STM32+W5500+MQTT+Android实现远程数据采集及控制

曾经最美

0 前言
最近在学习MQTT，发现MQTT还是挺好用的，于是花了点时间做了一个简单的应用示例，希望能给需要做这方面的人一些参考。
相关背景知识：http://www.embed-net.com/thread-224-1-1.html
具体功能为：
1，STM32F405为主控芯片，它通过传感器采集环境数据，比如温度，湿度，光照度，大气压强等；
2，主控芯片通过W5500模块将测量的数据通过MQTT协议方式发布到MQTT服务器（服务器域名和IP见固件程序）；
3，主控订阅LED灯控制的消息，当接收到对应的控制指令后点亮或者熄灭对应的LED灯；
4，安卓手机端订阅传感器数据的消息，当接收到消息后将传感器数据在界面显示；
5，安卓手机可发送点亮或者熄灭LED灯的指令到服务器，然后服务器会将该指令转发给STM32主控，然后STM32主控解析该指令并执行指令。

1 单片机端实现
MQTT协议是基于TCP的协议，所以我们只需要在单片机端实现TCP客户端代码之后就很容易移植MQTT了，STM32F4+W5500实现TCP客户端的代码我们以前已经实现过，代码下载地址为：
http://www.embed-net.com/thread-87-1-1.html
当然，如果你想在代码里面直接使用服务器域名方式进行连接，我们还得在TCP客户端代码里面集成DNS的代码，当然在上面这个连接里面也有相关的代码。
MQTT代码源码下载地址：
http://www.eclipse.org/paho/
在STM32这边我们使用的是C/C++ MQTT Embedded clients代码。
硬件连接如下图所示：

1.1 MQTT的移植
MQTT的移植非常简单，将C/C++ MQTT Embedded clients的代码添加到工程中，然后我们只需要再次封装4个函数即可：
int transport_sendPacketBuffer(unsigned char* buf, int buflen);
int transport_getdata(unsigned char* buf, int count);
int transport_open(void);
int transport_close(void);

transport_sendPacketBuffer：通过网络以TCP的方式发送数据；
transport_getdata：TCP方式从服务器端读取数据，该函数目前属于阻塞函数；
transport_open：打开一个网络接口，其实就是和服务器建立一个TCP连接；
transport_close：关闭网络接口。
如果已经移植好了socket方式的TCP客户端的程序，那么这几个函数的封装也是非常简单的，程序代码如下所示：
/**
  * @brief  通过TCP方式发送数据到TCP服务器
  * @param  buf 数据首地址
  * @param  buflen 数据长度
  * @retval 小于0表示发送失败
  */
int transport_sendPacketBuffer(unsigned char* buf, int buflen)
{
  return send(SOCK_TCPS,buf,buflen);
}
/**
  * @brief  阻塞方式接收TCP服务器发送的数据
  * @param  buf 数据存储首地址
  * @param  count 数据缓冲区长度
  * @retval 小于0表示接收数据失败
  */
int transport_getdata(unsigned char* buf, int count)
{
  return recv(SOCK_TCPS,buf,count);
}


/**
  * @brief  打开一个socket并连接到服务器
  * @param  无
  * @retval 小于0表示打开失败
  */
int transport_open(void)
{
  int32_t ret;
  //新建一个Socket并绑定本地端口5000
  ret = socket(SOCK_TCPS,Sn_MR_TCP,5000,0x00);
  if(ret != SOCK_TCPS){
    printf("%d:Socket Error\r\n",SOCK_TCPS);
    while(1);
  }else{
    printf("%d:Opened\r\n",SOCK_TCPS);
  }

  //连接TCP服务器
  ret = connect(SOCK_TCPS,domain_ip,1883);//端口必须为1883
  if(ret != SOCK_OK){
    printf("%d:Socket Connect Error\r\n",SOCK_TCPS);
    while(1);
  }else{
    printf("%d:Connected\r\n",SOCK_TCPS);
  }     
    return 0;
}
/**
  * @brief  关闭socket
  * @param  无
  * @retval 小于0表示关闭失败
  */
int transport_close(void)
{
  close(SOCK_TCPS);
  return 0;
}


