第二十二章 W55MH32 MQTT&Aliyun示例

单芯片解决方案，开启全新体验——W55MH32 高性能以太网单片机

W55MH32是WIZnet重磅推出的高性能以太网单片机，它为用户带来前所未有的集成化体验。这颗芯片将强大的组件集于一身，具体来说，一颗W55MH32内置高性能Arm® Cortex-M3核心，其主频最高可达216MHz；配备1024KB FLASH与96KB SRAM，满足存储与数据处理需求；集成TOE引擎，包含WIZnet全硬件TCP/IP协议栈、内置MAC以及PHY，拥有独立的32KB以太网收发缓存，可供8个独立硬件socket使用。如此配置，真正实现了All-in-One解决方案，为开发者提供极大便利。

在封装规格上，W55MH32 提供了两种选择：QFN100和QFN68。

W55MH32L采用QFN100封装版本，尺寸为12x12mm，其资源丰富，专为各种复杂工控场景设计。它拥有66个GPIO、3个ADC、12通道DMA、17个定时器、2个I2C、5个串口、2个SPI接口（其中1个带I2S接口复用）、1个CAN、1个USB2.0以及1个SDIO接口。如此丰富的外设资源，能够轻松应对工业控制中多样化的连接需求，无论是与各类传感器、执行器的通信，还是对复杂工业协议的支持，都能游刃有余，成为复杂工控领域的理想选择。同系列还有QFN68封装的W55MH32Q版本，该版本体积更小，仅为8x8mm，成本低，适合集成度高的网关模组等场景，软件使用方法一致。更多信息和资料请进入http://www.w5500.com/网站或者私信获取。

此外，本W55MH32支持硬件加密算法单元，WIZnet还推出TOE+SSL应用，涵盖TCP SSL、HTTP SSL以及 MQTT SSL等，为网络通信安全再添保障。

为助力开发者快速上手与深入开发，基于W55MH32L这颗芯片，WIZnet精心打造了配套开发板。开发板集成WIZ-Link芯片，借助一根USB C口数据线，就能轻松实现调试、下载以及串口打印日志等功能。开发板将所有外设全部引出，拓展功能也大幅提升，便于开发者全面评估芯片性能。

若您想获取芯片和开发板的更多详细信息，包括产品特性、技术参数以及价格等，欢迎访问官方网页：http://www.w5500.com/，我们期待与您共同探索W55MH32的无限可能。

第二十二章 W55MH32 MQTT&Aliyun示例

本篇文章，我们将详细介绍如何在W55MH32芯片上面实现MQTT协议。并通过实战例程，为大家讲解如何使用W55MH32的MQTT协议连接阿里云平台，实现与阿里云物模型的数据交互。

该例程用到的其他网络协议，例如DHCP和DNS，请参考相关章节。有关 W55MH32的初始化过程，请参考Network Install章节，这里将不再赘述。

1 MQTT简介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）是一种轻量级的、基于发布/订阅模式的消息传输协议，广泛应用于物联网（IoT）领域，尤其是在网络带宽受限、设备资源有限的环境中。它由IBM在1999年提出，主要用于远程监控和控制系统中的设备通信。MQTT协议具有低带宽、低功耗、低延迟等优点，特别适用于嵌入式系统和物联网设备的通信。

2 MQTT特点

轻量级：MQTT协议采用极简的协议头，减少了消息头的大小，适合带宽有限和计算资源有限的设备。

可靠性：MQTT支持三种服务质量（QoS）级别，能够确保数据可靠送达。

实时性：MQTT适合低延迟应用场景，消息会尽可能地实时推送到订阅者。

保留消息：MQTT支持“保留消息”功能，代理会保存最后一条发布的消息，当有新设备订阅某个主题时，代理会立即发送保留的消息。

持久会话：MQTT允许客户端在断开后恢复会话状态，断开期间的消息可以在客户端重新连接后继续接收。

3 MQTT应用场景

工业自动化：在工业环境中，生产设备、传感器、控制器等都需要进行数据交换，MQTT协议适用于在复杂的工业自动化系统中提供实时通信。

智能电网：智能电网应用中，电力设备（如变电站、智能电表、开关设备等）通过以太网与控制中心进行实时数据交换，使用MQTT协议进行远程监控和控制。

远程设备监控与管理：适用于需要远程监控和管理的设备，如远程气象站、环境监测设备等。通过MQTT协议实时获取设备的传感器数据。

4 MQTT发布/订阅模式

发布订阅模式（Publish-Subscribe Pattern）是一种消息传递模式，它将发送消息的客户端（发布者）与接收消息的客户端（订阅者）解耦，使得两者不需要建立直接的联系也不需要知道对方的存在。

