良许嵌入式

小项目：使用MQTT上传温湿度到Onenet服务器

前言

我们之前分别编写了 DHT11、ESP8266 和 MQTT 的代码，现在我们将它们仨整合在一起，来做一个温湿度检测小项目。这个项目可以实时地将 DHT11 传感器获取到的温湿度数据上传到 OneNET 平台。通过登录 OneNET，我们随时随地可以查看温湿度数据。

这种环境监测项目的应用场景有很多，其中特别适用于温室环境监测，园丁可以随时随地了解温室中空气情况，以确保温室环境适合娇贵的花草树木生长。

1. 源码下载及前置阅读

  • STM32F103C8T6模板工程

链接：https://pan.baidu.com/s/1n7XHCaMYtASWdJH2uA5yDA?pwd=lw59 提取码：lw59

  • 本文的源码

链接：https://pan.baidu.com/s/1skNMQTdgoWllgL-fWl2mqw?pwd=p8qw 提取码：p8qw

  • token生成工具

链接：https://pan.baidu.com/s/1w73nfagxNC5Xw6dnsagixQ?pwd=dafw 提取码：dafw

如果你是嵌入式开发小白，那么建议你先读读下面几篇文章。

前期教程，没看过的小伙伴可以先看下。

2. 整体系统设计

使用 STM32F103C8T6 作主控芯片，配合 DHT11 温湿度传感器，实时监测周围环境的温湿度变化。通过 ESP8266 模块以 MQTT 协议将获取到的温湿度数据通过无线网络连接上传至 OneNET 平台，以便用户可以随时随地通过手机或电脑查看数据。

3. 硬件选型

本教程使用的硬件如下：

  • 单片机：STM32F103C8T6

这款单片机具有 64K flash，20K RAM，4 个定时器，3 个串口，网络上资料好几吨，非常适合初学者入门，强烈推荐。

  • WiFi模块：ESP-01S（ESP8266）

ESP8266 可以利用串口与单片机进行通讯，从而编程实现控制。

  • 温湿度传感器：DHT11

DHT11 有 3 脚和 4 脚两款，在使用上没有差别，接线都一样，主要接三根，四脚的款式有一脚悬空。四脚款接杜邦线会有点不稳，适合插面包板或开发板上。

DHT11 工作参数：

  1. 湿度测量范围：20~90%RH
  2. 湿度测量精度：±5%RH
  3. 温度测量范围：0~50℃
  4. 温度测量精度：±2℃
  5. 工作电压：DC 3.3V/5V
  • 串口：USB 转 TTL

这种设备主要作用是用来调试或下载程序，本文用于串口输出作调试。价格也很便宜，普遍 5~8 元。

  • 烧录器：ST-LINK V2

ST-Link 是一种用于 STM32 微控制器的调试和编程工具，它可以通过 SWD 或 JTAG 接口与开发板进行通信。本文用做烧录。一般也很便宜，七八元左右。

4. OneNET 物联网平台

MQTT 服务端可以是云平台，OneNET、阿里云、华为云、腾讯云等；也可以自己搭建服务端，用 EMQ 或 Mosquitto 。

本次我们使用 OneNET，接下来我们来配置一下 OneNET。

点开 OneNET 官方网址：中移坤灵 - 中国移动物联网开放平台 (10086.cn)open in new window

有账号的登录，没账号的注册一下。

登录好后点击「开发者中心」。

4.1 创建产品

接下来我们先创建一个产品，之后再创建具体的设备。

可按照下图参数创建产品。

4.2 创建物模型

通过物模型我们可以定义设备的属性、服务和事件功能。我们需要创建几个物模型，用于上传数据和事件告警。

创建两个物模型：

  • 当前湿度，用于存储实时湿度数据。
  • 当前温度，用于存储实时温度数据。

本教程只用到「当前湿度」和「当前温度」，剩下的物模型是下篇教程使用的。

4.3 创建设备

接下来就开始创建产品下的具体设备。

4.4 生成MQTT三元组

「MQTT 三元组」是 MQTT 协议中至关重要的，就像去考试的时候，一定要带上准考证、身份证才能进考场，要有「MQTT 三元组」才能连接 MQTT 服务端。

得到初步「MQTT 三元组」：

  • 设备 ID：temp01
  • 产品 ID：P2k4KV0low
  • 设备密钥：REhWUEhWbDlIOTdRUFEzU1dGQXk4TlZKZ25oQ0N4S3M=

