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ESP32-WROOM-32E最小开发板编程入门(物联网篇)

2024年08月03日 • C/C++ •我要评论
ESP32-WROOM-32E MQTT IoT 开发板 物联网

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

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

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

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。

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

点击发送即可看到灯的开关状态

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