MQTT发布/订阅模式的精髓在于由一个被称为代理（Broker）的中间角色负责所有消息的路由和分发工作，发布者将带有主题的消息发送给代理，订阅者则向代理订阅主题来接收感兴趣的消息。

在 MQTT中，主题和订阅无法被提前注册或创建，所以代理也无法预知某一个主题之后是否会有订阅者，以及会有多少订阅者，所以只能将消息转发给当前的订阅者，如果当前不存在任何订阅，那么消息将被直接丢弃。

MQTT发布/订阅模式有 4个主要组成部分：发布者、订阅者、代理和主题。

发布者（Publisher）：负责将消息发布到主题上，发布者一次只能向一个主题发送数据，发布者发布消息时也无需关心订阅者是否在线。

订阅者（Subscriber）：订阅者通过订阅主题接收消息，且可一次订阅多个主题。

代理（Broker）：负责接收发布者的消息，并将消息转发至符合条件的订阅者。另外，代理也需要负责处理客户端发起的连接、断开连接、订阅、取消订阅等请求。

主题（Topic）：主题是 MQTT进行消息路由的基础，它类似 URL路径，使用斜杠 /进行分层，比如sensor/1/temperature。一个主题可以有多个订阅者，代理会将该主题下的消息转发给所有订阅者；一个主题也可以有多个发布者，代理将按照消息到达的顺序转发。

MQTT协议的通信流程如下图：

5 MQTT QoS详解

QoS 0：消息最多传递一次，可能会丢失，且不做重试。这是最基本的QoS级别，不保证消息的传送或顺序。

使用场景：实时传输的更新数据，如温度、湿度等，消息丢失对应用的影响较小。

QoS 1：消息至少传送一次。为了确保消息到达，发送方会重复发送消息，直到收到接收方的确认应答（PUBACK）。可能会导致消息重复接收。

使用场景：电力监测数据，或需要确保状态信息准确传输的应用场景。

QoS 2：确保消息只能被传递一次，且只传递一次。该级别保证了消息的可靠性、唯一性和顺序性。通过四次握手过程确保消息不丢失、不会重复。

适用场景：高安全要求的应用，如支付系统、重要的设备控制等，不能容忍消息重复或丢失。

6 MQTT消息

在 MQTT中，客户端可以在连接时在服务端中注册一个遗嘱消息，与普通消息类似，我们可以设置遗嘱消息的主题、有效载荷等等。当该客户端意外断开连接，服务端就会向其他订阅了相应主题的客户端发送此遗嘱消息。这些接收者也因此可以及时地采取行动。这一特性通常用于检测和响应客户端故障或掉线事件，特别适合在需要高可靠性的物联网系统和实时监控场景中使用。

有关MQTT协议的报文，可以参考：Introduction · MQTT协议中文版，本文不再赘述。

7阿里云物联网平台简介

阿里云物联网平台（Alibaba Cloud IoT Platform）是阿里云推出的一款面向物联网（IoT）行业的综合性服务平台，旨在帮助企业实现物联网设备的连接、管理、监控和数据分析等多种功能。通过该平台，企业可以将各种智能设备接入云端，并进行统一的管理和数据处理。

在设备接入上，支持 MQTT、CoAP 等多种协议，具备直连、网关代理等接入方式，能实现全球毫秒级就近接入。设备管理方面，覆盖设备全生命周期，借助设备影子保障弱网下状态一致，设备可灵活转移归属。数据服务中，实现冷热存储分离，支持可视化数据解析与 EB级离线分析。监控运维能力强，提供近百项监控指标，能一键跟踪消息流转，保障 OTA升级成功率。

