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MQTT协议基础知识速成（智能家居项目）

news 2025/9/28 5:48:38

智能家居项目

计划

看视频先做一遍纸制笔记

大概分成三个部分

分别记录疑问，总结，知识点。

再看课程配套的文档

自己跟着视频完成一遍

整理电子笔记（总结）

学习资料

略

1网络基础知识

网络基础知识解析

短距离不需要服务器，长距离需要。

通过 IP（公网 IP 唯一，局域网 IP 可重复），端口确定通信对象。

局域网到公网通信流程

局域网设备主动发起请求
路由器伪装身份：局域网地址伪装成公网地址将请求发送给服务器
服务器响应路由器
路由器转发数据：返回数据给局域网地址

注意：公网不能主动访问局域网设备，交流需局域网设备主动发起连接

2MQTT框架

大概框架

服务器：如电视台，负责接收连接、转发消息。
客户端：如记者（发布消息）和观众（订阅消息），开发板和手机均为客户端。
主题：顾名思义，客户端通过订阅 / 发布特定主题实现精准推送。

MQTT 协议通信流程

开发板（记者）连接服务器，发布设备状态到主题 “device/status”。
手机（观众）连接服务器，订阅主题 “device/control” 接收指令。
手机发布指令到 “device/control”，服务器转发至开发板，开发板执行操作后反馈状态。

优势

轻量级，低功耗，实时双向通信，在物联网、小型设备、移动应用等方面广泛应用。

常见中英文及其作用对照表

一、核心概念

英文术语	中文翻译	作用描述
Broker	代理服务器	负责接收、存储和转发客户端的消息，是 MQTT 网络的核心枢纽，实现客户端之间的解耦。
Client	客户端	连接到 Broker 的设备或应用程序，可以是消息的发布者（Publisher）或订阅者（Subscriber）。
Topic	主题	消息的分类标识，用于标识消息的类型或设备 / 业务逻辑（如 `sensor/temp` ），客户端通过订阅 Topic 接收相关消息。
Payload	有效载荷	消息的具体内容（二进制或字符串），由客户端自定义格式（如 JSON、Protobuf）。

二、消息类型

英文术语	中文翻译	作用描述
CONNECT	连接请求	客户端向 Broker 发送的连接请求，包含协议版本、客户端 ID、认证信息等。
CONNACK	连接确认	Broker 响应客户端的连接请求，返回连接结果（成功 / 失败）及会话状态。
PUBLISH	发布消息	客户端或 Broker 发送消息到指定 Topic，是最核心的消息传输机制。
PUBACK	发布确认	接收方（Broker 或客户端）对 QoS 1 消息的确认，确保消息至少被传递一次。
PUBREC	发布接收	接收方对 QoS 2 消息的第一阶段确认，用于实现消息的可靠传输（保证仅传递一次）。
PUBREL	发布释放	发送方对 QoS 2 消息的第二阶段确认，完成消息传递的可靠性流程。
PUBCOMP	发布完成	接收方对 QoS 2 消息的最终确认，标志着消息可靠传输流程结束。
SUBSCRIBE	订阅请求	客户端向 Broker 请求订阅一个或多个 Topic，指定消息接收的 QoS 等级。
SUBACK	订阅确认	Broker 响应订阅请求，返回每个 Topic 的订阅结果（QoS 等级）。
UNSUBSCRIBE	取消订阅	客户端向 Broker 请求取消已订阅的 Topic。
UNSUBACK	取消订阅确认	Broker 响应取消订阅请求，确认取消操作完成。
PINGREQ	心跳请求	客户端向 Broker 发送的心跳包，用于检测连接是否存活，防止因长时间无数据传输而断开连接。
PINGRESP	心跳响应	Broker 对 PINGREQ 的响应，确认连接正常。
DISCONNECT	断开连接	客户端或 Broker 主动终止连接，释放资源（如会话状态）。

