物联网的实现：Arduino UNO R4 WIFI + MQTTX

一、写在前面

Arduino UNO R4 WIFI（简称“UNO R4”）是一款带有R7FA4M1芯片和ESP32芯片的开发板，在UNO R3的基础上，添加了联网和点阵屏的功能。

由于UNO R4的使用与UNO R3基本相同，最主要的区别是联网功能。在ESP32芯片的支持下，UNO R4可以更好地用于物联网教育。

二、物联网

1.物联网的概念

物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装备对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。

2.物联网的技术特征

全面感知：利用无线射频识别、传感器、定位器和二维码等手段，随时随地对物体进行信息采集和获取。

可靠传递：通过各种网络，对接收到的物体信息进行实时且准确的远程传送，实现信息的交互和共享，并进行各种有效的处理。

智能处理：通过各种网络，对接收到的物体信息进行实时且准确的远程传送，实现信息的交互和共享，并进行各种有效的处理。

3.物联网的组成结构

感知层：感知层实现对物理世界的智能感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将物理实体连接到网络层和应用层。

网络层：网络层主要实现信息的传递、路由和控制，包括延伸网、接入网和核心网，网络层可依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专用通信网络。

应用层：应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用。应用基础设施/中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、能力及资源调用接口，以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。

三、Arduino UNO R4 WIFI

上图为本教程使用的Arduino UNO R4 WIFI（意大利原版），详见以下网址。

Arduino® UNO R4 WiFi — Arduino Online ShopThe Arduino UNO R4 WiFi combines the processing power and exciting new peripherals of the RA4M1 microcontroller from Renesas with the wireless connectivity power of the ESP32-S3 from Espressif. On top of this, the UNO R4 WiFi offers an on-board 12x8 LED matrix, Qwiic connector, VRTC, and OFF pin, covering all potentialhttps://store-usa.arduino.cc/products/uno-r4-wifi芯片的完整型号为R7FA4M1AB3CFM，ESP32模组的完整编号为ESP32-S3-MINI-1。

功能概况如下。

四、MQTTX

1.物联网平台分析

近年来，国内外物联网平台发展迅猛，常见的物联网平台包括Blynk、Blinker、HiveMQ、EMQX，Arduino力推Arduino Cloud，北京师范大学Mixly团队还针对中国创客教育开发了MixIO平台，上述平台很好地支持了物联网教育的开展。

然而，Blynk、HiveMQ和Arduino Cloud是国外产品，在网络方面和使用方面颇有不便；Blinker一直不温不火，在资源支持和APP设计方面比较落后；MixIO强烈依赖Mixly，在其它IDE中使用困难。

2.选择MQTTX的原因

考虑了种种因素，由EMQX开发的MQTTX成为中小学物联网教育的较佳选择，其功能和特点包括：具有图形化界面，对初学者友好；支持中文界面显示，对中国用户友好；本地部署，完全免费。

以下是MQTTX的下载地址，本教程以Windows客户端为例，即MQTTX在Windows系统上运行。

MQTTX：全功能 MQTT 客户端工具MQTTX 是一款强大的全功能 MQTT 5.0 客户端工具，适用于桌面、命令行和 WebSocket。它使得开发和测试 MQTT 应用更加简单高效。https://mqttx.app/zh

五、Arduino UNO R4 WIFI + MQTTX

1.方案设计

有了前面的介绍，我们已经了解了物联网、UNO R4和MQTTX是什么。在本教程中，由UNO R4和MQTTX组成的物联网系统将完成两个基本功能——Uno R4向MQTTX发送消息、MQTTX向UNO R4发送消息，见下图。

在MQTT协议的支持下，UNO R4和MQTTX形成了单工传输。当UNO R4向MQTTX发送消息时，MQTTX要订阅UNO R4指定的主题；当MQTTX向UNO R4发送消息时，UNO R4要订阅MQTTX指定的主题。

2.方案实现

（1）打开MQTTX，用户名和密码均输入test，点击“连接”。

（2）点击“添加订阅”，命名为publish。

（3）下载压缩“UNOR4_MQTTX.zip”并解压缩。

（4）打开“arduino_secrets.h”，修改WIFI名称和密码。

//arduino_secrets.h header file
#define SECRET_SSID "WIFI_NAME"
#define SECRET_PASS "WIFI_PSWD"