设备密钥需要经过加密，加密需要用 OneNET 官方的 token 生成工具。

官网下载地址：OneNET - 中国移动物联网开放平台 (10086.cn)open in new window

也可以拿文章开头提供的，也是官网下载的。

下载好 token 生成工具，打开界面如下，我来告诉大家每个空填啥。

各个参数介绍如下表：

名称类型参数说明参数示例
resstring访问资源 resource 格式为：products/{产品id}/devices/{设备名字}products/P2k4KV0low/devices/temp01
etint访问过期时间，单位秒，unix 时间。当一次访问参数中的 et 时间小于当前时间时，平台会认为访问参数过期从而拒绝该访问2017881776 表示：北京时间 2033-12-11 10:42:56
keystringMQTT 三元组的设备密钥REhWUEhWbDlIOTdRUFEzU1dGQXk4TlZKZ25oQ0N4S3M=
methodstring加密方式，支持 hmacmd5、hmacsha1、hmacsha256md5（代表使用hmacmd5算法）
sha1（代表使用hmacsha1算法）
sha256（代表使用hmacsha256 算法）
versionstring参数组版本号，日期格式，目前仅支持"2018-10-31"2018-10-31

et 的时间戳可以用这个在线工具转换，网页地址：时间戳(Unix timestamp)转换工具 - 在线工具 (tool.lu)open in new window

根据介绍，填好各个参数的空，我们选择 sha1 的加密方式，大家可以选择自己喜欢的。填好如下操作：

得到最终「MQTT 三元组」：

  • 设备 ID：temp01
  • 产品 ID：P2k4KV0low
  • token：version=2018-10-31&res=products%2FP2k4KV0low%2Fdevices%2Ftemp01&et=2017881776&method=sha1&sign=M3jVJvfeFLnggMrUPhYm5uRirXs%3D

4.5 主题订阅格式

4.5.1 OneNET地址

OneNET 服务器地址是 mqtts.heclouds.com : 1883，地址是从 OneNET 文档中心得到的。

4.5.2 订阅主题

选择设置直连设备属性：$sys/P2k4KV0low/{device-name}/thing/property/set

{device-name} 是设备ID，比如我们的就是 temp01。

4.5.3 上报主题

选择直连设备上报属性：$sys/P2k4KV0low/{device-name}/thing/property/post

{device-name} 是设备ID，比如我们的就是 temp01。

5. STM32 设备端开发

5.1 硬件接线

接线可参照下表：

ESP8266DHT11STM32USB 转 TTL
3V33.3
TXA3
RXA2
GNDG
VCC3.3
DATAA5
GNDG
A10TX
A9RX
GGND

烧录的时候接线如下表，如果不会烧录的话可以看我之前的文章【STM32下载程序的五种方法open in new window】。

ST-Link V2STM32
SWCLKSWCLK
SWDIOSWDIO
GNDGND
3.3V3V3

5.2 设备实物图

接好如下图。

5.3 DHT11温湿度传感器代码

详细代码解析可以看手把手教你玩转DHT11（原理+驱动）open in new window。

5.3.1 读取1字节数据

将 DHT11 发来的二进制数据存储到 ReadData 变量中，读取一位后，左移一位，循环8次，最终得到 1 byte 数据。

那么如何判断我们读到的数据是 0 还是 1 呢？

通过 3.2.3 的分析可以知道，0 和 1 的时序只是高电平持续时间不同，所以我们只需要在 DHT11 拉低电平之后延时 40~60 微秒（代码中使用 50 微秒），再读取电平状态就可以了，如果是高电平则为 1，低电平则为 0 。

uint8_t DHT_Read_Byte(void)  //从DHT11读取一位（8字节）信号
{
    uint8_t i;
    uint8_t ReadData = 0;    //ReadData用于存放8bit数据，即8个单次读取的1bit数据的组合
	uint8_t temp;            //临时存放信号电平（0或1）
	
    for(i=0;i<8;i++){
        while(!HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_IO, DHT11_PIN));
        Delay_us(50);
        if(HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_IO, DHT11_PIN) == 1){
            temp = 1;
            while(HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_IO, DHT11_PIN));
        }else{
            temp = 0;
        } 
        ReadData = ReadData << 1;
        ReadData |= temp;
    }
    return ReadData;
}

5.3.2 一次数据读取及显示

根据 DHT11 的时序，我们就可以使用代码实现 DHT11 一次读取数据过程。

注意：DHT11 读取数据间隔至少为 2 秒，否则读取到的数据可能不稳定，所以在最后可以延时 2 秒。

void DHT_Read()
{
	uint8_t i;
	
	DHT11_Start();
	DHT_GPIO_INPUT();
    
	for(i= 0;i < 5;i++){
		Data[i] = DHT_Read_Byte();
	}
    if((Data[0]+Data[1]+Data[2]+Data[3])==Data[4])
    {
        printf("湿度: %d.%dRH ，", Data[0], Data[1]);
        printf("温度: %d.%d℃\r\n", Data[2], Data[3]);
    }else{
        printf("ERROR DATA\r\n");
    }
    HAL_Delay(2000);
}