完成了这几个函数，然后我们就可以根据官方提供的示例代码实现我们自己的代码了，比如我们向代理服务器发送一个消息的代码如下所示：
/**
  * @brief  向代理（服务器）发送一个消息
  * @param  pTopic 消息主题
  * @param  pMessage 消息内容
  * @retval 小于0表示发送失败
  */
int mqtt_publish(char *pTopic,char *pMessage)
{
  int32_t len,rc;
  MQTTPacket_connectData data = MQTTPacket_connectData_initializer;
  unsigned char buf[200];
  MQTTString topicString = MQTTString_initializer;
  int msglen = strlen(pMessage);
  int buflen = sizeof(buf);

  data.clientID.cstring = "me";
  data.keepAliveInterval = 5;
  data.cleansession = 1;
  len = MQTTSerialize_connect(buf, buflen, &data); /* 1 */

  topicString.cstring = pTopic;
  len += MQTTSerialize_publish(buf + len, buflen - len, 0, 0, 0, 0, topicString, (unsigned char*)pMessage, msglen); /* 2 */

  len += MQTTSerialize_disconnect(buf + len, buflen - len); /* 3 */
  transport_open();
  rc = transport_sendPacketBuffer(buf,len);
  transport_close();
    if (rc == len)
        printf("Successfully published\n\r");
    else
        printf("Publish failed\n\r");
  return 0;
}

下面我们看下主函数的代码，思路也比较清晰：
int main(void)
{
  static char meassage[200];
  int rc;
  char *led;
  char led_value;
  float temperature,humidity,light,pressure;
  srand(0);
  //配置LED灯引脚
  LED_Config();
    //初始化配置网络
    network_init();
  while(1){
    memset(meassage,0,sizeof(meassage));
    //订阅消息
    rc = mqtt_subscrib("pyboard_led",meassage);
    printf("rc = %d\n\r",rc);
    if(rc >= 0){
      printf("meassage = %s\n\r",meassage);
      //解析JSON格式字符串并点亮相应的LED灯
      cJSON *root = cJSON_Parse(meassage);
      if(root != NULL){
        led = cJSON_GetObjectItem(root,"led")->valuestring;
        printf("led = %s\n\r",led);
        led_value = cJSON_GetObjectItem(root,"value")->valueint;
        if(!strcmp(led,"red")){
          if(led_value){
            LED_On(LED_RED);
          }else{
            LED_Off(LED_RED);
          }
        }else if(!strcmp(led,"green")){
          if(led_value){
            LED_On(LED_GREEN);
          }else{
            LED_Off(LED_GREEN);
          }
        }else if(!strcmp(led,"blue")){
          if(led_value){
            LED_On(LED_BLUE);
          }else{
            LED_Off(LED_BLUE);
          }
        }else if(!strcmp(led,"yellow")){
          if(led_value){
            LED_On(LED_YELLOW);
            printf("Yellow On\n\r");
          }else{
            LED_Off(LED_YELLOW);
            printf("Yellow Off\n\r");
          }
        }
        // 释放内存空间  
        cJSON_Delete(root);
      }else{
        printf("Error before: [%s]\n\r",cJSON_GetErrorPtr());  
      }
    }
    delay_ms(500);
    //获取传感器测量数据，该示例使用随机数
    temperature = rand()%50;
    humidity = rand()%100;
    light = rand()%1000;
    pressure = rand()%1000;
    //将数据合成为JSON格式数据
    sprintf(meassage,"{\"temperature\":%.1f,\"humidity\":%.1f,\"light\":%.1f,\"pressure\":%.1f}",temperature,humidity,light,pressure);
    //将数据发送出去
    mqtt_publish("pyboard_value",meassage);
  }
}

完整工程代码可在后面的附件下载。

2 手机端代码实现
手机端我们也使用官方提供的Java库Java client and utilities，下载地址：
http://www.eclipse.org/paho/
将jar文件添加到工程中即可，程序界面如下所示：

上面4个条目分别显示STM32单片机通过W5500发送到服务器端的传感器测量数据；
下面4个图片分别控制板子上的4个LED灯；
消息发送我们采用线程的方式发送，接收采用回调函数方式接收消息。

