基于STM32实现MQTT

2019-09-06 来源：eefocus

1、MQTT协议

    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，为连接远程设备提供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。
   协议详情： MQTT Version 3.1.1（英文版）
                    （中文版）
2、STM32实现的自我理解
   既然是一个协议，所以有一个基本的物理网络层就可以实现
   将就手上的一个ESP8266无线wifi串口模块，一个STM32的板子。也就可以完成MQTT的测试了。
   一般来说在协议中扮演的是一个客户端。主要的工作就是连接服务器、订阅消息、发送消息几个功能。最开始我在网上找了MQTT的客户端代码包，打开一看就蒙了。太多、太杂了，完全大于了我们的需求。所以我自己通过抓包对着协议写了一个数据包生成代码。
3、测试前准备
   MQTT服务器：我用的是Apollo Console(账号默认为：admin 密码默认:password 后面连接时要用)
   MQTT客户端：通信猫。
   具体怎么用大家百度。。。
4、代码实现
 4.1、固定报头 Fixed header
类型：
标志位：
根据这个可以写一个生成固定头的函数
 
#define MQTT_TypeCONNECT 1//请求连接
#define MQTT_TypeCONNACK 2//请求应答
#define MQTT_TypePUBLISH 3//发布消息
#define MQTT_TypePUBACK 4//发布应答
#define MQTT_TypePUBREC 5//发布已接收，保证传递1
#define MQTT_TypePUBREL 6//发布释放，保证传递2
#define MQTT_TypePUBCOMP 7//发布完成，保证传递3
#define MQTT_TypeSUBSCRIBE         8//订阅请求
#define MQTT_TypeSUBACK 9//订阅应答
#define MQTT_TypeUNSUBSCRIBE                 10//取消订阅
#define MQTT_TypeUNSUBACK 11//取消订阅应答
#define MQTT_TypePINGREQ 12//ping请求
#define MQTT_TypePINGRESP 13//ping响应
#define MQTT_TypeDISCONNECT                 14//断开连接
unsigned char GetDataFixedHead(unsigned char MesType,unsigned char DupFlag,unsigned char QosLevel,unsigned char Retain)
{
unsigned char dat = 0;
dat = (MesType & 0x0f) << 4;
dat |= (DupFlag & 0x01) << 3;
dat |= (QosLevel & 0x03) << 1;
dat |= (Retain & 0x01);
return dat;
}

4.2、连接
连接时抓的包的：
根据协议分析

 固定报头 Fixed header
也就是数据包前两个10 21
后面是可变头：协议名、协议级别、连接标志、清除会话、遗嘱标志、遗嘱、遗嘱保留、用户名标志、密码标志、保持连接。
然后是有效载荷：客户端标识符、遗嘱主题、遗嘱消息、用户名、密码。
 
