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STM32+ESP8266连接阿里云物联网平台_stm32,esp8266和阿里云

作者：weixin_40725706 | 2024-04-22 19:29:33

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stm32,esp8266和阿里云

一、准备

硬件：

PC电脑、无线节点模块、ST-LINK仿真器、MiniUSB线

软件：

阿里云物联网平台、KEIL、串口工具

二、原理

2.1、建立连接的流程

与阿里云物联网平台的方式主要是MQTT协议，首先通过无线模块的AT指令与物联网平台建立TCP连接，随后向物联网平台发送MQTT连接请求报文，在物联网回复连接确认报文后，则成功建立MQTT连接，随后向平台发送订阅用于属性设置的主题的请求报文，成功订阅后进入下一步。需要注意的是，MQTT连接需要定时发送心跳报文，不然会超时断开连接。

2.2、串口

在本次演示中使用了两个串口分别是 USART2 和 USART3 串口，其中串口2用于打印运行信息，串口3用于向阿里云物联网平台发送MQTT协议报文和接收物联网平台的回复报文。

三、代码分析

3.1、首先实现对ESP8266模块的操作，主要利用模块底板上STM32的串口3与ESP8266 串口进行通信，发送AT指令的方式控制Wifi模块，包括Wifi模块配置、Wifi连接热点、Wifi使用指定协议连接到服务器等功能的实现。