5.4 ESP8266模块代码

详细代码解析可以看手把手教你玩转ESP8266（原理+驱动）open in new window。

5.4.1 ESP8266 初始化

按照项目需求编写 ESP8266 初始化代码，我们需要将 ESP8266 设置工作模式为STA、单路连接模式、连接 WIFI 等操作。

uint8_t esp8266_init(uint32_t baudrate)
{
    char ip_buf[16];

    esp8266_uart_init(baudrate);                /* ESP8266 UART初始化 */

    /* 让WIFI退出透传模式 */
    printf("\r\n    退出透传模式\r\n");
	esp8266_exit_unvarnished();

	printf("    1.测试ESP8266是否存在（AT）\r\n");
	while(esp8266_at_test())
        delay_ms(500);
	
	printf("    2.重启ESP8266（AT+RST）\r\n");
    while(esp8266_sw_reset())
        delay_ms(500);
	while(esp8266_disconnect_tcp_server())
        delay_ms(500);
	
	printf("    3.设置工作模式为STA（AT+CWMODE=1）\r\n");
	while(esp8266_set_mode(ESP8266_STA_MODE))
        delay_ms(500);
	
	printf("    4.设置单路连接模式（AT+CIPMUX）\r\n");  //设置单路连接模式，透传只能使用此模式
	while(esp8266_single_connection())
        delay_ms(500);
	
	printf("    5.连接WiFi，SSID：%s，PWD：%s\r\n", WIFI_SSID, WIFI_PWD);      //连接WIFI
	while(esp8266_join_ap(WIFI_SSID, WIFI_PWD))
        delay_ms(1000);
    
    printf("    6.获取IP地址（AT+CIFSR）：");
    while(esp8266_get_ip(ip_buf))
        delay_ms(500);

    printf("%s\r\n\r\n", ip_buf);
    
    printf("ESP8266初始化完成\r\n");
    return ESP8266_EOK;
}

初始化结束后连接 OneNET 服务器并进入透传模式。

void esp8266_connect_server(char *server_ip, char *server_port)
{
    esp8266_disconnect_tcp_server();
    printf("    7.连接云服务器（AT+CIPSTART），server_ip：%s，server_port：%s\r\n", server_ip, server_port);
    while(esp8266_connect_tcp_server(server_ip, server_port))
        delay_ms(500);
    
    printf("    8.进入透传模式（AT+CIPMODE）\r\n");
    while(esp8266_enter_unvarnished())
        delay_ms(500);
    
    printf("已连接上云服务器并进入透传模式。\r\n");
}

5.5 MQTT代码

5.5.1 CONNECT 报文

CONNECT 报文的编写及发送代码，报文编写就按照我们7.2节的理论编写即可，报文内容：10+剩余长度+00 04 4D 51 54 54 04 C2+保持连接时间+L+设备 ID+L+产品 ID+L+token。

uint8_t mqtt_connect(char *ClientID,char *Username,char *Password)
{
    uint8_t i,j;
    int ClientIDLen = strlen(ClientID);
    int UsernameLen = strlen(Username);
    int PasswordLen = strlen(Password);
    int DataLen;
	mqtt_txlen=0;
	//可变报头+Payload  每个字段包含两个字节的长度标识
    DataLen = 10 + (ClientIDLen+2) + (UsernameLen+2) + (PasswordLen+2);
	
	//固定报头
	//控制报文类型
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x10;		//MQTT Message Type CONNECT
	//剩余长度(不包括固定头部)
	do
	{
		uint8_t encodedByte = DataLen % 128;
		DataLen = DataLen / 128;
		// if there are more data to encode, set the top bit of this byte
		if ( DataLen > 0 )
			encodedByte = encodedByte | 128;
		mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte;
	}while ( DataLen > 0 );
    	
	//可变报头
	//协议名
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0;        	// Protocol Name Length MSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4;           // Protocol Name Length LSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'M';        	// ASCII Code for M    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'Q';        	// ASCII Code for Q    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'T';        	// ASCII Code for T    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'T';        	// ASCII Code for T    
	//协议级别
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4;        		// MQTT Protocol version = 4    
	//连接标志
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0xc2;        	// conn flags 
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0;        		// Keep-alive Time Length MSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 100;        	// Keep-alive Time Length LSB  100S心跳包  
	
