STM32之wifi模块与MQTT模块详解

void ESP8266_Connect(const char *ssid, const char *psk)
{
    printf("ESP8266 WiFi Connect!\n");

    // 1. 发送 AT 指令，判断当前设备是否正常工作
    ESP8266_Send_AT("AT\r\n", "OK", 2000);
    systick_delay_ms(500);

    // 2. 设置当前 ESP8266 工作模式为 STA(Station) 模式
    ESP8266_Send_AT("AT+CWMODE=1\r\n", "OK", 2000);
    systick_delay_ms(500);

    // 3. 扫描当前可以连接的 AP 热点信息，包括 SSID，信号强度
    ESP8266_Send_AT("AT+CWLAP\r\n", "OK", 2000);
    systick_delay_ms(5000);

    // 4. 连接目标热点，提供 SSID 和 PSK，组装字符串时，必须将
    // AT 指令以 \r\n 结尾
    char connectCmd[128] = "";

    sprintf(connectCmd, "AT+CWJAP=\"%s\",\"%s\"\r\n", ssid, psk);
    ESP8266_Send_AT(connectCmd, "OK", 2000);
    systick_delay_ms(5000);

    // 5. 网络连接情况
    ESP8266_Send_AT("AT+CIFSR\r\n", "OK", 2000);
    systick_delay_ms(2000);
}

3.1 MQTT 概述

• 广泛用于物联网设备联网通信的传输协议，基于 TCP/IP 实现
• MQTT 区分客户端和服务器，本地 STM32 + ESP8266 + MQTT 支持，可以认为是 MQTT 的客户端，同时云平台 (ThingsCloud Onenet Aliyun) 物联网平台可以认为是 MQTT 服务器。
• MQTT 协议中，重点内容是【服务器连接】【订阅主题】【发布消息】
  • 服务器连接：当前 MQTT 客户端链接对应的 MQTT 服务器
  • 订阅主题：MQTT 服务器一旦通过指定主题下发数据，MQTT 客户端可以收到服务器下发的数据内容，可以完成设备控制，例如 LED 亮灭，舵机控制。。。
  • 发布消息：MQTT 客户端按照 MQTT 服务器要求，和云平台自定义内容，将本地数据发送到云平台。可以将传感器数据进行上传。。。
     

3.2 MQTT 相关技术内容

MQTT 技术特征：

• MQTT 版本有 5.0.0 和 3.1.1
  • 5.0.0 是最新版本，支持功能更多，使用更为方便
  • 3.1.1 是目前主流设备端使用的大面积版本，使用相对复杂。

核心特性：

1. 轻量高效
   • 协议头最小仅 2 字节，适合资源受限的设备（如传感器、嵌入式设备）。
   • 低功耗设计，适合电池供电设备。
2. 发布 / 订阅模型
   • 解耦消息生产者（Publisher）和消费者（Subscriber），通过主题（Topic）路由消息。
   • 支持一对多、多对多通信。
3. 多种服务质量（QoS）
   • QoS 0（最多一次）：消息可能丢失。
   • QoS 1（至少一次）：消息确保送达，但可能重复。
   • QoS 2（恰好一次）：消息确保送达且不重复。
4. 支持持久会话
   • 客户端可订阅持久化消息，断线重连后接收离线期间的消息（需 Broker 支持）。
5. 低协议开销
   • 基于 TCP/IP，但也可适配其他传输层（如 WebSocket、MQTT - SN 用于传感器网络）。

3.3 MQTT 控制报文结构

3.3.1 MQTT 报文组成部分

3.5.2 订阅主题数据包分析

#ifndef _MQTT_H
#define _MQTT_H

#include "stdio.h"
#include "string.h"
#include "stdlib.h"

#include "stm32f10x.h"
#include "ESP8266.h"
#include "systick.h"

//替换自己的
#define CLIENT_ID ""
#define USARNAME ""
#define PASSWORD ""
#define KEEP_ALIVE (60)

#define MQTT_SERVER_ADDR "bj-2-mqtt.iot-api.com"
#define MQTT_SERVER_PORT (1883)

#define PUBLISH_TOPIC "attributes"
#define SUBSCRIBE_TOPIC "attributes/push"

void MQTT_Config(void);
u8 MQTT_Connect_ThingsCloud(const char *protocol, const char *mqtt_addr, u16 mqtt_port);

void MQTT_Send_Connect_Package(void);
void MQTT_Send_Publish_Package(const char *topic, const char *data, u32 len);
void MQTT_Send_Subscribe_Package(const char *topic);

void MQTT_Data_Handler(u8 *buffer, u16 length);


#endif

mqtt.c:

#include "mqtt.h"