#define MQTT_StaCleanSession 1 //清理会话
#define MQTT_StaWillFlag 0 //遗嘱标志
#define MQTT_StaWillQoS 0 //遗嘱QoS连接标志的第4和第3位。
#define MQTT_StaWillRetain 0 //遗嘱保留
#define MQTT_StaUserNameFlag 1 //用户名标志 User Name Flag
#define MQTT_StaPasswordFlag 1 //密码标志 Password Flag
#define MQTT_KeepAlive         60       //心跳包秒数
#define MQTT_ClientIdentifier         'test'                          //客户端标识符 Client Identifier
#define MQTT_WillTopic '' //遗嘱主题 Will Topic
#define MQTT_WillMessage '' //遗嘱消息 Will Message
#define MQTT_UserName 'admin' //用户名 User Name
#define MQTT_Password 'password' //密码 Password
void GetDataConnet(unsigned char *buff)//获取连接的数据包正确连接返回20 02 00 00
{
unsigned int i,len,lennum = 0;
unsigned char *msg;
buff[0] = GetDataFixedHead(MQTT_TypeCONNECT,0,0,0);
buff[2] = 0x00;
buff[3] = 0x04;
buff[4] = 'M';
buff[5] = 'Q';
buff[6] = 'T';
buff[7] = 'T';
buff[8] = 0x04;//协议级别 Protocol Level
buff[9] = 0 | (MQTT_StaCleanSession << 1) | (MQTT_StaWillFlag << 1)
    | (MQTT_StaWillQoS << 3) | (MQTT_StaWillRetain << 5)
    | (MQTT_StaPasswordFlag << 6) |(MQTT_StaUserNameFlag << 7);//连接标志
buff[10] = MQTT_KeepAlive >> 8;
buff[11] = MQTT_KeepAlive;
len = strlen(MQTT_ClientIdentifier);
buff[12] = len >> 8;
buff[13] = len;
msg = MQTT_ClientIdentifier;
for(i = 0;i
{
buff[14+i] = msg[i];
}
lennum += len;
if(MQTT_StaWillFlag)
{
len = strlen(MQTT_WillTopic);
buff[13 + lennum + 1] = len >> 8;
buff[13 + lennum + 2] = len;
lennum += 2;
msg = MQTT_WillTopic;
for(i = 0;i
{
buff[14+lennum+i] = msg[i];
}
lennum += len;
len = strlen(MQTT_WillMessage);
buff[12] = len >> 8;
buff[13] = len;
lennum += 2;
msg = MQTT_WillMessage;
for(i = 0;i
{
buff[14+lennum+i] = msg[i];
}
lennum += len;
}
if(MQTT_StaUserNameFlag)
{
len = strlen(MQTT_UserName);
buff[13 + lennum + 1] = len >> 8;
buff[13 + lennum + 2] = len;
lennum += 2;
msg = MQTT_UserName;
for(i = 0;i
{
buff[14+lennum+i] = msg[i];
}
lennum += len;

}
if(MQTT_StaPasswordFlag)
{
len = strlen(MQTT_Password);
buff[13 + lennum + 1] = len >> 8;
buff[13 + lennum + 2] = len;
lennum += 2;
msg = MQTT_Password;
for(i = 0;i
{
buff[14+lennum+i] = msg[i];
}
lennum += len;
}
buff[1] = 13 + lennum - 1;//最后计算长度
}
4.3、订阅主题
订阅a/b时抓的包：

/**********************
订阅主题的数据包
Num:主题序号 (每次连接从1开始)
RequestedQoS:服务质量要求0,1或2
**********************/
void GetDataSUBSCRIBE(unsigned char *buff,const char *dat,unsigned int Num,unsigned char RequestedQoS)
{
unsigned int i,len = 0,lennum = 0;
buff[0] = 0x82;
len = strlen(dat);
buff[2] = Num>>8;
buff[3] = Num;
buff[4] = len>>8;
buff[5] = len;
for(i = 0;i
{
buff[6+i] = dat[i];
}
lennum = len;
buff[6 + lennum ] = RequestedQoS;
buff[1] = lennum + 5;
}

4.4、发布信息

固定报头：

发送a/c主题信息为123时抓的包：

/**************************************
buff：数据包数组
dup ：重发标志
qos ：服务质量等级
retain：保留标志
topic:主题如“a/c”
msg:消息
************************************/
void GetDataPUBLISH(unsigned char *buff,unsigned char dup, unsigned char qos,unsigned char retain,const char *topic ,const char *msg)
{
unsigned int i,len=0,lennum=0;
buff[0] = GetDataFixedHead(MQTT_TypePUBLISH,dup,qos,retain);
len = strlen(topic);
buff[2] = len>>8;
buff[3] = len;
for(i = 0;i
{
buff[4+i] = topic[i];
}
lennum = len;
len = strlen(msg);
for(i = 0;i
{
buff[4+i+lennum] = msg[i];
}
lennum += len;
buff[1] = lennum + 2;
}

