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ESP32-WROOM-32E最小开发板物联网编程入门指南

一、MQTT服务器环境搭建

我们的ESP32开发板已经可以通过Wi-Fi正常连接网络，我们需要将板卡采集的数据上报到服务器，并将数据存入数据库，服务器可以下发指令到板卡执行某些动作，这样就实现了一个简单的IoT平台。

物联网一般使用的是MQTT通讯协议，MQTT主要是订阅者和发布者之间的消息传递。

因此我们这里需要搭建一个MQTT服务器，这里选用的是EMQX开源免费版本进行搭建。

1.1.概述

EMQX 是一款开源的大规模分布式 MQTT 消息服务器，功能丰富，专为物联网和实时通信应用而设计。EMQX 5.0 单集群支持 MQTT 并发连接数高达 1 亿条，单服务器的传输与处理吞吐量可达每秒百万级 MQTT 消息，同时保证毫秒级的低时延。

EMQX产品优势

  • **开放源码 **：基于 Apache 2.0 许可证完全开源，自 2013 年起 200+ 开源版本迭代。
  • **MQTT 5.0 **：100% 支持 MQTT 5.0 和 3.x 协议标准，更好的伸缩性、安全性和可靠性。
  • [海量连接]：单节点支持 500 万 MQTT 设备连接，集群可扩展至 1 亿并发 MQTT 连接。
  • 高性能：单节点支持每秒实时接收、移动、处理与分发数百万条的 MQTT 消息。
  • 低时延：基于 Erlang/OTP 软实时的运行时系统设计，消息分发与投递时延低于 1 毫秒。
  • 高可用：采用 Masterless 的大规模分布式集群架构，实现系统高可用和水平扩展

    • 1.2.准备工作

    1.2.1.硬件

  • 云端服务器(公网IP) 此项非必须，可在自已机器上进行本地搭建
  • 电脑（Windows 10）

    • 1.2.2.软件

    准备软件安装包:

    EMQX官方文档提供了详细的说明，我们的云端服务器使用的是Ubuntu 22.04 64位系统，参考对应的文档选择某种安装方式即可，这里采用的是通过 Apt 源安装