//固定头字节数
u32 fixed_header_len = 0;
//可变头子结束吧
u32 variable_header_len = 0;
//有效载荷字节数
u32 payload_len = 0;

void MQTT_Config(void){
	// TCP连接云平台
	MQTT_Connect_ThingsCloud("TCP",MQTT_SERVER_ADDR,MQTT_SERVER_PORT);
	SysTick_Delay_ms(1000);  // 延时1秒，等待连接稳定
	
	//开启ESP8266透传模式,数据不解析
	ESP8266_OpenTransparent();
	SysTick_Delay_ms(1000);
	
	//开启数据直发模式，起点是wifi模块，终点直发云服务器
	ESP8266_SendMode();
	SysTick_Delay_ms(1000);
	
	//告知MQTT平台，当前连接的用户项目是哪一个
	MQTT_Send_Connect_Package();
	SysTick_Delay_ms(1000);
	
	//发送订阅包，订阅指定的主题
	MQTT_Send_Subscribe_Package(SUBSCRIBE_TOPIC);
}

/**
 * @brief 通过TCP连接到MQTT云平台
 * @param protocol 协议类型（如"TCP"）
 * @param mqtt_addr MQTT服务器地址
 * @param mqtt_port MQTT服务器端口
 * @return 连接结果（1表示成功，0表示失败）
 */
u8 MQTT_Connect_ThingsCloud(const char *protocol,const char *mqtt_addr,u16 mqtt_port){
	// 1.定义存储AT指令的缓冲区
	char cmd_buffer[128] = "";
	
	// 2.格式化AT指令，用于建立TCP连接
	// AT+CIPSTART指令用于ESP8266建立网络连接
    sprintf(cmd_buffer, "AT+CIPSTART=\"%s\",\"%s\",%d\r\n", protocol, mqtt_addr, mqtt_port);
	//发送AT指令
	ESP8266_SendString(cmd_buffer);

	 SysTick_Delay_ms(500);  // 延时500ms，等待指令响应
    
    // 3. 检查ESP8266的响应是否包含"OK"，返回检查结果
    return ESP8266_AckCheck("OK");
}

/**
 * @brief 发送MQTT连接包（CONNECT报文）
 * @note 用于客户端与MQTT服务器建立连接，包含客户端标识、用户名、密码等信息
 */
void MQTT_Send_Connect_Package(void){
	/*
     1. 数据准备
     */
    u8 MQTT_Connect_Data[256] = "";  // 存储MQTT连接报文的缓冲区
	
		//计算客户端ID，用户名。密码的长度
		u32 client_id_len = strlen(CLIENT_ID);
		u32 username_len = strlen(USARNAME);    // 用户名长度（注：变量名可能应为USERNAME）
    u32 password_len = strlen(PASSWORD);    // 密码长度
	
		//计算各部分的长度
		fixed_header_len = 2;  //固定头部长度就是2
		variable_header_len = 10;
		//有效载荷长度
		payload_len = 2 + 2 + 2 + client_id_len + username_len + password_len;
	
		// 2. 【处理固定头】
		MQTT_Connect_Data[0] = 0x10;  // 报文类型：CONNECT(0x10)，无标志位
		// 剩余长度 = 可变头长度 + 有效载荷长度
		MQTT_Connect_Data[1] = variable_header_len + payload_len;
	
		// 3. 【处理可变头】
    // 3.1 协议名（MQTT）及其长度
    // 协议名长度为2字节（高位在前，低位在后）
		MQTT_Connect_Data[2] = strlen("MQTT") / 256;   //高字节
		MQTT_Connect_Data[3] = strlen("MQTT") % 256;    //低字节
		
		// 拷贝协议名字符串（"MQTT"）到缓冲区,四个字节
    memcpy(&MQTT_Connect_Data[4], "MQTT", strlen("MQTT"));
		
		MQTT_Connect_Data[8] = 0x04;  // 协议版本：0x04表示MQTT 3.1.1
		
		// 3.2 连接标志（Connect Flags）
    // 0xC2 = 11000010，含义：
    // - 第7位：用户名标志（1，表示有效载荷包含用户名）
    // - 第6位：密码标志（1，表示有效载荷包含密码）
    // - 第1位：清除会话标志（1，表示清除之前的会话）
    MQTT_Connect_Data[9] = 0xC2;
		
		// 3.3 保持连接时间（Keep Alive），单位为秒
    // 这里设置为60秒，分为高低两个字节存储
    MQTT_Connect_Data[10] = KEEP_ALIVE / 256;  // 高位字节
    MQTT_Connect_Data[11] = KEEP_ALIVE % 256;  // 低位字节
		
		// 4. Payload 有效载荷内容
    /* Client_ID - 客户端标识 */
    // 客户端ID长度（2字节）
		MQTT_Connect_Data[12] = client_id_len / 256;  // 高位
    MQTT_Connect_Data[13] = client_id_len % 256;  // 低位
    // 拷贝客户端ID到缓冲区
    memcpy(&MQTT_Connect_Data[14], CLIENT_ID, client_id_len);
		