  1. /**
  2.  * 功能：检查ESP8266是否正常
  3.  * 参数：None
  4.  * 返回值：ESP8266返回状态
  5.  *        非0 ESP8266正常
  6.  *        0 ESP8266有问题  
  7.  */
  8. uint8_t ESP8266_Check(void)
  9. {
  10. 	uint8_t check_cnt=5;
  11. 	while(check_cnt--)
  12. 	{
  13. 		memset(ESP8266_rxbuf,0,sizeof(ESP8266_rxbuf)); 	 //清空接收缓冲
  14. 		ESP8266_ATSendString("AT\r\n");     		 			//发送AT握手指令	
  15. 		if(FindStr((char*)ESP8266_rxbuf,"OK",200) != 0)
  16. 		{
  17. 			return 1;
  18. 		}
  19. 	}
  20. 	return 0;
  21. }
  22.  
  23. /**
  24.  * 功能：初始化ESP8266
  25.  * 参数：None
  26.  * 返回值：初始化结果，非0为初始化成功,0为失败
  27.  */
  28. uint8_t ESP8266_Init(void)
  29. {
  30.  
  31. 	
  32. 	//清空发送和接收数组
  33. 	memset(ESP8266_txbuf,0,sizeof(ESP8266_txbuf));
  34. 	memset(ESP8266_rxbuf,0,sizeof(ESP8266_rxbuf));
  35. 	
  36. 	ESP8266_ExitUnvarnishedTrans();		//退出透传
  37. 	delay_ms(500);
  38. 	ESP8266_ATSendString("AT+RST\r\n");
  39. 	delay_ms(800);
  40. 	if(ESP8266_Check()==0)              //使用AT指令检查ESP8266是否存在
  41. 	{
  42. 		return 0;
  43. 	}
  44. 	
  45. 	memset(ESP8266_rxbuf,0,sizeof(ESP8266_rxbuf));    //清空接收缓冲
  46. 	ESP8266_ATSendString("ATE0\r\n");     	//关闭回显 
  47. 	if(FindStr((char*)ESP8266_rxbuf,"OK",500)==0)  //设置不成功
  48. 	{
  49. 			return 0;      
  50. 	}
  51. 	return 1;                         //设置成功
  52. }
  53.  
  54. /**
  55.  * 功能：恢复出厂设置
  56.  * 参数：None
  57.  * 返回值：None
  58.  * 说明:此时ESP8266中的用户设置将全部丢失回复成出厂状态
  59.  */
  60. void ESP8266_Restore(void)
  61. {
  62. 	ESP8266_ExitUnvarnishedTrans();          	//退出透传
  63.   delay_ms(500);
  64. 	ESP8266_ATSendString("AT+RESTORE\r\n");		//恢复出厂 	
  65. }
  66.  
  67. /**
  68.  * 功能：连接热点
  69.  * 参数：
  70.  *         ssid:热点名
  71.  *         pwd:热点密码
  72.  * 返回值：
  73.  *         连接结果,非0连接成功,0连接失败
  74.  * 说明： 
  75.  *         失败的原因有以下几种(UART通信和ESP8266正常情况下)
  76.  *         1. WIFI名和密码不正确
  77.  *         2. 路由器连接设备太多,未能给ESP8266分配IP
  78.  */
  79. uint8_t ESP8266_ConnectAP(char* ssid,char* pswd)
  80. {
  81. 	uint8_t cnt=5;
  82. 	while(cnt--)
  83. 	{
  84. 		memset(ESP8266_rxbuf,0,sizeof(ESP8266_rxbuf));     
  85. 		ESP8266_ATSendString("AT+CWMODE_CUR=1\r\n");              //设置为STATION模式	
  86. 		if(FindStr((char*)ESP8266_rxbuf,"OK",200) != 0)
  87. 		{
  88. 			break;
  89. 		}             		
  90. 	}
  91. 	if(cnt == 0)
  92. 		return 0;
  93.  
  94. 	cnt=2;
  95. 	while(cnt--)
  96. 	{                    
  97. 		memset(ESP8266_txbuf,0,sizeof(ESP8266_txbuf));//清空发送缓冲
  98. 		memset(ESP8266_rxbuf,0,sizeof(ESP8266_rxbuf));//清空接收缓冲
  99. 		sprintf((char*)ESP8266_txbuf,"AT+CWJAP_CUR=\"%s\",\"%s\"\r\n",ssid,pswd);//连接目标AP
  100. 		ESP8266_ATSendString((char*)ESP8266_txbuf);	
  101. 		if(FindStr((char*)ESP8266_rxbuf,"OK",8000)!=0)                      //连接成功且分配到IP
  102. 		{
  103. 			return 1;
  104. 		}
  105. 	}
  106. 	return 0;
  107. }
  108.  
  109. //开启透传模式
  110. static uint8_t ESP8266_OpenTransmission(void)
  111. {
  112. 	//设置透传模式
  113. 	uint8_t cnt=2;
  114. 	while(cnt--)
  115. 	{
  116. 		memset(ESP8266_rxbuf,0,sizeof(ESP8266_rxbuf));    
  117. 		ESP8266_ATSendString("AT+CIPMODE=1\r\n");  
  118. 		if(FindStr((char*)ESP8266_rxbuf,"OK",200)!=0)
  119. 		{	
  120. 			return 1;
  121. 		}
  122. 	}
  123. 	return 0;
  124. }
  125.  
  126. /**
  127.  * 功能：使用指定协议(TCP/UDP)连接到服务器
  128.  * 参数：
  129.  *         mode:协议类型 "TCP","UDP"
  130.  *         ip:目标服务器IP
  131.  *         port:目标是服务器端口号
  132.  * 返回值：
  133.  *         连接结果,非0连接成功,0连接失败
  134.  * 说明： 
  135.  *         失败的原因有以下几种(UART通信和ESP8266正常情况下)
  136.  *         1. 远程服务器IP和端口号有误
  137.  *         2. 未连接AP
  138.  *         3. 服务器端禁止添加(一般不会发生)
  139.  */
  140. uint8_t ESP8266_ConnectServer(char* mode,char* ip,uint16_t port)
  141. {
  142. 	uint8_t cnt;
  143.    
  144. 	ESP8266_ExitUnvarnishedTrans();                   //多次连接需退出透传
  145. 	delay_ms(500);
  146.  
  147. 	//连接服务器
  148. 	cnt=2;
  149. 	while(cnt--)
  150. 	{
  151. 		memset(ESP8266_txbuf,0,sizeof(ESP8266_txbuf));//清空发送缓冲
  152. 		memset(ESP8266_rxbuf,0,sizeof(ESP8266_rxbuf));//清空接收缓冲   
  153. 		sprintf((char*)ESP8266_txbuf,"AT+CIPSTART=\"%s\",\"%s\",%d\r\n",mode,ip,port);
  154. 		ESP8266_ATSendString((char*)ESP8266_txbuf);
  155. 		if(FindStr((char*)ESP8266_rxbuf,"CONNECT",500) !=0 )
  156. 		{
  157. 			break;
  158. 		}
  159. 	}
  160. 	if(cnt == 0) 
  161. 		return 0;
  162. 	
  163. 	//设置透传模式
  164. 	if(ESP8266_OpenTransmission()==0) return 0;
  165. 	
  166. 	//开启发送状态
  167. 	cnt=2;
  168. 	while(cnt--)
  169. 	{
  170. 		memset(ESP8266_rxbuf,0,sizeof(ESP8266_rxbuf)); //清空接收缓冲   
  171. 		ESP8266_ATSendString("AT+CIPSEND\r\n");//开始处于透传发送状态
  172. 		if(FindStr((char*)ESP8266_rxbuf,">",200)!=0)
  173. 		{
  174. 			return 1;
  175. 		}
  176. 	}
  177. 	return 0;
  178. }
  179.  
  180. /**
  181.  * 功能：主动和服务器断开连接
  182.  * 参数：None
  183.  * 返回值：
  184.  *         连接结果,非0断开成功,0断开失败
  185.  */
  186. uint8_t DisconnectServer(void)
  187. {
  188. 	uint8_t cnt;
  189. 	
  190. 	ESP8266_ExitUnvarnishedTrans();	//退出透传
  191. 	delay_ms(500);
  192. 	
  193. 	while(cnt--)
  194. 	{
  195. 		memset(ESP8266_rxbuf,0,sizeof(ESP8266_rxbuf)); //清空接收缓冲   
  196. 		ESP8266_ATSendString("AT+CIPCLOSE\r\n");//关闭链接
  197.  
  198. 		if(FindStr((char*)ESP8266_rxbuf,"CLOSED",200)!=0)//操作成功,和服务器成功断开
  199. 		{
  200. 			break;
  201. 		}
  202. 	}
  203. 	if(cnt) return 1;
  204. 	return 0;
  205. }

