STM32：ESP8266 + MQTT 云端与报文全解析

知识点1【MQTT的概述】

1、概述

MQTT是一种基于发布/订阅模式的轻量级应用层协议，运行在TCP/IP协议之上，专用物联网（IoT）和机器对机器（M2M）设计，其核心目标是低带宽，高延迟或不稳定网络环境下实现可靠的消息传输，尤其适用于资源受限的设备。

• 关键点

  1、基于 发布/订阅：对实时性要求不高

  2、应用层协议

  3、低带宽：轻量级传输

  4、高延迟 可靠

  5、专用 物联网 和 嵌入式 设备间通信

  6、基于TCP/IP协议基础之上

2、透传模式

透传模式：一种数据通信方式

特点：不对传输的数据进行任何解析，封装或修改。仅是将数据从一段传输到另一端。

3、回显模式

回显模式：串口通信 和 AT指令交互中 的一种基础功能。将 设备 接收到的指令原样返回给发送端。

4、心跳包

心跳包：用于 维持长连接，检测连接状态 的一种机制。功能：定期发送小型数据包，确保通信双方能够感知到对方的存活状态

知识点2【WIFI和MQTT的关系】

我接下来要介绍的是 ESP8266 与 MQTT 一起实现上云（Thingscloud）操作

1、层次不同

WIFI：物理层和数据链路层——负责设备间的无线连接，提供数据传输的通道

MQTT：应用层——定义设备间传输消息的格式

2、功能分工

WIFI：为设备提供互联网接入，确保数据能够在互联网中传输

MQTT：在已经建立的网络连接上，通过 订阅/发布 模式管理消息，实现低宽带，高延迟环境下的可靠通信。

知识点3【QoS介绍】

QoS级别	传递保证	重复风险	传输流程	适用场景
QoS 0	最多一次（At most once）	可能丢失	消息发送后不等待确认，无重试机制。	非关键数据（如周期性传感器读数）
QoS 1	至少一次（At least once）	可能重复	发送方存储消息直到收到确认（PUBACK），否则重发。	需要可靠传输但允许重复（如状态更新）
QoS 2	恰好一次（Exactly once）	无重复	四次握手（PUBREC/PUBREL/PUBCOMP），确保消息唯一性。	关键指令（如支付、设备控制）

知识点4【MQTT报文分析】

MQTT的报文类型有很多，这里我仅介绍一下比较重要的 连接报文，订阅报文，发布报文

以上报文均是由三部分组成：固定报头，可变报头，有效载荷

一、三者定义与作用

操作	定义	核心作用
连接（Connection）	客户端（如设备）与MQTT代理（Broker）建立通信链路的过程。	建立通信通道，为订阅和发布提供基础。
订阅（Subscribe）	客户端向代理注册对某个**主题（Topic）**的兴趣，声明希望接收该主题的消息。	接收特定主题的消息，实现“监听”功能。
发布（Publish）	客户端或代理向某个**主题（Topic）**发送消息，消息会被路由给所有订阅者。	传递数据，驱动系统行为（如控制指令）。

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1、连接报文：CONNECT

（1）固定报头

可变报头	功能介绍	数值
byte1	高4bits是报文类型，后4bits是保留位	0x10
byte2	剩余长度：可变报头 + 有效载荷 的字节数	…

（2）可变报头

我们这一用的协议都是 “MQTT”

byte1	协议长度的高4位	0x00
byte2	协议长度的第四位	0x04
byte3		‘M’
byte4		‘Q’
byte5		‘T’
byte6		‘T’
byte7	协议的版本号，我们是3.1.1版本对应的是4	0x04

