STM32 + ESP8266 + MQTT协议连接阿里云物联网平台

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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。

通过阿里云物联网服务器实现设备数据远程上传、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：阿里云登录 - 欢迎登录阿里云，安全稳定的云计算服务平台

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三、阿里云物联网服务器创建步骤

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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。

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产品名称根据自己情况填写。

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设备信息根据自己情况填写。

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下面参数根据自己情况填写。

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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。

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上传的数据可以在这里查看。

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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。

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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 
#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;i++)>

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。

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

想了解STM32+ESP8266使用MQTT协议连接OneNET 中国移动服务器的看这里：

https://blog.csdn.net/xiaolong1126626497/article/details/107385118

工程完整源码下载: https://download.csdn.net/download/xiaolong1126626497/15803494

审核编辑：符乾江