解锁华为云新技能-AIOT开发全流程(2)【设备接入-ESP端侧数据收集[MQTT]-实时数据分析】（步步截图较详细）

ESP8266-STM32-传感器结合以实现端侧数据收集[MQTT]

前面这部分为了使的演示简单明了，同时也考虑到大部分的小伙伴看这篇博客是没有硬件在手，所以采用了虚拟设备进行云链接，现在我们开始展示硬件的云通信。

在这里主要的通讯模块是ESP8266，因为笔者实在是太菜，对NB-IOT或者4/5G模块或者LoRa的理解还不够深入，所以用这个例子来讲解MQTT的传输。

MQTT简介

MQTT可以为一种网络协议，是通讯的语言，比如说大家熟知的java、python、C/C+都是编程语言。而物联网设备间沟通的语言，就是网络协议。设备间想相互交流，通信双方必须使用同一种“语言”。比如说你和中国人问好说’你好‘、日本人问好要说‘こんにちは’、和英国人问好要说‘hello’.

我以前在郭朝斌“物联网开发实战“中曾经听到是这么解释MQTT的重要性的，这里例子非常生动：

物联网的网络通信特点是物联网设备很大可能工作在不可靠、高延迟的网络环境中。 并且物联网系统中，设备数量多，而且交互非常复杂。比如家里的环境监测，温度、湿度、光照、二氧化碳、甲醛含量……这些都需要不同的设备测量，而且每个房间用到的设备也不同。如果让云平台的服务对每个设备分别做权限控制和数据阈值设置，这会非常麻烦。

因为当数据的“生产者”和“消费者”直接交互时，要是没有中间角色基于共同的目标协调，双方的耦合度会很大，导致系统很难实现。 这时候，需要把家为一个整体来处理，交互逻辑就会变得简单多了。设备经常需要根据实际使用环境做增加、减少等调整。

所以基于上述的这些特点，物联网系统在选择网络通信的协议时，一般采用一种发布-订阅式的结构。

发布 - 订阅模式

发布 - 订阅模式包含三个角色，分别是发布者、经纪人和订阅者，它们的关系如下图所示

消息传递的过程可以分为三步：

1.发布者（设备）负责生产数据。发布者发送某个主题的数据给经纪人，发布者不知道订阅者。
2.订阅经纪人管理的某个或者某几个主题。
3.当经纪人接收到某个主题的数据时，将数据发送给这个主题的所有订阅者。

比如说当使用美团外卖点一分午餐，这时候发布订单给外卖订单中心服务器时，外卖订单中心收到订单之后，再把订单发送给店家

发布 - 订阅模式之所以适合物联网系统因为在物联网场景中，一个传感器数据需要触发多个服务或者终端执行动作。
比如红外传感器，当它检测到有人体靠近时，就需要触发一系列动作：通知摄像头拍照，声光报警器执行报警，推送消息给主人的手机等。
怎么满足这种需求呢？我们最好让摄像头、声光报警器和手机都订阅“人体靠近”这个主题消息。当红外传感器被触发时，它发送人体靠近的消息，然后这些设备就能同时收到这个消息，接着完成系统定义的那些动作。这就是发布 - 订阅模式的工作方式。

MQTT 协议就是发布 - 订阅模式中的大佬，所以MQTT在物联网使用的范围非常广泛。

MQTT

MQTT它有三个主要特点：

1.采用二进制的消息内容编码格式，所以二进制数据、JSON 和图片等负载内容都可以方便传输。（华为云也是仅仅支持JSON和二进制）
2.协议头很紧凑，协议交互也简单，保证了网络传输流量很小。
3.支持 3 种 QoS（Quality of Service，服务质量）级别，便于应用根据不同的场景需求灵活选择。

这三个特点，让 MQTT 协议非常适合计算能力有限、网络带宽低、信号不稳定的远程设备，所以它成为了物联网系统事实上的网络协议标准。

请求 - 响应模式

请求 - 响应模式有两个角色，一个是客户端，另一个是服务器。
客户端是请求数据或者服务的一方。服务器则用来接收客户端的请求，并提供相应的数据或者服务。服务器在收到请求后，会获取数据，对资源数据（比如数据库）进行加工处理，准备好响应，然后返回给客户端。
请求 - 响应模式是无状态的通信方式，每个完整的请求 - 响应都是相互独立的。进一步细分的话，它还可以分为同步和异步两种。你可以看下这张图片。

如果我们使用华为云的话，华为云就是我们的服务器，而我们的设备就是我们的客户端。之所以要采用云的工作方式，就是为了提高我们对数据加工处理的能力。

好，一般来说，ESP8266都是通过WI-FI来通信，但是方式和硬件设备条件有一些不同，有以下两种产品：
第一种是独立的开发版，有独立的处理器与充足的I/O管脚的，像下图