8阿里云物模型介绍

阿里云物模型是阿里云物联网平台（IoT Platform）提供的一种用于描述和管理设备功能的抽象模型。物模型通过定义设备的属性、服务和事件，帮助开发者统一描述设备能力，简化设备管理和数据交互流程。阿里云物模型是设备数字化管理的核心概念之一，广泛应用于智慧城市、工业物联网、智能家居等领域。

9 MQTT连接阿里云收发数据流程

1.准备阶段

注册与实名认证：用户需要在阿里云平台注册账号，并完成实名认证。

创建产品和添加物模型：登录阿里云物联网平台，创建产品并在产品下添加以下物模型功能。

创建设备：在刚刚创建的产品下创建一个设备。

2.记录参数

连接参数：在刚刚创建的设备详情页中找到MQTT连接参数。

订阅主题：/sys/ieojgBm5q2c/${deviceName}/thing/service/property/set（属性设置主题）

发布主题：/sys/ieojgBm5q2c/${deviceName}/thing/event/property/post（上报消息主题）

注意：上面两个主题中的${deviceName}需要替换成设备名。

3.连接、订阅和发布消息

接着我们可以使用上面记录的连接参数进行连接，当连接成功后，订阅上面的订阅主题。并通过发布主题上报物模型数据。

在阿里云平台，如果产品创建阶段选择的数据格式为Alink JSON格式时，接收和发送数据格式都会遵守下面这个格式：

{
    "method":"thing.event.property.post", 
    "id":"2241348", 
    "params":{
        "prop_float":1.25, 
        "prop_int16":4658, 
        "prop_bool":1
    }, 
    "version":"1.0"
}

method表示该消息的操作类型是上报设备属性事件；id：值为"2241348"，这是一个唯一的标识符；params是一个包含设备属性数据的对象用于上报物模型数据；version：值为 "1.0"，表示该消息所遵循的协议版本。

4.接收消息处理

接收消息：当接收到消息时，我们只需要按照上面的json格式进行解析，然后进行相应的处理即可。

10实现过程

接下来，我们看看在W55MH32上如何实现MQTT连接阿里云，并进行订阅、发布消息以及接收消息处理。

注意：因为本示例需要访问互联网，请确保W55MH32的网络环境及配置能够正常访问互联网。

步骤1：注册MQTT定时中断函数MilliTimer_Handler()到1ms定时器中断中

void TIM3_IRQHandler(void)
{
static uint32_t tim3_1ms_count = 0;
if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)
{
   tim3_1ms_count++;
   MilliTimer_Handler();
   if (tim3_1ms_count >= 1000)
   {
       DHCP_time_handler();
       DNS_time_handler();
       tim3_1ms_count = 0;
   }
   TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
}
}