4.5、心跳请求

客户端发送PINGREQ报文给服务端的。

用于：

在没有任何其它控制报文从客户端发给服务的时，告知服务端客户端还活着。

请求服务端发送响应确认它还活着。

使用网络以确认网络连接没有断开。

心跳请求抓的包：

可以看到就是发了一个C0 00

而服务器返回一个 d0 00

5、总结

文中就讲了几个非常重要的请求格式。esp8266连接tcp服务器后就可以发送生成的数据包，就可以实现MQTT的功能。

代码我已经测试过完全可用。

下面给完整的代码：

mqtt.h

#ifndef __MQTT_H
#define __MQTT_H
#include 'sys.h'
#include
#define MQTT_TypeCONNECT 1//请求连接
#define MQTT_TypeCONNACK 2//请求应答
#define MQTT_TypePUBLISH 3//发布消息
#define MQTT_TypePUBACK 4//发布应答
#define MQTT_TypePUBREC 5//发布已接收，保证传递1
#define MQTT_TypePUBREL 6//发布释放，保证传递2
#define MQTT_TypePUBCOMP 7//发布完成，保证传递3
#define MQTT_TypeSUBSCRIBE 8//订阅请求
#define MQTT_TypeSUBACK 9//订阅应答
#define MQTT_TypeUNSUBSCRIBE 10//取消订阅
#define MQTT_TypeUNSUBACK 11//取消订阅应答
#define MQTT_TypePINGREQ 12//ping请求
#define MQTT_TypePINGRESP 13//ping响应
#define MQTT_TypeDISCONNECT 14//断开连接
#define MQTT_StaCleanSession 1 //清理会话
#define MQTT_StaWillFlag 0 //遗嘱标志
#define MQTT_StaWillQoS 0 //遗嘱QoS连接标志的第4和第3位。
#define MQTT_StaWillRetain 0 //遗嘱保留
#define MQTT_StaUserNameFlag 1 //用户名标志 User Name Flag
#define MQTT_StaPasswordFlag 1 //密码标志 Password Flag
#define MQTT_KeepAlive 60
#define MQTT_ClientIdentifier 'Tan1' //客户端标识符 Client Identifier
#define MQTT_WillTopic '' //遗嘱主题 Will Topic
#define MQTT_WillMessage '' //遗嘱消息 Will Message
#define MQTT_UserName 'admin' //用户名 User Name
#define MQTT_Password 'password' //密码 Password
unsigned char GetDataFixedHead(unsigned char MesType,unsigned char DupFlag,unsigned char QosLevel,unsigned char Retain);
void GetDataPUBLISH(unsigned char *buff,unsigned char dup, unsigned char qos,unsigned char retain,const char *topic ,const char *msg);//获取发布消息的数据包
void GetDataSUBSCRIBE(unsigned char *buff,const char *dat,unsigned int Num,unsigned char RequestedQoS);//订阅主题的数据包 Num:主题序号 RequestedQoS:服务质量要求0,1或2
void GetDataDisConnet(unsigned char *buff);//获取断开连接的数据包
void GetDataConnet(unsigned char *buff);//获取连接的数据包正确连接返回20 02 00 00
void GetDataPINGREQ(unsigned char *buff);//心跳请求的数据包成功返回d0 00
#endif

