于设置（一般由单片机端使用）， GET 用于获取（一般由 APP 端使用）， Post 用于回复机制， ERR 用于错误。
作为单片机端用的最多的两个 TOPIC 就是 SET 与 POST
6.2 MQTT登录的密码、ID、用户名、端口号、域名
MQTT标准的3个参数格式在官方文档有介绍：使用MQTT.fx接入物联网平台 - 阿里云物联网平台 - 阿里云
密码的组成格式：
clientId*deviceName*productKey#
其中: *替换为DeviceName #替换为ProductKey 加密密钥是DeviceSecret 加密方式是HmacSHA1
PassWord明文=clientIdmq2_iotdeviceNamemq2_iotproductKeya1WLC5GuOfx
hmacsha1加密网站：http://encode.chahuo.com/
加密的密钥：DeviceSecret
6.3 上传数据
这是上传数据的格式：
第一个参数是 method：后面所跟的参数可以由物模型看到。
第二个参数id : 因为云端会连接很多个用户，所以他所下发的数据会有一个ID 编号，我们这里任意值都行，我用的 0000000001，这里有要注意的，这个 ID 是多少不重要但是位数一定不能少。
第三个是 params：表示上传的具体数据，根据自己云端订阅的类型上传。
第四个是版本号：可以根据自己实际版本填。
7. 总结
这篇文章介绍阿里云物联网平台的基本使用流程，创建产品、创建设备，利用MQTT客户端登录模拟进行数据传输，最终利用STM32+ESP8266连接阿里云物联网平台，完成数据传输。
【本文正在参加物联网有奖征文活动】，活动链接:https://ost.51cto.com/posts/14758
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已于2022-8-3 09:27:41修改
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