    EMQX官网: https://www.emqx.io/

    1.3.安装

    1.3.1.MQTT服务器搭建

    1.通过以下命令配置 EMQX Apt 源：

    curl -s https://assets.emqx.com/scripts/install-emqx-deb.sh | sudo bash

    2.运行以下命令安装 EMQX：

    sudo apt-get install emqx

    3.运行以下命令启动 EMQX：

    sudo systemctl start emqx

    远程登录云端服务器，依次执行上面的三个命令，执行完成后EMQX服务就已经启动了。

    浏览器中输入访问地址: http://IP:18083/，即可打开登录界面

    20240711_4

    注意事项

    Ubuntu系统防火墙默认不开启18083端口，需要在设置防火墙开放18083端口，否则无法打开EMQX的管理界面Dashboard

    初次登录账户和密码为admin/public，初次登录系统会要求修改密码

    成功登录后可看到EMQX的管理平台Dashboard

    20240711_1

    1.3.2.安装MQTTX客户端

    客户端工具是作为验证工具，用于快速测试MQTT消息服务和应用程序开发。

    MQTTX官网：https://mqttx.app/zh

    安装过程，到官网下载并运行安装程序

    image-20240222115333398

    下一步，选择安装路径

    image-20240222115430528

    点击安装，直至安装完成即可

    image-20240222115508163

    运行主界面

    image-20240222115542011

    默认为英文操作界面，设置为中文，点击左侧配置按钮，在Language栏选择简体中文即可

    image-20240222120410440

    1.3.3.MQTTX 工具创建客户端连接

    1.启动 MQTTX 客户端。点击新建连接创建一个 MQTT 连接。

    2.配置新建的 MQTT 连接作为消息发送客户端。

    20240711_3

    注意事项

    1.MQTTX访问的是MQTT服务器1883端口，注意需要在服务器防火墙放行这个端口

    2.连接所用到的用户名和密码需要在EMQX管理平台的客户端 认证中进行创建

    1.3.4.MQTTX工具发送消息

    我们已经创建了一个客户端连接并成功连接上了MQTT服务器，然后订阅一个主题hantu_iot/testtopic并向它发送一条消息。

    打开MQTTX工具，点击添加订阅进入添加订阅窗口，在Topic文本框中输入hantu_iot/testtopic

    image-20240611120701397

    点击确定按钮，即可看到已经添加了这个订阅

    image-20240611125655455

    我们在MQTTX的右角下的Topic处输入hantu_iot/testtopic，并在内容框中输入一段json格式字符串，点击绿色提交按钮。

    image-20240611125920400

    可以看到MQTTX客户端向服务器提交了一条了消息，由于MQTTX客户端自已也订阅了这个主题，所以它也会收到服务器分发过来的这条消息，这就实现了一次简单的发送、接收消息。

    二、开发板发布和订阅消息

    MQTT服务器搭建完成以后，我们就可以将开发板采集到的数据通过MQTT协议发送到MQTT服务器，并将其存储到服务器数据库当中(数据持久化)，由于EMQX免费版不提供数据持久化的功能，为了解决这个问题，我们会需要用到另外一个重要的工具Node-Red

    2.1.引入第三方库

    ESP32最小开发板通过WiFi连接到网后，通过MQTT协议收发消息，我们需要用到第三方库PubSubClient库

    引入方法，我们打开Arduino IDE，进入项目->导入库–>管理库

    在左侧库管理界面搜索栏中输入我们想要查找的库名称，我们这里输入"PubSubClient"，回车进行搜索

    image-20240611133737716

    点击安装直接进行安装即可，这里选择的版本是2.8.0

    2.2.输入代码

    接下来我们就可以开始编写代码了，输入以下代码

    #include <Arduino.h>
#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>

/*=========================== 全局变量及宏定义 =============================*/
// WiFi
const char *ssid = "此处为WIFI网络名称";
const char *password = "此处为WIFI密码";

// MQTT Broker
const char *mqtt_broker = "MQTT服务器IP";    // 服务器地址
const char *clientid = "Hantu-1234";        // 自定义clientid
const char *topic = "hantu_iot/testtopic";  // 定义 Topic
const char *mqtt_username = "用户名";        // 用户名
const char *mqtt_password = "密码";          // 密码
const int mqtt_port = 1883;                 // 端口


//定义客户端
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);

void setup() {
  // 初始化波特率
  Serial.begin(9600);
  // 连接WiFi网络
  WiFi.begin(ssid, password);
  Serial.print("正在连接WIFI");
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.println(".");
  }
  Serial.println("连接成功");
  Serial.print("IP Address");
  Serial.println(WiFi.localIP());

  // 连接到MQTT服务器
  client.setServer(mqtt_broker, mqtt_port);
  // 设置mqtt保持活跃时间 ms
  client.setKeepAlive(60);
  // 设置回调函数
  client.setCallback(callback);

  while (!client.connected()) {
    Serial.printf("The client %s connects to the public mqtt broker\n", clientid);
    if (client.connect(clientid, mqtt_username, mqtt_password)) {
      Serial.println("ESP32开发板连接MQTT服务器成功");
    } else {
      Serial.print("failed with state ");
      Serial.print(client.state());
      delay(2000);
    }
  }

  // 定阅主题
  client.subscribe(topic, 0);
  // 发布消息
  client.publish(topic, "Hi EMQX, I'm ESP32 ^^");

}

void callback(char *topic, byte *payload, unsigned int length) {
  Serial.print("Message arrived in topic: ");
  Serial.println(topic);
  Serial.print("Message:");
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  Serial.println();
  Serial.println("-----------------------");
}

void loop() {
  client.loop();
}

    2.3.编译并上传程序

    输入完成后，初次编译需要指定程序的存放目录，工程名称命名为MQTT_SendToServer，然后执行上传命令即可进行代码的编译并上传至开发板，点击上传按钮开始上传

    image-20240611153519621

    注意事项

    每次上传程序的时候需要注意选择正确的开发板和端口

    看到这样的执行结果就说明程序已经正常上传到开发板，我们打开串口监视器

    image-20240612155033047

    可以看到程序已经正常运行。

    注意事项

    由串口监视器输出的结果可以看到，板卡向MQTT服务器发送消息以后，板卡也收到了这条消息，因为在发布消息以前，板卡本身也订阅了这个主题，所以服务器会把消息推送过来，同时MQTTX工具也会收到这条消息。