2.1 实现消息发送
发送消息的代码如下所示：
/**
   * send message
   */
  class PublishThread extends Thread {
      String topic;
      MqttMessage message;
      int qos = 0;
      MemoryPersistence persistence = new MemoryPersistence();
      PublishThread(String topic,String message){
          this.topic = topic;
          this.message = new MqttMessage(message.getBytes());
      }
      public void sendMessage(String topic,String message){
          this.topic = topic;
          this.message = new MqttMessage(message.getBytes());
          run();
      }
      @Override
      public void run() {
          try {
              MqttClient sampleClient = new MqttClient(broker, clientId, persistence);
              MqttConnectOptions connOpts = new MqttConnectOptions();
              connOpts.setCleanSession(true);
              connOpts.setKeepAliveInterval(1);
              System.out.println("Connecting to broker: " + broker);
              sampleClient.connect(connOpts);
              System.out.println("Connected");
              System.out.println("Publishing message: " + message.toString());
              message.setQos(qos);
              sampleClient.publish(topic, message);
              System.out.println("Message published");
              sampleClient.disconnect();
              System.out.println("Disconnected");
          }catch(MqttException me) {
              System.out.println("reason "+me.getReasonCode());
              System.out.println("msg "+me.getMessage());
              System.out.println("loc "+me.getLocalizedMessage());
              System.out.println("cause "+me.getCause());
              System.out.println("excep "+me);
              me.printStackTrace();
          }
      }
  }


2.2 实现消息接收
接收消息的代码如下所示：
/**
  * receive message
  */
class SubscribeThread extends Thread{
     final String topic;
     MemoryPersistence persistence = new MemoryPersistence();
     SubscribeThread(String topic){
         this.topic = topic;
     }
     @Override
     public void run(){
         try {
             final MqttClient sampleClient = new MqttClient(broker, clientId, persistence);
             final MqttConnectOptions connOpts = new MqttConnectOptions();
             connOpts.setCleanSession(true);
             System.out.println("Connecting to broker: " + broker);
             connOpts.setKeepAliveInterval(5);
             sampleClient.setCallback(new MqttCallback() {
                 @Override
                 public void connectionLost(Throwable throwable) {
                     System.out.println("connectionLost");
                     try {
                         sampleClient.connect(connOpts);
                         sampleClient.subscribe(topic);
                     }catch (MqttException e){
                         e.printStackTrace();
                     }
                 }

                 @Override
                 public void messageArrived(String topic, MqttMessage mqttMessage) throws Exception {
                     System.out.println("messageArrived:"+mqttMessage.toString());
                     System.out.println(topic);
                     System.out.println(mqttMessage.toString());
                     try {
                         JSONTokener jsonParser = new JSONTokener(mqttMessage.toString());
                         JSONObject person = (JSONObject) jsonParser.nextValue();
                         temperature = person.getDouble("temperature");
                         humidity = person.getDouble("humidity");
                         light = person.getDouble("light");
                         pressure = person.getDouble("pressure");
                         System.out.println("temperature = " + temperature);
                         System.out.println("humidity = " + humidity);
                         runOnUiThread(new Runnable() {
                             @Override
                             public void run() {
                                 temperatureTextView.setText(String.format("%.1f", temperature));
                                 humidityTextView.setText(String.format("%.1f", humidity));
                                 lightTextView.setText(String.format("%.1f", light));
                                 pressureTextView.setText(String.format("%.1f", pressure));
                             }
                         });
                     } catch (JSONException ex) {
                         ex.printStackTrace();
                     }
                 }

                 @Override
                 public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken iMqttDeliveryToken) {
                     System.out.println("deliveryComplete");
                 }
             });
             sampleClient.connect(connOpts);
             sampleClient.subscribe(topic);
         } catch(MqttException me) {
             System.out.println("reason "+me.getReasonCode());
             System.out.println("msg "+me.getMessage());
             System.out.println("loc "+me.getLocalizedMessage());
             System.out.println("cause "+me.getCause());
             System.out.println("excep "+me);
             me.printStackTrace();
         }
     }
}


3 实测效果
1，单片机端定时更新传感器数据，手机端也会同步更新；
2，手机端点击4个LED控制的按钮，板子上也会点亮或者熄灭对应的LED；

4 源码下载
http://www.embed-net.com/thread-230-1-1.html