3.2、根据MQTT协议工作原理，编写MQTT协议驱动文件，包括MQTT协议的连接服务器的打包、订阅/取消订阅数据打包、发布数据打包等功能。

  1. //连接成功服务器回应 20 02 00 00
  2. //客户端主动断开连接 e0 00
  3. const uint8_t parket_connetAck[] = {0x20,0x02,0x00,0x00};
  4. const uint8_t parket_disconnet[] = {0xe0,0x00};
  5. const uint8_t parket_heart[] = {0xc0,0x00};
  6. const uint8_t parket_heart_reply[] = {0xc0,0x00};
  7. const uint8_t parket_subAck[] = {0x90,0x03};
  8.  
  9. volatile uint16_t MQTT_TxLen;
  10.  
  11. //MQTT发送数据
  12. void MQTT_SendBuf(uint8_t *buf,uint16_t len)
  13. {
  14. 	ESP8266_ATSendBuf(buf,len);
  15. }
  16.  
  17. //发送MQTT心跳
  18. void MQTT_SentHeart()
  19. {
  20. 	MQTT_SendBuf((uint8_t *)parket_heart,sizeof(parket_heart));
  21. }
  22.  
  23. //MQTT无条件断开
  24. void MQTT_Disconnect()
  25. {
  26. 	MQTT_SendBuf((uint8_t *)parket_disconnet,sizeof(parket_disconnet));
  27. }
  28.  
  29. //MQTT连续服务器的打包函数
  30. uint8_t MQTT_Connect(char *ClientID,char *Username,char *Password)
  31. {
  32. 	int ClientIDLen = strlen(ClientID);
  33. 	int UsernameLen = strlen(Username);
  34. 	int PasswordLen = strlen(Password);
  35. 	int DataLen;
  36. 	MQTT_TxLen=0;
  37. 	//可变报头+Payload  每个字段包含两个字节的长度标识
  38. 	DataLen = 10 + (ClientIDLen+2) + (UsernameLen+2) + (PasswordLen+2);
  39. 	
  40. 	//固定报头
  41. 	//控制报文类型
  42. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 0x10;		//MQTT Message Type CONNECT
  43. 	//剩余长度(不包括固定头部)
  44. 	do
  45. 	{
  46. 		uint8_t encodedByte = DataLen % 128;
  47. 		DataLen = DataLen / 128;
  48. 		// if there are more data to encode, set the top bit of this byte
  49. 		if ( DataLen > 0 )
  50. 			encodedByte = encodedByte | 128;
  51. 		ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = encodedByte;
  52. 	}while ( DataLen > 0 );
  53.     	
  54. 	//可变报头
  55. 	//协议名
  56. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 0;        		// Protocol Name Length MSB    
  57. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 4;        		// Protocol Name Length LSB    
  58. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 'M';        	// ASCII Code for M    
  59. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 'Q';        	// ASCII Code for Q    
  60. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 'T';        	// ASCII Code for T    
  61. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 'T';        	// ASCII Code for T    
  62. 	//协议级别
  63. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 4;        		// MQTT Protocol version = 4    
  64. 	//连接标志
  65. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 0xc2;        	// conn flags 
  66. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 0;        		// Keep-alive Time Length MSB    
  67. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 60;        	// Keep-alive Time Length LSB  60S心跳包  
  68.  
  69. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = BYTE1(ClientIDLen);// Client ID length MSB    
  70. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = BYTE0(ClientIDLen);// Client ID length LSB  	
  71. 	memcpy(&ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen],ClientID,ClientIDLen);
  72. 	MQTT_TxLen += ClientIDLen;
  73. 	
  74. 	if(UsernameLen > 0)
  75. 	{   
  76. 		ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = BYTE1(UsernameLen);		//username length MSB    
  77. 		ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = BYTE0(UsernameLen);    	//username length LSB    
  78. 		memcpy(&ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen],Username,UsernameLen);
  79. 		MQTT_TxLen += UsernameLen;
  80. 	}
  81. 	
  82. 	if(PasswordLen > 0)
  83. 	{    
  84. 		ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = BYTE1(PasswordLen);		//password length MSB    
  85. 		ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = BYTE0(PasswordLen);    	//password length LSB  
  86. 		memcpy(&ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen],Password,PasswordLen);
  87. 		MQTT_TxLen += PasswordLen; 
  88. 	}    
  89. 	
  90. 	//uint8_t cnt=2;
  91. 	uint8_t wait;
  92. 	//while(cnt--)
  93. 	{
  94. 		memset(ESP8266_rxbuf,0,sizeof(ESP8266_rxbuf));
  95. 		MQTT_SendBuf(ESP8266_txbuf,MQTT_TxLen);
  96. 		wait=30;//等待3s时间
  97. 		while(wait--)
  98. 		{
  99. 			//CONNECT