    三、远程控制LED灯

    本示例学习如何远程能过网络来控制LED的开和关，我们已经实现了与MQTT服务器的消息通信，接下来我们来实现远程控制板载LED灯的开和关。

    3.1.控制LED灯程序

    打开Arduino IDE，输入程序，命名工程名称为MQTT_Led_OnOff

    #include <Arduino.h>
#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <ArduinoJson.h>

/*=========================== 全局变量及宏定义 =============================*/
// WiFi
const char *ssid = "此处为WIFI网络名称";
const char *password = "此处为WIFI密码";

// MQTT Broker
const char *mqtt_broker = "MQTT服务器IP";    // 服务器地址
const char *clientid = "Hantu-1234";        // 自定义clientid
const char *topic = "hantu_iot/testtopic";  // 定义 Topic
const char *mqtt_username = "用户名";        // 用户名
const char *mqtt_password = "密码";          // 密码
const int mqtt_port = 1883;                 // 端口

//定义客户端
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);

/*=========================== 自定义全局变量&宏定义 =============================*/
int redPin = 25;

void setup() {
  // 初始化波特率
  Serial.begin(9600);
  // 设置LED灯为输出模式
  pinMode(redPin, OUTPUT);

  // 连接WiFi网络
  WiFi.begin(ssid, password);
  Serial.print("正在连接WIFI");
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
    Serial.println(".");
  }
  Serial.println("连接成功");
  Serial.print("IP Address");
  Serial.println(WiFi.localIP());

  // 连接到MQTT服务器
  client.setServer(mqtt_broker, mqtt_port);
  // 设置mqtt保持活跃时间 ms
  client.setKeepAlive(60);
  // 设置回调函数
  client.setCallback(callback);

  while (!client.connected()) {
    Serial.printf("The client %s connects to the public mqtt broker\n", clientid);
    if (client.connect(clientid, mqtt_username, mqtt_password)) {
      Serial.println("ESP32开发板连接MQTT服务器成功");
    } else {
      Serial.print("failed with state ");
      Serial.print(client.state());
      delay(2000);
    }
  }

  // 定阅主题
  client.subscribe(topic, 0);
  // 发布消息
  client.publish(topic, "Hi EMQX, I'm ESP32 ^^");
}

void callback(char *topic, byte *payload, unsigned int length) {
  Serial.print("Message arrived in topic: ");
  Serial.println(topic);
  Serial.print("Message:");
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  Serial.println();
  Serial.println("-----------------------");

  //解析payload获取LED灯的开和关的值
  JsonDocument doc;
  deserializeJson(doc, payload);
  int led_logic = doc["led"];

  if (led_logic == 1) {
    digitalWrite(redPin, LOW);
    Serial.println("LED灯已打开");
  }
  if (led_logic == 0) {
    digitalWrite(redPin, HIGH);
    Serial.println("LED灯已关闭");
  }
  delay(50);
}

void loop() {
  client.loop();
}

    然后编译并上传程序到板卡

    3.2.MQTTX发送开关指令

    我们打开MQTTX客户端，连接到服务器，然后向开发板订阅的主题"hantu_iot/testtopic"发送消息，服务器在接收到MQTTX的消息后以后在将消息推送给订阅者(开发板)，从而就可以实现远程的控制

    我们定义了一个简单的json字符串，只发送0或者1来进行开关

    image-20240627160555359

    注意事项

    发送数值1为开灯、数值0为关灯

    点击发送即可看到灯的开关状态

    image-20240627160729564

    注意事项

    由于MQTTX工具也订阅了"hantu_iot/testtopic"这个主题，所以它发送出去的消息服务器也会给它推送过来

    作者：hantusoft

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