		 /* Username - 用户名 */
    // 计算用户名在缓冲区中的起始位置
    u16 username_index = 14 + client_id_len;
    // 用户名长度（2字节）
    MQTT_Connect_Data[username_index] = username_len / 256;    // 高位
    MQTT_Connect_Data[username_index + 1] = username_len % 256;  // 低位
    // 拷贝用户名到缓冲区
    memcpy(&MQTT_Connect_Data[username_index + 2], USARNAME, username_len);
		
		/* Password - 密码 */
    // 计算密码在缓冲区中的起始位置
    u16 password_index = username_index + 2 + username_len;
    // 密码长度（2字节）
    MQTT_Connect_Data[password_index] = password_len / 256;    // 高位
    MQTT_Connect_Data[password_index + 1] = password_len % 256;  // 低位
    // 拷贝密码到缓冲区
    memcpy(&MQTT_Connect_Data[password_index + 2], PASSWORD, password_len);
		
		// 发送完整的MQTT连接包（固定头+可变头+有效载荷）
    ESP8266_SendBuffer(MQTT_Connect_Data, fixed_header_len + variable_header_len + payload_len);
}

/**
 * @brief 发送MQTT订阅包（SUBSCRIBE报文）
 * @param topic 要订阅的主题
 * @note 用于客户端订阅指定的主题，以接收该主题的消息
 */
void MQTT_Send_Subscribe_Package(const char *topic){
	// 1.数据准备
	u8 MQTT_Subscribe_Data[128] = "";
	u32 topic_len = strlen(topic);
	
	//计算各部分的长度
	fixed_header_len = 2;
	variable_header_len = 2;
	//有效载荷长度,主题长度 + 主题 + qos0 1个字节  
	payload_len = 2 + topic_len + 1;   
	
	// 1.固定头内容
	MQTT_Subscribe_Data[0] = 0x82;  // 报文类型：SUBSCRIBE(0x80)，标志位0x02
	//剩余长度 = 可变头长度 + 有效
	 MQTT_Subscribe_Data[1] = variable_header_len + payload_len;
	
		// 2. 可变头 - 消息ID（用于匹配订阅确认）由于是qos0，这两个字节随便填
    MQTT_Subscribe_Data[2] = 0x00;  // 消息ID高位
    MQTT_Subscribe_Data[3] = 0x08;  // 消息ID低位（此处固定为0x0008）
	
	// 3. 有效载荷
    // 主题长度（2字节）
    MQTT_Subscribe_Data[4] = topic_len / 256;  // 高位
    MQTT_Subscribe_Data[5] = topic_len % 256;  // 低位
    // 拷贝主题到缓冲区
    memcpy(&MQTT_Subscribe_Data[6], topic, topic_len);
    // QoS等级（0x00表示QoS 0，最多一次交付）
    MQTT_Subscribe_Data[6 + topic_len] = 0x00;
		
		
		// 发送完整的订阅包
    ESP8266_SendBuffer(MQTT_Subscribe_Data, fixed_header_len + variable_header_len + payload_len);
}

/**
 * @brief 发送MQTT发布包（PUBLISH报文）
 * @param topic 发布消息的主题
 * @param data 要发布的数据内容
 * @param len 数据内容的长度
 * @note 用于客户端向指定主题发布消息
 */
void MQTT_Send_Publish_Package(const char *topic, const char *data, u32 len)
{
    // 1. 数据准备
    u8 MQTT_Publish_Data[128] = "";  // 存储发布报文的缓冲区
    u32 topic_len = strlen(topic);   // 发布主题的长度
    
    // 计算各部分长度
    fixed_header_len = 2;  // 固定头长度为2字节
    variable_header_len = 2 + topic_len;  // 可变头长度 = 主题长度(2字节) + 主题内容长度
    payload_len = len;  // 有效载荷长度为数据长度
    
    // 2. 固定头内容
    MQTT_Publish_Data[0] = 0x30;  // 报文类型：PUBLISH(0x30)，标志位0x00（QoS 0）
    // 剩余长度 = 可变头长度 + 有效载荷长度
    MQTT_Publish_Data[1] = variable_header_len + payload_len;
    
    // 3. 可变头 - 主题相关信息
    // 主题长度（2字节）
    MQTT_Publish_Data[2] = topic_len / 256;  // 高位
    MQTT_Publish_Data[3] = topic_len % 256;  // 低位
    // 拷贝主题到缓冲区
    memcpy(&MQTT_Publish_Data[4], topic, topic_len);
    
    // 4. 有效载荷 - 发布的数据内容
    memcpy(&MQTT_Publish_Data[4 + topic_len], data, len);
    
    // 发送完整的发布包
    ESP8266_SendBuffer(MQTT_Publish_Data, fixed_header_len + variable_header_len + payload_len);
}