byte8配置的是连接标志，我们单独介绍

连接标志

bit7：用户名标志

**作用：**声明 CONNECT 报文 中 是否包含用户名（在有效载荷中）

取值	功能
1	有效载荷包含用户名
0	无用户名

bit6：密码标志

**作用：**声明 CONNECT 报文 中 是否包含密码（在有效载荷中）

取值	功能
1	有效载荷中包含密码
0	无密码

bit5：遗嘱保留

**作用：**控制服务器是否将 遗嘱消息 作为保留消息存储

取值	功能
1	遗嘱消息保留在服务器，新订阅者会立即受到该消息
0	不保留

注意：仅当 bit2 = 1 （启动遗嘱）时有效

bit4 - 3：遗嘱服务质量

**作用：**定义遗嘱消息的 服务质量等级（QoS）

取值	功能
00	QoS 0（最多一次）
01	QoS 1（至少一次）
10	QoS 2（恰好一次）
11	保留值（禁止使用）

注意：仅当 bit2 = 1 （启动遗嘱）时有效

bit2：遗嘱标志

作用：声明客户端是否设置了遗嘱消息（设备 异常断线 时 触发的消息）

取值	功能
1	遗嘱消息有效
0	遗嘱消息无效

bit1：清理会话

**作用：**声明

取值	功能
1	清理会话：

    连接断开后，服务器丢弃所有订阅和未确认消息 |

| 0 | 持久会话： 服务器保留订阅和未确认消息（QOS1/2），重连恢复 |

bit0：保留位

**作用：**协议保留位，必须是0

（3）有效载荷

CONNECT的有效载荷（PAYLOAD） 包含一个或多个长度为前缀的字段，可变报头中的标志位决定是否包含这些字段

字段需要按照顺序一下出现：客户端标识符，遗嘱主题，遗嘱消息，用户名，密码

2、订阅报文：SUBSCRIBE

（1）固定报文

可变报头	功能介绍	数值
byte1	高4bits是报文类型，SUBSCRIBE的类型值是 8
后4bits是标志位，必须是 2	0x82
byte2	剩余长度：可变报头 + 有效载荷 的字节数	可变字节编程

（2）可变报文

byte1	报文标识符的高4位
byte2	报文标识符的第四位

报文标识符（Packet Identifier）：用来区别客户端对多个订阅请求的应答（SUBACK）

Packet Identifier 从1开始递增（客户端自行管理），0不可用

一般第一个订阅包使用1，切不能重复使用正在等待的ID，但是对应的 Packet Identifier 收到SUBACK后就可以再次使用该值了。

（3）有效载荷

有效载荷	功能介绍
byte1	主题长度的高8位
byte2	主题长度的低8位
byte3~N	主题名
byteN+1	服务质量等级（QoS），仅 低两bits 有效

3、发布报文：PUBLISH

（1）固定报文

可变报头	功能介绍	数值
byte1 7-4	高4bits是报文类型	0011→3
bit 3	DUP标志：0表示首次发送，1表示重发
bits 2–1	QoS等级
bit 0	保留

DUP介绍：

目的：告诉接收端：“这条消息可能是重发的副本，请不要当作全新消息去处理多次。”

一般用于QoS1模式下

在QoS2模式下，PUBLISH→PUBREC→PUBREL→PUBCOMP 任何一个阶段超时，也需要重发，也需要DUP = 1

（2）可变报文

以上是以主题名位“a/b”举例的

可变报头	功能介绍
byte1	主题名长度的高8位
byte2	主题名长度的8位
byte3-N	主题名

补充：

这里补充一下PUBACK/PUBREC/PUBCOMP

这三个都是针对于 PUBLISH 的，在不同的QoS在会有不同的流程

• QoS 0：直接 PUBLISH，不要任何 ACK
• QoS 1：PUBLISH → PUBACK
• QoS 2：PUBLISH → PUBREC → PUBREL → PUBCOMP

（3）有效载荷

要发送的应用消息内容存储在有效载荷当中

知识点4【代码演示】

代码实现是利用AT指令将 WIFI 与 服务器（安信可透传云）建立连接，MQTT层面的还没有写，每天将补充AT指令

安信可透传云的连接：

安信可透传云 V1.0

main.c

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_conf.h"
#include "rs485.h"
#include "esp8266.h"
#include "delay.h"int main(void)
{Systick_Init(72000);//优先级组的配置NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);USART1_Config(115200);USART3_Config(115200);printf("你好\\n");ESP8266_CMD_Init();while(1){	if(data_esp8266.over_flag){data_esp8266.over_flag = 0;data_esp8266.recv_size = 0;memset(data_esp8266.recv_data, 0, sizeof(data_esp8266.recv_data));}}
}

esp.h

#ifndef _ESP8266_H_
#define _ESP8266_H_
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_conf.h"
#include "string.h"
#include "delay.h"
//GPIO 与 PIN口的宏定义
//使用的是USART3  TX：PB10  RX：PB11
#define GPIO_USART3_TXRX GPIOB
#define PIN_USART3_TX GPIO_Pin_10
#define PIN_USART3_RX GPIO_Pin_11
#define WIFI_ID "11223344"
#define WIFI_PASSWORD "12345678"
#define SER_ADDR "36.137.226.30"typedef struct
{u8 recv_data[256];u16 recv_size;u8 over_flag;
}DATA_ESP8266;extern DATA_ESP8266 data_esp8266;
void ESP8266_CMD_Init(void);
void USART3_Config(u32 baud);
void USART3_SendByte(u8 data);
void USART3_SendStr(u8* data);
void USART1_IRQHandler(void);
void USART3_IRQHandler(void);
uint8_t ESP8266_SetMode(uint8_t *cmd,uint8_t *ack1,uint8_t *ack2,uint8_t count);#endif