第二种是通讯模块，需要搭配板子使用，期间是信息传递的桥梁，将信息传输的平台，然后把平台传输会设备。烧录器上面那个芯片就是我们的WI-FI模块

接下来我们主要详细讲将STM32和ESP8266模块这种搭配为例子

STM32+ESP8266+MQTT+华为云

这里参考一位大佬的博客，大家感兴趣可以去看下
https://blog.csdn.net/hao1__/article/details/121050775

首先我来说下这里完成的工作：
华为云
1、获取端口、域名、WI-FI、ClientId、Username、Password
2、自定义操作topic
STM32端
1、ST-Link仿真器、STM32、ESP8266硬件连接
2、配置、填写和写入topic

最后云端获取温湿度数据以及控制继电器开关

获取端口、域名、WI-FI、ClientId、Username、Password

1、WI-FI
这个只需要准备好你家的WI-FI名字和密码就可以

2、端口-域名
你根据下图的提示，在总览这里找到MQTT华为这端的域名和端口

3、ClientId、Username、Password
这三个需要进入到点击进入生产工具网址，进行三元组信息生产。
生成工具网址：
https://iot-tool.obs-website.cn-north-4.myhuaweicloud.com/
将我们在华为云的ID地址和密钥复制进去，将生成之后生成ClientId、Username、Password复制保存

自定义操作topic

我们上面已经接触过用topic进行数据的传输，这里我们自定义一个topic，跟着下面三张图的讲解就可以完成，但是还是要提醒一下，topic不可以直接用，而是把{ deviceId_ID}需要替换成自己的ID

ST-Link仿真器、STM32、ESP8266硬件连接

这个设备用的是stm32l，需要加装一个ST-Link，同时将ESP8266模块直接装入板子进行配置。一起来看下吧
一、材料准备
准备以下材料

将ESP8266模块插进去

将串口线一端插入到STM32L的USB口，另一端插入到电脑的USB口

连接ST-Link仿真器
用3条杜邦线接入STM32L的 DIO、GND、CLK中

另一头的杜邦线接入仿真器，仿真器USB接口接入电脑。

配置、填写和烧录

代码在QQ讨论群下载
131322621

配置ST-Link仿真器

打开代码，点击配置仿真器

填写

现在需要通讯的的那几个要素（端口、域名、WI-FI、ClientId、Username、Password ）依次填入

填入自定义topic，来触发特定的指令，比如说传输温湿度、打开关闭

校验结果

写两个数据上传到华为云

你可以在特定的指令中下达我们特定的topic，然后开关继电器

数据格式问题

这里要强调数据格式问题，一个是JSON格式、一个是二进制数据流格式，在上面接入设备的时候你就会发现一个问题，如果不同格式的发送到华为云平台，虽然不会报错，但是只可以接收到一段完整的代码，而不能提取出其中的数据，所以正确的格式在多设备的数据处理中尤其重要。

这里有篇博客写的非常好，解决了ESP8266和STM32两个设备中的格式转化问题，下面它的链接：
https://blog.csdn.net/qq_44857700/article/details/112388324?utm_source=app&app_version=5.0.1&code=app_1562916241&uLinkId=usr1mkqgl919blen

实现方式
首先以这两个作为例子，剩下的不论是什么设备都是这流程：
1、安装当下环境的JSON解析库
2、串口接收的实现
3、JSON库对数据进行解析
4、JSON数据再处理打包发送

在这里ESP8266按装的Arduino的环境（ArduinoJson库），STM32按装的是Keil5的环境（Jansson库），这和上面那个例子是一样的，都是Keil环境。

串口接收的实现

在ESP8266程序中需要将usartEvent();函数放到loop()函数中。

/*串口数据接收*/
void usartEvent(){
  comdata = "";
  while (Serial.available())//时刻读取硬件串口数据
  {
    comdata = Serial.readStringUntil('\n');//从串口缓存区读取字符到一个字符串型变量，直至读完或遇到某终止字符。
    UserData(comdata);//进行JOSN数据解析
  }
  while (Serial.read() >= 0){}//清除串口缓存
}

ArduinoJson库实现数据解析

/*数据解析{status:true}*/ 
void UserData(String content){
  StaticJsonDocument<200> doc;//申请JSON解析空间
  DeserializationError error = deserializeJson(doc,content);
  if (error) {//解析错误
    Serial.print(F("deserializeJson() failed: "));
    return;
  }
  status=  doc["status"];
}

ArduinoJson库实现数据的打包发送

参照ArduinoJson库的JsonGeneratorExample工程即可得到以下代码，当然也可采用serial.println()函数进行格式化输出。

  StaticJsonDocument<200> doc;
  doc["sensor"] = "gps";
  doc["time"] = 1351824120;
  serializeJsonPretty(doc, Serial);

STM32部分

STM32同ESP8266一样，我会从以下四部分介绍：①JSON解析库的安装②串口接收的实现③JSON库实现数据解析④JSON数据的打包发送

JSON解析库的安装

关于这个库还没有下载的小伙伴可以参照这个博客安装：
【STM32上使用JSON - 羊羊得亿 - 博客园】https://www.cnblogs.com/yangxuli/p/7885225.html

串口接收的实现

STM32的串口中断我才用的是串口空闲中断，空闲中断是接受数据后出现一个byte的高电平(空闲)状态，就会触发空闲中断。
代码实现如下：
需要定义的全局变量：u8 buf1_size = 0;//串口数据接收数量标记 bool data_change = 0;//串口接收完成/变化标志位