步骤2：mqtt初始化

mqttconn mqtt_params = {
 .mqttHostUrl = "iot-06z00dbroeg8dx3.mqtt.iothub.aliyuncs.com",
 .server_ip = {
     0,
 },                                                                                             /*Define the Connection Server IP*/
 .port = 1883,                                                                                  /*Define the connection service port number*/
 .clientid = "ieojgBm5q2c.W55MH32|securemode=2,signmethod=hmacsha256,timestamp=1737098648080|", /*Define the client ID*/
 .username = "W55MH32&ieojgBm5q2c",                                                             /*Define the user name*/
 .passwd = "92c427a483f8bc09d20baf445505e319ae4d89ec94360710d23b8ab2f12c58c2",                  /*Define user passwords*/
 .pubtopic = "/sys/ieojgBm5q2c/W55MH32/thing/event/property/post",                              /*Define the publication message*/
 .subtopic = "/sys/ieojgBm5q2c/W55MH32/thing/service/property/set",                             /*Define subscription messages*/
 .pubQoS = QOS0,                                                                                /*Defines the class of service for publishing messages*/
};
/**
* @brief Initializing the MQTT client side
*
* Initialize the MQTT client side with the given parameters, including network configuration and MQTT connection parameters.
*
* @param sn socket number
* @param send_buf send buffer pointer
* @param recv_buf recv buffer pointer
*/
void mqtt_init(uint8_t sn, uint8_t *send_buf, uint8_t *recv_buf)
{
   wiz_NetInfo get_info = {0};
   wizchip_getnetinfo(&get_info);
   /* DNS parsing */
   if (do_dns(send_buf, (uint8_t *)mqtt_params.mqttHostUrl, mqtt_params.server_ip))
   {
       while (1)
       {
       }
   }
   NewNetwork(&n, sn);                                          /*Obtain network configuration information*/
   ConnectNetwork(&n, mqtt_params.server_ip, mqtt_params.port); /*Connect to the MQTT server*/
   MQTTClientInit(&c, &n, 1000, send_buf, MQTT_ETHERNET_MAX_SIZE, recv_buf, MQTT_ETHERNET_MAX_SIZE);
   data.will = willdata;
   data.willFlag = 0;                                                            /* will flag: If the will annotation bit is 0, the following will-related settings are invalid*/
   willdata.qos = mqtt_params.willQoS;                                           /* will QoS */
   willdata.topicName.lenstring.data = mqtt_params.willtopic;                    /* will topic */
   willdata.topicName.lenstring.len = strlen(willdata.topicName.lenstring.data); /* will topic len */
   willdata.message.lenstring.data = mqtt_params.willmsg;                        /* will message */
   willdata.message.lenstring.len = strlen(willdata.message.lenstring.data);     /* will message len */
   willdata.retained = 0;
   willdata.struct_version = 3;
   data.MQTTVersion = 4;
   data.clientID.cstring = mqtt_params.clientid;
   data.username.cstring = mqtt_params.username;
   data.password.cstring = mqtt_params.passwd;
   data.keepAliveInterval = 30;
   data.cleansession = 1;
}

在这个函数中，需要传入使用的socket号以及收发缓存数组。进入初始化函数后，首先会使用DNS解析MQTT服务器域名，然后进行MQTT参数初始化，将连接的参数填充到data结构体中，在这里需要注意的是，当data.willFlag=0时，则是关闭遗嘱主题功能，反之则为开启。

data结构体如下所示：

//data结构体
typedef struct
{
 /** The eyecatcher for this structure.  must be MQTC. */
 char struct_id[4];
 /** The version number of this structure.  Must be 0 */
 int struct_version;
 /** Version of MQTT to be used.  3 = 3.1 4 = 3.1.1    */
 unsigned char MQTTVersion;
 MQTTString clientID;
 unsigned short keepAliveInterval;
 unsigned char cleansession;
 unsigned char willFlag;
 MQTTPacket_willOptions will;
 MQTTString username;
 MQTTString password;
} MQTTPacket_connectData;
//willdata结构体
/**
* Defines the MQTT "Last Will and Testament" (LWT) settings for
* the connect packet.
*/
typedef struct
{
/** The eyecatcher for this structure.  must be MQTW. */
char struct_id[4];
/** The version number of this structure.  Must be 0 */
int struct_version;
/** The LWT topic to which the LWT message will be published. */
MQTTString topicName;
/** The LWT payload. */
MQTTString message;
/**
     * The retained flag for the LWT message (see MQTTAsync_message.retained).
     */
unsigned char retained;
/**
     * The quality of service setting for the LWT message (see
     * MQTTAsync_message.qos and @ref qos).
     */
char qos;
} MQTTPacket_willOptions;