  100. 			if(ESP8266_rxbuf[0]==parket_connetAck[0] && ESP8266_rxbuf[1]==parket_connetAck[1]) //连接成功			   
  101. 			{
  102. 				return 1;//连接成功
  103. 			}
  104. 			delay_ms(100);			
  105. 		}
  106. 	}
  107. 	return 0;
  108. }
  109. /*
  110. * MQTT订阅/取消订阅数据打包函数
  111. * topic       主题 
  112. * qos         消息等级 
  113. * whether     订阅/取消订阅请求包
  114. */
  115. uint8_t MQTT_SubscribeTopic(char *topic,uint8_t qos,uint8_t whether)
  116. {    
  117. 	int topiclen;
  118. 	int DataLen;
  119. 	uint8_t cnt;
  120. 	uint8_t wait;
  121. 	MQTT_TxLen=0;
  122. 	cnt=2;
  123. 	topiclen = strlen(topic);
  124. 	
  125. 	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
  126. 	//固定报头
  127. 	//控制报文类型
  128. 	if(whether) ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 0x82; //消息类型和标志订阅
  129. 	else	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 0xA2;    //取消订阅
  130.  
  131. 	//剩余长度
  132. 	do
  133. 	{
  134. 		uint8_t encodedByte = DataLen % 128;
  135. 		DataLen = DataLen / 128;
  136. 		// if there are more data to encode, set the top bit of this byte
  137. 		if ( DataLen > 0 )
  138. 			encodedByte = encodedByte | 128;
  139. 		ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = encodedByte;
  140. 	}while ( DataLen > 0 );	
  141. 	
  142. 	//可变报头
  143. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 0;				//消息标识符 MSB
  144. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 0x01;           //消息标识符 LSB
  145. 	//有效载荷
  146. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = BYTE1(topiclen);//主题长度 MSB
  147. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = BYTE0(topiclen);//主题长度 LSB   
  148. 	memcpy(&ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen],topic,topiclen);
  149. 	MQTT_TxLen += topiclen;
  150.  
  151. 	if(whether)
  152. 	{
  153. 		ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = qos;//QoS级别
  154. 	}
  155. 	
  156. 	while(cnt--)
  157. 	{
  158. 		memset(ESP8266_rxbuf,0,sizeof(ESP8266_rxbuf));
  159. 		MQTT_SendBuf(ESP8266_txbuf,MQTT_TxLen);
  160. 		wait=30;//等待3s时间
  161. 		while(wait--)
  162. 		{
  163. 			if(ESP8266_rxbuf[0]==parket_subAck[0] && ESP8266_rxbuf[1]==parket_subAck[1]) //订阅成功			   
  164. 			{
  165. 				return 1;//订阅成功
  166. 			}
  167. 			delay_ms(100);			
  168. 		}
  169. 	}
  170. 	if(cnt) return 1;	//订阅成功
  171. 	return 0;
  172. }
  173.  
  174. /*
  175. * MQTT发布数据打包函数
  176. * topic   主题 
  177. * message 消息
  178. * qos     消息等级 
  179. */
  180. uint8_t MQTT_PublishData(char *topic, char *message, uint8_t qos)
  181. {  
  182. 	int topicLength = strlen(topic);    
  183. 	int messageLength = strlen(message);     
  184. 	static uint16_t id=0;
  185. 	int DataLen;
  186. 	MQTT_TxLen=0;
  187. 	//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
  188. 	//QOS为0时没有标识符
  189. 	//数据长度             主题名   报文标识符   有效载荷
  190. 	if(qos)	DataLen = (2+topicLength) + 2 + messageLength;       
  191. 	else	DataLen = (2+topicLength) + messageLength;   
  192.  
  193.     //固定报头
  194. 	//控制报文类型
  195. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = 0x30;    // MQTT Message Type PUBLISH  
  196.  
  197. 	//剩余长度
  198. 	do
  199. 	{
  200. 		uint8_t encodedByte = DataLen % 128;
  201. 		DataLen = DataLen / 128;
  202. 		// if there are more data to encode, set the top bit of this byte
  203. 		if ( DataLen > 0 )
  204. 			encodedByte = encodedByte | 128;
  205. 		ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = encodedByte;
  206. 	}while ( DataLen > 0 );	
  207. 	
  208. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = BYTE1(topicLength);		//主题长度MSB
  209. 	ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = BYTE0(topicLength);		//主题长度LSB 
  210. 	memcpy(&ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen],topic,topicLength);	//拷贝主题
  211. 	MQTT_TxLen += topicLength;
  212.         
  213. 	//报文标识符
  214. 	if(qos)
  215. 	{
  216. 			ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = BYTE1(id);
  217. 			ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen++] = BYTE0(id);
  218. 			id++;
  219. 	}
  220. 	memcpy(&ESP8266_txbuf[MQTT_TxLen],message,messageLength);
  221. 	MQTT_TxLen += messageLength;
  222.         
  223. 	MQTT_SendBuf(ESP8266_txbuf,MQTT_TxLen);
  224. 	return MQTT_TxLen;
  225. }