esp.c

#include "esp8266.h"//存储 接收数据的数组DATA_ESP8266 data_esp8266 = {0};
void ESP8266_CMD_Init(void)
{char send_cmd[256]={0};printf("AT+RST......\\r\\n");
//	while(!ESP8266_SetMode("AT+RST\\r\\n","OK",NULL,10));ESP8266_SetMode("AT+RST\\r\\n","OK",NULL,10);printf("\\r\\n");Delay_ms(2000);printf("ATE0......\\r\\n");ESP8266_SetMode("AT+CWMODE=1\\r\\n","OK",NULL,10);memset(send_cmd,0,sizeof(send_cmd));printf("正在设置热点连接......\\r\\n");sprintf(send_cmd,"AT+CWJAP=\\"%s\\",\\"%s\\"\\r\\n",WIFI_ID,WIFI_PASSWORD);ESP8266_SetMode(send_cmd,"OK",NULL,500);Delay_ms(2000);memset(send_cmd,0,sizeof(send_cmd));printf("正在设置单链接......\\r\\n");ESP8266_SetMode("AT+CIPMUX=0\\r\\n","OK",NULL,10);Delay_ms(2000);memset(send_cmd,0,sizeof(send_cmd));printf("正在设置服务端连接信息......\\r\\n");sprintf(send_cmd,"AT+CIPSTART=\\"TCP\\",\\"%s\\",%d\\r\\n",SER_ADDR,35270);ESP8266_SetMode(send_cmd,"OK",NULL,50);Delay_ms(2000);memset(send_cmd,0,sizeof(send_cmd));printf("正在设置透传......\\r\\n");ESP8266_SetMode("AT+CIPMODE=1\\r\\n","OK",NULL,10);Delay_ms(2000);memset(send_cmd,0,sizeof(send_cmd));printf("连接服务器准备发送数据......\\r\\n");ESP8266_SetMode("AT+CIPSEND\\r\\n",">",NULL,10);Delay_ms(2000);
}uint8_t ESP8266_SetMode(uint8_t *cmd,uint8_t *ack1,uint8_t *ack2,uint8_t count)
{//1.发送字符串--AT指令集USART3_SendStr(cmd);//接收返回值，判断返回值是否正确if(data_esp8266.over_flag==1){//esp_revbufdata_esp8266.over_flag=0;while(count--)  //count--10{if((strstr((char *)data_esp8266.recv_data,(char *)ack1)!=NULL)||(strstr((char *)data_esp8266.recv_data,(char *)ack2)!=NULL)){Delay_ms(100);//本次AT指令发送成功printf("CMD SEND OK!!\\r\\n");return 1;}}}memset(data_esp8266.recv_data,0,sizeof(data_esp8266.recv_data));return 0;}void USART3_Config(u32 baud)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;USART_InitTypeDef USART_InitStruct;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;//时钟配置RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART3,ENABLE);//模式配置GPIO_StructInit(&GPIO_InitStruct);GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = PIN_USART3_TX;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;GPIO_Init(GPIO_USART3_TXRX,&GPIO_InitStruct);GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = PIN_USART3_RX;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIO_USART3_TXRX,&GPIO_InitStruct);//串口初始化USART_StructInit(&USART_InitStruct);USART_InitStruct.USART_BaudRate = baud;USART_InitStruct.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;USART_InitStruct.USART_Mode = USART_Mode_Tx | USART_Mode_Rx;USART_InitStruct.USART_Parity = USART_Parity_No;USART_InitStruct.USART_StopBits = USART_StopBits_1;USART_InitStruct.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;USART_Init(USART3,&USART_InitStruct);//中断使能USART_ITConfig(USART3,USART_IT_RXNE,ENABLE);USART_ITConfig(USART3,USART_IT_IDLE,ENABLE);//中断配置NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USART3_IRQn;NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x01;NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x01;NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);//串口使能USART_Cmd(USART3,ENABLE);}void USART3_SendByte(u8 data)
{USART3->DR = data;while(!USART_GetFlagStatus(USART3,USART_FLAG_TXE));
}void USART3_SendStr(u8* data)
{while(*data){USART3_SendByte(*data);data++;}while(!USART_GetFlagStatus(USART3,USART_FLAG_TC));
}void USART1_IRQHandler(void)
{u8 data;//接收中断：存储后，通过USART1发送（调试助手）if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE)){data = USART1->DR;USART3_SendByte(data);USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);}
}void USART3_IRQHandler(void)
{//接收中断：存储后，通过USART1发送（调试助手）if(USART_GetITStatus(USART3,USART_IT_RXNE)){data_esp8266.recv_data[data_esp8266.recv_size] = USART3->DR;USART1->DR = data_esp8266.recv_data[data_esp8266.recv_size++];while(!USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_TXE));USART_ClearITPendingBit(USART3,USART_IT_RXNE);}//空闲中断if(USART_GetITStatus(USART3,USART_IT_IDLE)){USART3->SR;USART3->DR;data_esp8266.over_flag = 1;//memset(data_esp8266.recv_data,0,sizeof(data_esp8266.recv_data));data_esp8266.recv_size = 0;//防止影响下一次接收USART_ClearITPendingBit(USART3, USART_IT_IDLE);}
}

结束

代码重在练习！

代码重在练习！

代码重在练习！

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