（5）运行“recFromMQTTX.ino”，此时MQTTX客户端将收到Hello MQTTX的消息。

#include "WiFiS3.h"
#include <ArduinoMqttClient.h>
#include <ArduinoJson.h>
 
WiFiClient wifiClient;
MqttClient mqttClient(wifiClient);
 
// 设置WIFI
char ssid[] = "VICTUS";
char pass[] = "22228888";
// 设置MQTT(EMQX)
char mqtt_user[] = "test";
char mqtt_pass[] = "test";
const char broker[] = "broker.emqx.io";
int port = 1883;
// 指定订阅主题（Arduino为信息接收方）
const char subscribe_topic[] = "subscribe";
 
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {
    ;
  }
  // 连接网络
  Serial.print("Attempting to connect to WPA SSID: ");
  Serial.println(ssid);
  while (WiFi.begin(ssid, pass) != WL_CONNECTED) {
    Serial.print(".");
    delay(5000);
  }
  Serial.println("You're connected to the network");
  Serial.println();
  // 连接MQTT
  mqttClient.setUsernamePassword(mqtt_user, mqtt_pass);
  Serial.print("Attempting to connect to the MQTT broker: ");
  if (!mqttClient.connect(broker, port)) {
    Serial.print("MQTT connection failed! Error code = ");
    Serial.println(mqttClient.connectError());
    while (1)
      ;
  }
  Serial.println("You're connected to the MQTT broker!");
  // 订阅主题
  mqttClient.onMessage(onMqttMessage);
  mqttClient.subscribe(subscribe_topic);
}
 
void loop() {
  mqttClient.poll(); // 定期检查新消息
}
 
void onMqttMessage(int messageSize) {
  // 读取消息内容
  String message;
  for (int i = 0; i < messageSize; i++) {
    message += (char)mqttClient.read();
  }
  // 解析 JSON 消息
  StaticJsonDocument<512> doc;
  DeserializationError error = deserializeJson(doc, message);
  // 检查解析是否成功
  if (error) {
    Serial.print("JSON parse failed: ");
    Serial.println(error.c_str());
    return;
  }
  // 打印 JSON 消息的内容
  Serial.println("Received JSON message:");
  serializeJsonPretty(doc, Serial);
}

（6）运行“sendToMQTTX.ino”，之后在MQTTX中指定subscribe主题，点击“发送”按钮，此时Arduino IDE的“串口监视器”将收到Hello Arduino的消息。

#include "WiFiS3.h"
#include <ArduinoMqttClient.h>
#include <ArduinoJson.h>
 
WiFiClient wifiClient;
MqttClient mqttClient(wifiClient);
 
//  设置WIFI
char ssid[] = "VICTUS";
char pass[] = "22228888";
//  设置MQTT(EMQX)
char mqtt_user[] = "test";
char mqtt_pass[] = "test";
const char broker[] = "broker.emqx.io";
int port = 1883;
//  指定发送主题（Arduino为信息发送方）
const char publish_topic[] = "publish";
 
void setup() {
  //  打开串口
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {
    ;
  }
  //  连接网络
  Serial.print("Attempting to connect to WPA SSID: ");
  Serial.println(ssid);
  while (WiFi.begin(ssid, pass) != WL_CONNECTED) {
    Serial.print(".");
    delay(5000);
  }
  Serial.println("You're connected to the network");
  Serial.println();
  //  连接MQTT
  mqttClient.setUsernamePassword(mqtt_user, mqtt_pass);
  Serial.print("Attempting to connect to the MQTT broker: ");
  if (!mqttClient.connect(broker, port)) {
    Serial.print("MQTT connection failed! Error code = ");
    Serial.println(mqttClient.connectError());
    while (1)
      ;
  }
  Serial.println("You're connected to the MQTT broker!");
}
 
void loop() {
  mqttClient.poll();
  publishMessage();
}
 
void publishMessage() {
  // 创建一个 JSON 对象
  StaticJsonDocument<200> doc;
  doc["msg"] = "Hello MQTTX";
  // 将 JSON 对象序列化为字符串
  char jsonBuffer[512];
  serializeJson(doc, jsonBuffer);
  // 向指定的主题发送 JSON 字符串
  mqttClient.beginMessage(publish_topic);
  mqttClient.print(jsonBuffer);
  mqttClient.endMessage();
  // 每隔一段时间发送一次
  delay(5000);
}