3.3、最后在main.c中编写函数调用这两个文件里的函数以实现与阿里云物联网平台的MQTT协议连接。

  1. //MQTT初始化函数
  2. void ES8266_MQTT_Init(void)
  3. {
  4. 	uint8_t status=0;
  5.  
  6. 	//初始化
  7. 	if(ESP8266_Init())
  8. 	{
  9. 		user_main_info("ESP8266初始化成功！\r\n");
  10. 		status++;
  11. 	}
  12. 	else Enter_ErrorMode(0);
  13.  
  14. 	//连接热点
  15. 	if(status==1)
  16. 	{
  17. 		if(ESP8266_ConnectAP(WIFI_NAME,WIFI_PASSWD))
  18. 		{
  19. 			user_main_info("ESP8266连接热点成功！\r\n");
  20. 			status++;
  21. 		}
  22. 		else Enter_ErrorMode(1);
  23. 	}
  24.  
  25. 	//连接阿里云IOT服务器
  26. 	if(status==2)
  27. 	{
  28. 		if(ESP8266_ConnectServer("TCP",MQTT_BROKERADDRESS,1883)!=0)
  29. 		{
  30. 			user_main_info("ESP8266连接阿里云服务器成功！\r\n");
  31. 			status++;
  32. 		}
  33. 		else Enter_ErrorMode(2);
  34. 	}
  35. 	
  36. 	//登陆MQTT
  37. 	if(status==3)
  38. 	{
  39. 		if(MQTT_Connect(MQTT_CLIENTID, MQTT_USARNAME, MQTT_PASSWD) != 0)
  40. 		{
  41. 			user_main_info("ESP8266阿里云MQTT登陆成功！\r\n");
  42. 			status++;
  43. 		}
  44. 		else Enter_ErrorMode(3);
  45. 	}
  46.  
  47. 	//订阅主题
  48. 	if(status==4)
  49. 	{
  50. 		if(MQTT_SubscribeTopic(MQTT_SUBSCRIBE_TOPIC,0,1) != 0)
  51. 		{
  52. 			user_main_info("ESP8266阿里云MQTT订阅主题成功！\r\n");
  53. 		}
  54. 		else Enter_ErrorMode(4);
  55. 	}
  56. }

四、写在最后

为了大家能够更好的理解代码，本文只写出了用于建立连接的关键函数以供大家参考，其余细节就不在此赘述了，祝你们在2024年前途似锦，事业高飞~

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