三、关键参数与特性

英文术语	中文翻译	作用描述
QoS（Quality of Service）	服务质量等级	定义消息传递的可靠性等级： - QoS 0：最多一次（可能丢失） - QoS 1：至少一次（可能重复） - QoS 2：仅一次（可靠传输）
Retain	保留消息	若设置为`true` ，Broker 会保留最后一条消息，新订阅该 Topic 的客户端会立即收到这条保留消息。
Clean Session	清除会话	客户端连接时的标志位： - `true` ：断开连接后清除所有会话状态（非持久订阅） - `false` ：保留会话状态（支持离线消息存储和持久订阅）
Client ID	客户端 ID	唯一标识客户端的字符串，用于 Broker 区分不同连接（部分场景下可设置为匿名）。
Will Message	遗嘱消息	客户端连接时设置的可选消息，若客户端异常断开（未发送 DISCONNECT），Broker 会向指定 Topic 发布该消息，用于通知其他客户端异常状态。

3MQTT源码分析

通信模型

- 基于 "记者 - 电视台 - 观众" 模式，即发布 - 订阅模式
- 核心流程：连接 (Connect)→订阅 (Subscribe)→发布 (Publish)→循环处理数据

关键机制

- 保持连接状态：通过心跳维持长连接
- 异步消息处理：通过独立线程循环读取网络数据

程序分层

+----------------+
|     APP层      |  业务逻辑(控制设备、处理数据)
+----------------+
|    MQTT层      |  协议实现(连接、订阅、发布)
+----------------+
|   平台层       |  多线程、定时器、网络接口
+----------------+

情景分析

连接服务器

mainclient = mqtt_lease();mqtt_set_port(client, "1883");mqtt_set_host(client, "www.jiejie01.top");mqtt_connect(client);mqtt_connect_with_results(c);rc = network_init(c->mqtt_network, c->mqtt_host, c->mqtt_port, NULL);rc = network_connect(c->mqtt_network);nettype_tcp_connect(n); platform_net_socket_connect

创建线程

mainmqtt_connect(client);mqtt_connect_with_results(c);rc = network_init(c->mqtt_network, c->mqtt_host, c->mqtt_port, NULL);rc = network_connect(c->mqtt_network);/* send connect packet */if ((rc = mqtt_send_packet(c, len, &connect_timer)) != MQTT_SUCCESS_ERROR)goto exit;if (mqtt_wait_packet(c, CONNACK, &connect_timer) == CONNACK) {}/* connect success, and need init mqtt thread */c->mqtt_thread= platform_thread_init("mqtt_yield_thread", mqtt_yield_thread,c, ...);

发布消息

mainres = pthread_create(&thread1, NULL, mqtt_publish_thread, client);mqtt_publish_threadmqtt_publish(client, "topic1", &msg);// 1. 构造消息
mqtt_message_t msg;memset(&msg, 0, sizeof(msg));
msg.payload = (void *) buf;
msg.payloadlen = xxx;mqtt_publish(client, "topic1", &msg);// 1.1 根据MQTT协议构造数据包// 1.2 根据平台相关的函数发送数据包mqtt_send_packetnetwork_writenettype_tcp_writeplatform_net_socket_write_timeout

