MQTT入门（基于ESP-IDF）

本文主要是介绍MQTT入门（基于ESP-IDF），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

主要参考资料：
ESP8266开发之旅阿里云物联网平台篇: https://blog.csdn.net/dpjcn1990/article/details/104544175
阿里云物联网官方文档: https://help.aliyun.com/zh/iot/
ESP32基础应用之ESP32与阿里云物联网平台实现数据互传（MQTT协议）: https://blog.csdn.net/qq_42900996/article/details/116461142
ESP-MQTT: https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/stable/esp32/api-reference/protocols/mqtt.html
一文读懂MQTT协议: https://blog.csdn.net/essity/article/details/115071316

1.阿里云物联网平台
2.MQTT协议简介
- 2.1 MQTT简介
- 2.2 MQTT协议主要特性
- 2.3 MQTT协议原理
- - 2.3.1 MQTT协议实现方式
  - 2.3.2 网络传输与应用消息
  - 2.3.3 MQTT客户端
  - 2.3.4 MQTT服务端
  - 2.3.5 MQTT协议中的订阅、主题、会话
  - 2.3.6 MQTT协议中的方法
- 2.4 MQTT协议数据包结构
- - 2.4.1 MQTT固定头
  - 2.4.2 MQTT可变头
  - 2.4.3 Payload消息体
3.ESP32通过MQTT连接阿里云物联网平台
- 3.1 复制例程
- 3.2 准备参数
- 3.3 配置ESP32代码

1.阿里云物联网平台

这里主要参考了菜鸟哥的ESP8266开发之旅阿里云物联网平台篇① 了解阿里云物联网平台: https://blog.csdn.net/dpjcn1990/article/details/104544175

2.MQTT协议简介

2.1 MQTT简介

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport, 消息队列遥测传输协议)，是一种基于发布/订阅(publish/subscribe)模式的"轻量级"通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上，由IBM在1999年发布。MQTT最大优点在于，可以以极少的代码和有限的带宽，为远程连接设备提过实时可靠的消息服务，作为一种低开销、低带宽占用的即时通讯协议，使其在物联网、小型设备、移动应用等方面有较广泛的应用
MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的，这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下，包括受限的环境中，如:机器与机器（M2M）通信和物联网(loT)。其在，通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。
在这里插入图片描述

2.2 MQTT协议主要特性

开放消息协议，简单易实现。
使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合。
对负载（协议携带的应用数据）内容屏蔽的消息传输。
基于TCP/IP网络连接,提供有序，无损，双向连接。主流的MQTT是基于TCP连接进行数据推送的，但是同样有基于UDP的版本，叫做MQTT-SN。这两种版本由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。由于基于不同的连接方式，优缺点自然也就各有不同了。
消息服务质量(QoS）支持，可靠传输保证;有三种消息发布服务质量:
QoS0:“至多一次”，消息发布完全依赖底层TCP/IP网络。会发生消息丢失或重复。这一级别可用于如下情况，环境传感器数据，丢失一次读记录无所谓，因为不久后还会有第二次发送。这一种方式主要普通APP的推送，倘若你的智能设备在消息推送时未联网，推送过去没收到，再次联网也就收不到了。
QoS1:“至少—次”，确保消息到达，但消息重复可能会发生。
QoS2:“只有一次”，确保消息到达一次。在一些要求比较严格的计费系统中，可以使用此级别。在计费系统中，消息重复或丢失会导致不正确的结果。这种最高质量的消息发布服务还可以用于即时通讯类的APP的推送，确保用户收到且只会收到一次。
1字节固定报头，2字节心跳报文，最小化传输开销和协议交换，有效减少网络流量。
这就是为什么在介绍里说它非常适合"在物联网领域，传感器与服务器的通信，信息的收集，要知道嵌入式设备的运算能力和带宽都相对薄弱，使用这种协议来传递消息再适合不过了。
在线状态感知:使用Last Will和Testament特性通知有关各方客户端异常中断的机制。 Last
Will:即遗言机制，用于通知同一主题下的其他设备，发送遗言的设备已经断开了连接。 Testament:遗嘱机制，功能类似于Last Will。

2.3 MQTT协议原理

2.3.1 MQTT协议实现方式

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实现MQTT协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者(Publish)、代理(Broker)(服务器)、订阅者(Subscribe)。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。
MQTT传输的消息分为：主题(Topic)和负载(payload)两部分：
(1)Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅(Subscribe)后，就会收到该主题的消息内容(payload)；
(2)payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。

2.3.2 网络传输与应用消息

MQTT会构建底层网络传输：它将建立客户端到服务器的连接，提供两者之间的一个有序的、无损的、基于字节流的双向传输。当应用数据通过MQTT网络发送时，MQTT会把与之相关的服务质量(QoS)和主题名(Topic)相关连。

2.3.3 MQTT客户端

一个使用MQTT协议的应用程序或者设备，它总是建立到服务器的网络连接。客户端可以：
(1)发布其他客户端可能会订阅的信息；
(2)订阅其它客户端发布的消息；
(3)退订或删除应用程序的消息；
(4)断开与服务器连接。

2.3.4 MQTT服务端

MQTT服务器以称为“消息代理”(Broker)，可以是一个应用程序或一台设备。它是位于消息发布者和订阅者之间，它可以：
(1)接受来自客户的网络连接；
(2)接受客户发布的应用信息；
(3)处理来自客户端的订阅和退订请求；
(4)向订阅的客户转发应用程序消息。