#include <stdarg.h>
#include <string.h>
void USART1_printf (char *fmt, ...){ 
	char buffer[USART1_REC_LEN+1];  // 数据长度
	u8 i = 0;	
	va_list arg_ptr;
	va_start(arg_ptr, fmt);  
	vsnprintf(buffer, USART1_REC_LEN+1, fmt, arg_ptr);
	while ((i < USART1_REC_LEN) && (i < strlen(buffer))){
        USART_SendData(USART1, (u8) buffer[i++]);
        while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET); 
	}
	va_end(arg_ptr);
}

void USART1_Init(u32 bound){ //串口1初始化
    //GPIO端口设置
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;	 
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//使能USART1，GPIOA时钟
     //USART1_TX   PA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; //PA.9
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;	//复用推挽输出
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  
    //USART1_RX	  PA.10
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); 
   //Usart1 NVIC 配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3 ;//抢占优先级3
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;		//子优先级3
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;			//IRQ通道使能
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);	//根据指定的参数初始化VIC寄存器 
	//USART 初始化设置
	USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;//一般设置为9600;
	USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;//字长为8位数据格式
	USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;//一个停止位
	USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;//无奇偶校验位
	USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;//无硬件数据流控制
	USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;	//收发模式
	USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); //初始化串口
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);//开启ENABLE/关闭DISABLE串口接收中断
	USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);//开启串口空闲中断
	USART_Cmd(USART1, ENABLE);                    //使能串口 
}

void USART1_IRQHandler(void){ //串口1中断服务程序（固定的函数名不能修改）	
	u8 clear = clear;
	USART_ClearFlag(USART1,USART_FLAG_TC);
 
	if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE)!=Bit_RESET)//串口中断发生        
	{
		if(data_change == 0)//重新接收
		{
			memset(USART1_RX_BUF,0,sizeof(USART1_RX_BUF));//清空整个接收数组
			data_change = 1;//标志位拉高
		}
		USART1_RX_BUF[buf1_size++]=USART1->DR;
	}
		 
	else if(USART_GetFlagStatus(USART1,USART_FLAG_IDLE)!=Bit_RESET)//空闲中断发生
	{			
		buf1_size = 0;
		data_change = 0;//标志位拉低，下次数据改变进入
		data_sys = 1;//允许解析
		
		clear = USART1->SR;//空闲中断要读这两个寄存器
		clear = USART1->DR;
		USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_IDLE);//清除空闲中断标志位	
	}
} 

JSON库实现数据解析

JSON库解析需要调用头文件#include <jansson.h>，bool类型变量使用需要#include "stdbool.h"头文件。
并且非常重要的是，在对大量数据进行解析的时候，需要将startup_stm32f10x_md.s33的Stack_Size EQU 0x00000200修改为Stack_Size EQU 0x00000C00，这一步骤是将STM32的堆栈增加，防止在解析的时候出现堆栈不够用的情况。

#include <jansson.h>
bool led_status;
//开关灯JSON函数{"status":true}
//存在问题!!使用本函数解析后串口printf无法使用，建议使用USART1_printf函数实现发送
/** 
* @brief  Json解析函数
* @param none
* @return 
* - 0 转换成功
* - 1 转换失败
* @details   
*/ 
uint8_t Jansson_Analysis(char *text)
{
	json_error_t error;
	json_t *root;
	
	root = json_loads((const char*)text, 0, &error); 
	if(json_is_object(root))
	{
		status = json_object_get(root, "status");
		if(json_is_true(status))
			led_status = 1;
		else if(json_is_false(status))
			led_status = 0;
	}
	else
	{
		USART1_printf("root format error:%d-%s\r\n", error.line, error.text);
		return 1;
	}
	json_decref(root);//释放JSON空间
	return 0;
}
/*
// string 类型的解析
name = (char *)json_string_value(json_object_get(root, "name"));
// int 类型的解析
age = json_integer_value(json_object_get(root, "age"));
// double 类型的解析
score = json_real_value(json_object_get(root, "score"));
// bool 类型的解析
status = json_object_get(root, "status");
if(json_is_true(status))
else if(json_is_false(status))
*/

JSON数据的打包发送

Jansson包提供了一个json数据打包的函数，但此函数在打包过程中会占用极大的片内空间，因此在这里仅介绍给大家，不推荐大家使用，推荐大家使用的方法还是使用printf函数进行格式化输出。

/** 
* @brief  将数据打包为Json格式
* @param [in] status 
* @return none
* @details   
*/ 
void jansson_pack(bool state)
{
	json_t *root;
	char *out;
	/* Build the JSON object */
	root = json_pack("{sb}","status",status);
	out = json_dumps(root, JSON_ENCODE_ANY);
	printf("%s",out);
	json_decref(root);//释放JSON空间
	free(out);//释放JSON空间
}
/*
s 代表string类型
b 代表bool类型
d 代表int类型
f 代表float、double类型
*/

使用printf格式化输出只需要：

printf("{\"status\":%d}",status);