mqtt.c

#include 'mqtt.h'
unsigned char GetDataFixedHead(unsigned char MesType,unsigned char DupFlag,unsigned char QosLevel,unsigned char Retain)
{
unsigned char dat = 0;
dat = (MesType & 0x0f) << 4;
dat |= (DupFlag & 0x01) << 3;
dat |= (QosLevel & 0x03) << 1;
dat |= (Retain & 0x01);
return dat;
}
void GetDataConnet(unsigned char *buff)//获取连接的数据包正确连接返回20 02 00 00
{
unsigned int i,len,lennum = 0;
unsigned char *msg;
buff[0] = GetDataFixedHead(MQTT_TypeCONNECT,0,0,0);
buff[2] = 0x00;
buff[3] = 0x04;
buff[4] = 'M';
buff[5] = 'Q';
buff[6] = 'T';
buff[7] = 'T';
buff[8] = 0x04;//协议级别 Protocol Level
buff[9] = 0 | (MQTT_StaCleanSession << 1) | (MQTT_StaWillFlag << 1)
| (MQTT_StaWillQoS << 3) | (MQTT_StaWillRetain << 5)
| (MQTT_StaPasswordFlag << 6) |(MQTT_StaUserNameFlag << 7);//连接标志
buff[10] = MQTT_KeepAlive >> 8;
buff[11] = MQTT_KeepAlive;
len = strlen(MQTT_ClientIdentifier);
buff[12] = len >> 8;
buff[13] = len;
msg = MQTT_ClientIdentifier;
for(i = 0;i
{
buff[14+i] = msg[i];
}
lennum += len;
if(MQTT_StaWillFlag)
{
len = strlen(MQTT_WillTopic);
buff[13 + lennum + 1] = len >> 8;
buff[13 + lennum + 2] = len;
lennum += 2;
msg = MQTT_WillTopic;
for(i = 0;i
{
buff[14+lennum+i] = msg[i];
}
lennum += len;
len = strlen(MQTT_WillMessage);
buff[12] = len >> 8;
buff[13] = len;
lennum += 2;
msg = MQTT_WillMessage;
for(i = 0;i
{
buff[14+lennum+i] = msg[i];
}
lennum += len;
}
if(MQTT_StaUserNameFlag)
{
len = strlen(MQTT_UserName);
buff[13 + lennum + 1] = len >> 8;
buff[13 + lennum + 2] = len;
lennum += 2;
msg = MQTT_UserName;
for(i = 0;i
{
buff[14+lennum+i] = msg[i];
}
lennum += len;
}
if(MQTT_StaPasswordFlag)
{
len = strlen(MQTT_Password);
buff[13 + lennum + 1] = len >> 8;
buff[13 + lennum + 2] = len;
lennum += 2;
msg = MQTT_Password;
for(i = 0;i
{
buff[14+lennum+i] = msg[i];
}
lennum += len;
}
buff[1] = 13 + lennum - 1;
}
void GetDataDisConnet(unsigned char *buff)//获取断开连接的数据包
{
buff[0] = 0xe0;
buff[1] = 0;
}
void GetDataPINGREQ(unsigned char *buff)//心跳请求的数据包成功返回d0 00
{
buff[0] = 0xc0;
buff[1] = 0;
}
/*
成功返回90 0x 00 Num RequestedQoS
*/
void GetDataSUBSCRIBE(unsigned char *buff,const char *dat,unsigned int Num,unsigned char RequestedQoS)//订阅主题的数据包 Num:主题序号 RequestedQoS:服务质量要求0,1或2
{
unsigned int i,len = 0,lennum = 0;
buff[0] = 0x82;
len = strlen(dat);
buff[2] = Num>>8;
buff[3] = Num;
buff[4] = len>>8;
buff[5] = len;
for(i = 0;i
{
buff[6+i] = dat[i];
}
lennum = len;
buff[6 + lennum ] = RequestedQoS;
buff[1] = lennum + 5;
}
void GetDataPUBLISH(unsigned char *buff,unsigned char dup, unsigned char qos,unsigned char retain,const char *topic ,const char *msg)//获取发布消息的数据包
{
unsigned int i,len=0,lennum=0;
buff[0] = GetDataFixedHead(MQTT_TypePUBLISH,dup,qos,retain);
len = strlen(topic);
buff[2] = len>>8;
buff[3] = len;
for(i = 0;i
{
buff[4+i] = topic[i];
}
lennum = len;
len = strlen(msg);
for(i = 0;i
{
buff[4+i+lennum] = msg[i];
}
lennum += len;
buff[1] = lennum + 2;
}

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