2.3.5 MQTT协议中的订阅、主题、会话

一、订阅(Subscription)
订阅包含主题筛选器(Topic Filter)和最大服务质量(QoS)。订阅会与一个会话(Session)关联。一个会话可以包含多个订阅。每一个会话中的每个订阅都有一个不同的主题筛选器。二、会话(Session)
每个客户端与服务器建立连接后就是一个会话，客户端和服务器之间有状态交互。会话存在于一个网络之间，也可能在客户端和服务器之间跨越多个连续的网络连接。
三、主题名(Topic Name)
连接到一个应用程序消息的标签，该标签与服务器的订阅相匹配。服务器会将消息发送给订阅所匹配标签的每个客户端。
四、主题筛选器(Topic Filter)
一个对主题名通配符筛选器，在订阅表达式中使用，表示订阅所匹配到的多个主题。
五、负载(Payload)
消息订阅者所具体接收的内容。

2.3.6 MQTT协议中的方法

MQTT协议中定义了一些方法(也被称为动作)，来于表示对确定资源所进行操作。这个资源可以代表预先存在的数据或动态生成数据，这取决于服务器的实现。通常来说，资源指服务器上的文件或输出。主要方法有：
(1)Connect。等待与服务器建立连接。
(2)Disconnect。等待MQTT客户端完成所做的工作，并与服务器断开TCP/IP会话。
(3)Subscribe。等待完成订阅。
(4)UnSubscribe。等待服务器取消客户端的一个或多个topics订阅。
(5)Publish。MQTT客户端发送消息请求，发送完成后返回应用程序线程。

2.4 MQTT协议数据包结构

在MQTT协议中，一个MQTT数据包由：固定头(Fixed header)、可变头(Variable header)、消息体(payload)三部分构成。MQTT数据包结构如下：
(1)固定头(Fixed header)。存在于所有MQTT数据包中，表示数据包类型及数据包的分组类标识。
(2)可变头(Variable header)。存在于部分MQTT数据包中，数据包类型决定了可变头是否存在及其具体内容。
(3)消息体(Payload)。存在于部分MQTT数据包中，表示客户端收到的具体内容。

在这里插入图片描述

2.4.1 MQTT固定头

固定头存在于所有MQTT数据包中，其结构如下：
在这里插入图片描述

2.4.2 MQTT可变头

MQTT数据包中包含一个可变头，它驻位于固定的头和负载之间。可变头的内容因数据包类型而不同，较常的应用是作为包的标识：
在这里插入图片描述
很多类型数据包中都包括一个2字节的数据包标识字段，这些类型的包有：PUBLISH (QoS > 0)、PUBACK、PUBREC、PUBREL、PUBCOMP、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE、UNSUBACK。

2.4.3 Payload消息体

在这里插入图片描述
Payload消息体位MQTT数据包的第三部分，包含CONNECT、SUBSCRIBE、SUBACK、UNSUBSCRIBE四种类型的消息：
(1)CONNECT，消息体内容主要是：客户端的ClientID、订阅的Topic、Message以及用户名和密码。
(2)SUBSCRIBE，消息体内容是一系列的要订阅的主题以及QoS。
(3)SUBACK，消息体内容是服务器对于SUBSCRIBE所申请的主题及QoS进行确认和回复。
(4)UNSUBSCRIBE，消息体内容是要订阅的主题。

3.ESP32通过MQTT连接阿里云物联网平台

3.1 复制例程

复制官方例程 examples\protocols\mqtt\tcp

3.2 准备参数

在这里插入图片描述

3.3 配置ESP32代码

在ESP32代码中，我们通过结构体修改来进行配置

/*由阿里网平台可得如下信息*/
// "clientId":"xxxxxFwJvIO.light_02|securemode=2,signmethod=hmacsha256,timestamp=1718174871589|"
// "username":"light_02&xxxxxFwJvIO"
// "mqttHostUrl":"xxxxxFwJvIO.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com"
// "passwd":"xxxxxac7f1796e87ad43fd4dd0ead023d9b8c7e3050a9bae91ab58505dc8a514"
// "port":1883#define   Aliyun_hostname       "xxxxxFwJvIO.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com" //或称mqttHostUrl、Broker Address
#define   Aliyun_port       1883
#define   Aliyun_client_id  "xxxxxFwJvIO.light_02|securemode=2,signmethod=hmacsha256,timestamp=1718174871589|"
#define   Aliyun_username   "light_02&xxxxxFwJvIO"
#define   Aliyun_password   "xxxxxac7f1796e87ad43fd4dd0ead023d9b8c7e3050a9bae91ab58505dc8a514"void mqtt_app_start(void)
{esp_mqtt_client_config_t mqtt_cfg = {.host = Aliyun_hostname,.port = Aliyun_port,.client_id = Aliyun_client_id,.username = Aliyun_username,.password = Aliyun_password,.keepalive = 120,.buffer_size = 1024,.out_buffer_size =1024,};client = esp_mqtt_client_init(&mqtt_cfg);esp_mqtt_client_register_event(client, ESP_EVENT_ANY_ID, mqtt_event_handler, client);esp_mqtt_client_start(client);
}