订阅消息

某个内核线程不断查询是否接收数据

接收到数据就进行判断，处理。

4MQTT源码移植STM32F103

移植文件的本质是改错

内容上

修改引脚
解决报错
修改编译环境

移植程序四步骤

合并源码

1. 创建自己的文件库
2. 找到 main 函数里面的所有的初始化和数据类型文件
3. 移植到自己的文件库中

解决编译（语法 / 类型）链接（符号未定义 / 找不到）错误

1. 头文件找不到（自己指定路径）
2. 数据类型报错
3. 语法报错

调试

1. 打断点并且全速运行
2. 逐步判断错误

5编写ESP8266驱动

编译通过

编译没有问题

调试通过

写一段代码功能正常

不能正常运行就调试

6实现网络层

7MQTT综合测试

这不是有手就行

8健壮性

懒得写

9补充

寄存器

外设类型（前缀）

略

寄存器类别（中缀）

中缀	寄存器类型	核心功能
CR	Control Register	配置外设工作模式（如使能、波特率、分频比）
SR	Status Register	存储外设状态标志（如发送完成、接收就绪）
DR	Data Register	数据读写（发送/接收缓冲区、ADC转换值）
BRR	Baud Rate Register	设置通信波特率（USART、SPI）
CCR	Capture/Compare Register	定时器捕获事件或生成PWM波形
ARR	Auto-Reload Register	定时器自动重装载值（决定定时周期）
PSC	Prescaler Register	定时器预分频器（降低时钟频率）
ODR	Output Data Register	GPIO输出数据寄存器（写1/0控制引脚电平）
IDR	Input Data Register	GPIO输入数据寄存器（读引脚电平）
BSRR	Bit Set/Reset Register	原子操作GPIO引脚（单独置位/复位）
CNT	Counter Register	定时器当前计数值

字母	英文全称	中文含义	示例寄存器
R	Register	寄存器	USART_SR（状态寄存器）
C	Control	控制	TIMx_CR1（控制寄存器 1）
S	Status	状态	ADC_SR（状态寄存器）
D	Data	数据	SPI_DR（数据寄存器）
B	Baud Rate	波特率	USART_BRR（波特率寄存器）
T	Timer/Counter	定时器 / 计数器	TIMx（定时器外设）
O	Output	输出	GPIO_ODR（输出数据寄存器）
I	Input	输入	GPIO_IDR（输入数据寄存器）

具体标志位（后缀）

1. 通用标志位（常见于SR寄存器）

标志位	含义	典型场景
RXNE	Receive Buffer Not Empty	USART/SPI/I2C接收缓冲区非空（可读）
TXE	Transmit Buffer Empty	USART/SPI/I2C发送缓冲区空（可写）
TC	Transmission Complete	发送完成标志（帧发送结束）
OVR	Overrun Error	接收溢出错误（数据覆盖）
UDR	UnderRun Error	发送下溢错误（发送缓冲区空但仍在发送）
SB	Start Bit	USART检测到起始位
PE	Parity Error	奇偶校验错误

字母	英文全称	中文含义	示例标志位
E	Enable	使能	USART_CR1_TE（发送使能）
N	Not Empty	非空	USART_SR_RXNE（接收非空）
C	Complete	完成	USART_SR_TC（发送完成）
O	Overrun	溢出	SPI_SR_OVR（溢出错误）
P	Parity	奇偶校验	USART_SR_PE（奇偶错误）
S	Start	起始	USART_SR_SB（起始位）
T	Transmission	传输	USART_CR1_TE（发送使能）
R	Reception	接收	USART_CR1_RE（接收使能）

2. 定时器专用标志位

标志位	含义	典型场景
UP	Update Event	定时器更新事件（计数器溢出/重载）
CC1IF	Capture/Compare 1 Interrupt Flag	定时器通道1捕获/比较匹配
TRG	Trigger Event	定时器触发事件（用于同步多个定时器）
COM	Commutation Event	定时器换相事件（用于电机控制）

3. GPIO专用标志位

标志位	含义	典型场景
ODR	Output Data Register	写1/0控制GPIO引脚输出电平
IDR	Input Data Register	读GPIO引脚当前电平
BSRR	Bit Set/Reset Register	原子操作置位/复位单个引脚（无竞争）
BRR	Bit Reset Register	复位GPIO引脚（等效于BSRR的低16位）

4. 其他外设标志位

标志位	含义	典型场景
ADON	ADC ON	ADC使能位（开启模数转换）
EOC	End of Conversion	ADC转换结束标志
AWD	Analog Watchdog	ADC模拟看门狗（监测电压范围）
TCIF	Transfer Complete Interrupt Flag	DMA传输完成中断标志
ITR	Interrupt Trigger	中断触发源选择