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(ClientIDLen);// Client ID length MSB    
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(ClientIDLen);// Client ID length LSB  	
	memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],ClientID,ClientIDLen);
    mqtt_txlen += ClientIDLen;
    
    if(UsernameLen > 0)
    {   
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(UsernameLen);		//username length MSB    
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(UsernameLen);    	//username length LSB    
		memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Username,UsernameLen);
        mqtt_txlen += UsernameLen;
    }
    
    if(PasswordLen > 0)
    {    
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(PasswordLen);		//password length MSB    
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(PasswordLen);    	//password length LSB  
		memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Password,PasswordLen);
        mqtt_txlen += PasswordLen; 
    }    
	
    for(i=0;i<10;i++)
    {
        memset(mqtt_rxbuf,0,mqtt_rxlen);
		mqtt_send_data(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
        for(j=0;j<10;j++)
        {
            delay_ms(50);
            if (esp8266_wait_receive() == ESP8266_EOK)
                esp8266_copy_rxdata((char *)mqtt_rxbuf);

			//CONNECT
			if(mqtt_rxbuf[0]==parket_connetAck[0] && mqtt_rxbuf[1]==parket_connetAck[1] && mqtt_rxbuf[2]==parket_connetAck[2]) //连接成功			   
			{
				return 0;//连接成功
			}
        }
    }
	return 1;
}

5.5.2 PUBLISH 报文

PUBLISH 报文的编写及发送代码，报文编写就按照我们7.2节的理论编写即可，报文内容：30 +剩余长度+L+主题+数据（JSON）。

uint8_t mqtt_publish_data(char *topic, char *message, uint8_t qos)
{  
    int topicLength = strlen(topic);    
    int messageLength = strlen(message);     
    static uint16_t id=0;
	int DataLen;
	mqtt_txlen=0;
	//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
	//QOS为0时没有标识符
	//数据长度             主题名   报文标识符   有效载荷
    if(qos)	DataLen = (2+topicLength) + 2 + messageLength;       
    else	DataLen = (2+topicLength) + messageLength;   

    //固定报头
	//控制报文类型
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x30;    // MQTT Message Type PUBLISH  

	//剩余长度
	do
	{
		uint8_t encodedByte = DataLen % 128;
		DataLen = DataLen / 128;
		// if there are more data to encode, set the top bit of this byte
		if ( DataLen > 0 )
			encodedByte = encodedByte | 128;
		mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte;
	}while ( DataLen > 0 );	
	
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(topicLength);//主题长度MSB
    mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(topicLength);//主题长度LSB 
	memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],topic,topicLength);//拷贝主题
    mqtt_txlen += topicLength;
        
	//报文标识符
    if(qos)
    {
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(id);
        mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(id);
        id++;
    }
	memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],message,messageLength);
    mqtt_txlen += messageLength;

//    int i = 0;
//    for(i=0;i<mqtt_txlen;i++)
//        printf("%02X ", mqtt_txbuf[i]);
//    printf("\r\n");
	mqtt_send_data(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
    return mqtt_txlen;
}

5.6 主函数逻辑代码

主函数代码如下：

#include "sys.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "esp8266.h"
#include "onenet.h"
#include "dht11.h"


extern char dht11_data[5];

int main(void)
{
    HAL_Init();                                 /* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);         /* 设置时钟,72M */
    delay_init(72);                             /* 初始化延时函数 */
    usart_init(115200);                         /* 波特率设为115200 */
    
    printf("初始化ESP8266...\r\n");
    esp8266_init(115200);

    printf("初始化MQTT...\r\n");
    mqtt_init();

    printf("MQTT连接...\r\n");
    mqtt_connect(MQTT_ClientID,MQTT_UserName,MQTT_PassWord);

    while(1)
    {
        uint8_t data_send_buff[512];
        memset(data_send_buff, 0, sizeof(data_send_buff));
        dht11_read();
        sprintf((char *)data_send_buff,"{\"id\":\"1386772172\",\"version\":\"1.0\",\"params\":{\"temperature\":{\"value\":%d.%d},\"humidity\":{\"value\":%d.%d}}}"
            ,dht11_data[2], dht11_data[3], dht11_data[0], dht11_data[1]);
        mqtt_publish_data(POST_TOPIC, (char *)data_send_buff, 0);
        HAL_Delay(3000);        //3s发送一次

        printf("\r\n~~~~~~~~发送心跳包~~~~~~~~\r\n");
        mqtt_send_heart();
        printf("~~~~~~~~心跳包发送结束~~~~~~~~\r\n");
    }
}

5.7 运行过程

烧录好后，串口效果如下：

OneNET 平台效果如下：

总结

把前面学的知识整合成一个小项目后是不是成就感爆棚了，接下来会不断继续优化这个小项目，让它更完整，更人性。感谢各位看官，love and peace！

by liangxu