步骤三：在主循环中执行do_mqtt()函数

void do_mqtt(void)
{
 uint8_t ret;
 switch (run_status)
 {
 case CONN: {
     ret = MQTTConnect(&c, &data); /* Connect to the MQTT server */
     printf("Connect to the MQTT server: %d.%d.%d.%d:%drn", mqtt_params.server_ip[0], mqtt_params.server_ip[1], mqtt_params.server_ip[2], mqtt_params.server_ip[3], mqtt_params.port);
     printf("Connected:%srnrn", ret == SUCCESSS ? "success" : "failed");
     if (ret != SUCCESSS)
     {
         run_status = ERR;
     }
     else
     {
         run_status = SUB;
     }
     break;
 }
 case SUB: {
     ret = MQTTSubscribe(&c, mqtt_params.subtopic, mqtt_params.subQoS, messageArrived); /* Subscribe to Topics */
     printf("Subscribing to %srn", mqtt_params.subtopic);
     printf("Subscribed:%srnrn", ret == SUCCESSS ? "success" : "failed");
     if (ret != SUCCESSS)
     {
         run_status = ERR;
     }
     else
     {
         run_status = PUB_MESSAGE;
     }
     break;
 }
 case PUB_MESSAGE: {
     pubmessage.qos        = QOS0;
     pubmessage.payload    = "{"id":"123","version":"1.0","params":{"CurrentTemperature":26.6,},"method":"thing.event.property.post"}";
     pubmessage.payloadlen = strlen(pubmessage.payload);
     ret                   = MQTTPublish(&c, (char *)&(mqtt_params.pubtopic), &pubmessage); /* Publish message */
     if (ret != SUCCESSS)
     {
         run_status = ERR;
     }
     else
     {
         printf("publish:%s,%srnrn", mqtt_params.pubtopic, (char *)pubmessage.payload);
         run_status = KEEPALIVE;
     }
     break;
 }
 case KEEPALIVE: {
     if (MQTTYield(&c, 30) != SUCCESSS) /* keepalive MQTT */
     {
         run_status = ERR;
     }
 }
 case RECV: {
     if (mqtt_recv_flag)
     {
         mqtt_recv_flag = 0;
         json_decode(mqtt_recv_msg);
     }
     break;
 }
 case ERR: /* Running error */
     printf("system ERROR!");
     delay_ms(1000);
     break;
 default:
     break;
 }
}

do_mqtt()函数会执行一个状态机，按照以下步骤进行工作：

CONN：执行连接操作，使用我们初始化好的参数使用MQTTConnect()函数去执行连接服务器操作，连接成功后进入订阅主题步骤。

SUB：在这一步，我们会使用MQTTSubscribe()函数订阅阿里云的物模型设置属性主题，在这个函数中，需要传入客户端结构体，订阅的主题名称，订阅的QoS等级，以及订阅主题的回调函数messageArrived()。订阅成功后进入发布消息步骤。

在收到订阅主题的消息后，会执行回调函数messageArrived()，在这里我们打印出接收到的消息主题以及消息内容，并将消息拷贝到mqtt_recv_msg数组中，具体函数内容如下：

void TIM3_IRQHandler(void)
{
static uint32_t tim3_1ms_count = 0;
if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)
{
   tim3_1ms_count++;
   MilliTimer_Handler();
   if (tim3_1ms_count >= 1000)
   {
       DHCP_time_handler();
       DNS_time_handler();
       tim3_1ms_count = 0;
   }
   TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
}
}

PUB_MESSAGE：在这一步，我们会发布一个当前温度到阿里云的物模型中。成功后进入保活和接收数据部分。

KEEPALIVE和RECV：在这一步，会不断执行保活和监听接收操作，当收到数据之后，会进入json_decode()函数进行处理。

json_decode()函数主要是使用CJSON将接收到的数据进行解析，然后执行对应的操作，具体内容如下：

void TIM3_IRQHandler(void)
{
static uint32_t tim3_1ms_count = 0;
if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)
{
   tim3_1ms_count++;
   MilliTimer_Handler();
   if (tim3_1ms_count >= 1000)
   {
       DHCP_time_handler();
       DNS_time_handler();
       tim3_1ms_count = 0;
   }
   TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
}
}

11运行结果

烧录例程运行后，首先进行了PHY链路检测，然后通过DHCP打印设置网络信息，最后连接MQTT服务器进行回环测试，如下图所示：

12总结

本文讲解了如何在 W55MH32芯片上实现 MQTT协议并连接阿里云平台，通过实战例程展示了从准备工作、连接配置到消息订阅、发布及接收处理的完整过程。文章详细介绍了 MQTT协议的概念、特点、应用场景、发布 /订阅模式、QoS级别，以及阿里云物联网平台和物模型相关知识，帮助读者理解其在物联网设备与云端数据交互中的实际应用价值。

下一篇文章将讲解如何在W55MH32上实现MQTT协议并连接OneNET平台，并实现与OneNET物模型的数据交互，敬请期待！

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审核编辑 黄宇