W5500通过MQTT连接阿里云平台

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1、简介

1.1 开发环境与连接平台

本文主要介绍W5500如何通过MQTT协议将设备连接到阿里云IoT,并通过MQTT协议实现通信。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, +W5500实现TCP客户端的代码我们以前已经实现过,程序下载地址为(http://www.w5500.com/

  • 软件环境:Windows
  • 硬件环境:STM32F103+W5500
  • 开发工具:Keil uVision5
  • 调试工具:Wireshark、串口调试助手
  • 连接平台:阿里云-华东2节点(https://www.aliyun.com
  • 1.2 MQTT简介:

MQTT官网地址:(http://mqtt.org/

  • 1.2.1 MQTT协议特点

MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的,这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下,包括受限的环境中,如:机器与机器(M2M)通信和物联网(IoT)。其在,通过卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用。

MQTT协议当前版本为,2014年发布的MQTT v3.1.1。除标准版外,还有一个简化版MQTT-SN,该协议主要针对嵌入式设备,这些设备一般工作于百TCP/IP网络,如:ZigBee。

MQTT协议运行在TCP/IP或其他网络协议,提供有序、无损、双向连接。其特点包括:

  1. 使用的发布/订阅消息模式,它提供了一对多消息分发,以实现与应用程序的解耦。
  2. 对负载内容屏蔽的消息传输机制。
  3. 对传输消息有三种服务质量(QoS):
  • 最多一次,这一级别会发生消息丢失或重复,消息发布依赖于底层TCP/IP网络。即:<=1
  • 至多一次,这一级别会确保消息到达,但消息可能会重复。即:>=1
  • 只有一次,确保消息只有一次到达。即:=1。在一些要求比较严格的计费系统中,可以使用此级别

数据传输和协议交换的最小化(协议头部只有2字节),以减少网络流量

通知机制,异常中断时通知传输双方

  • MQTT协议原理及实现方式

实现MQTT协议需要:客户端和服务器端

MQTT协议中有三种身份:发布者(Publish)、代理(Broker)(服务器)、订阅者(Subscribe)。其中,消息的发布者和订阅者都是客户端,消息代理是服务器,消息发布者可以同时是订阅者。

MQTT传输的消息分为:主题(Topic)和消息的内容(payload)两部分

Topic,可以理解为消息的类型,订阅者订阅(Subscribe)后,就会收到该主题的消息内容(payload)

payload,可以理解为消息的内容,是指订阅者具体要使用的内容

  • 连接
  1. 阿里云连接步骤:
  • 以aliyun账号直接进入IoT控制台,如果还没有开通阿里云物联网套件服务,则 申请开通
  • 接入引导

(1)、创建产品

(2)、添加设备

(3)、获取设备的Topic

  • 创建产品

初步进入控制台后,需要创建产品。点击创建产品。产品相当于某一类设备的集合,用户可以根据产品管理其设备等。

  • 产品名称:对产品命名,例如可以填写产品型号。产品名称在账号内保持唯一。
  • productKey:阿里云IoT为产品颁发的全局唯一标识符

添加设备

创建完产品之后,可以为该产品添加设备。进入产品管理页面下的设备管理,点击添加设备。

  • 说明:用户可以自定义设备名称(即deviceName),这个名称即可作为设备唯一标识符,用户可以基于该设备名称与IoT Hub进行通信,需要指出的是,用户需要保证deviceName产品内唯一。
  • 设备证书:添加设备之后,物联网套件为设备颁发的唯一标识符,设备证书用于设备认证以及设备通信,详细的请参考设备接入文档。
  • deviceName:用户自定义设备唯一标识符,用于设备认证以及设备通信,用户保证产品维度内唯一。
  • deviceSecret:物联网套件为设备颁发的设备秘钥,用于认证加密,与deviceName或者deviceId成对出现。
  • 获取设备的Topic

添加设备之后,可以获取设备的Topic。点击Topic列表

  • 说明:创建产品之后,物联网套件都会为产品默认定义三个Topic类。那么,在添加设备之后,每个设备都会默认有三个Topic,即图中所示。如果想要增加、修改、删除Topic,请到消息通信重新定义Topic类。
  • 设备可以基于Topic列表中的Topic进行Pub/Sub通信,例如列表中有/1000118502/test9/update,且设备拥有的权限是发布,这就意味着设备可以往这个Topic发布消息;同样,列表中/1000118502/test9/get,权限是订阅,这就意味着设备可以从这个Topic订阅消息。
  • 设备接入

获得productKey、设备证书以及设备的Topic这些参数,就可以基于aliyun IoT device SDK for C将设备连接上IoT Hub并进行通信,具体请参考《MQTT配置》部分

  1. MQTT移植步骤:

MQTT代码源码下载地址:(http://www.eclipse.org/paho/

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);

通过网络以TCP的方式发送数据;

int transport_getdata(unsigned char* buf, int count);

TCP方式从服务器端读取数据,该函数目前属于阻塞函数;

int transport_open(void);

打开一个网络接口,其实就是和服务器建立一个TCP连接;

int transport_close(void);

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

*/

/*订阅消息*/

int Subscribe_sendPacketBuffer(unsigned char* buf, int buflen)

{

return send(SOCK_TCPS,buf,buflen);

}

/*发布消息*/

int Published_sendPacketBuffer(unsigned char* buf, int buflen)

{

return send(SOCK_TCPC,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 Subscribe_getdata(unsigned char* buf, int count)

{

return recv(SOCK_TCPS,buf,count);

}

int Published_getdata(unsigned char* buf, int count)

{

return recv(SOCK_TCPC,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 Subscribe_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,50000,0x00);

if (ret != 1) {

printf("%d:Socket Error\r\n",SOCK_TCPS);

while (1);

} else {

printf("%d:Opened\r\n",SOCK_TCPS);

}

while (getSn_SR(SOCK_TCPS)!=SOCK_ESTABLISHED) {

printf("connecting\r\n");

//连接TCP服务器÷

ret = connect(SOCK_TCPS,server_ip,1883);

//端口必须为1883

}

if (ret != 1) {

printf("%d:Socket Connect Error\r\n",SOCK_TCPS);

while (1);

} else {

printf("%d:Connected\r\n",SOCK_TCPS);

}

return 0;

}

int Published_open(void)

{

int32_t ret;

ret = socket(SOCK_TCPC,Sn_MR_TCP,5001,0x00);

if (ret != 1) {

printf("%d:Socket1 Error1\r\n",SOCK_TCPC);

while (1);

} else {

printf("%d:socket1 Opened\r\n",SOCK_TCPC);

}

while (getSn_SR(SOCK_TCPC)!=SOCK_ESTABLISHED) {

ret = connect(SOCK_TCPC,server_ip,1883);

//端口必须为1883

}

if (ret != 1) {

printf("%d:Socket Connect1 Error\r\n",SOCK_TCPC);

while (1);

} else {

printf("%d:Connected1\r\n",SOCK_TCPC);

}

return 0;

}

}

/**

* @brief  关闭socket

* @param  无

* @retval 小于0表示关闭失败

*/

int Subscribe_close(void)

{

disconnect(SOCK_TCPS);

printf("close0\n\r");

while (getSn_SR(SOCK_TCPC)!=SOCK_CLOSED) {

;

}

return 0;

}

int Published_close(void)

{

disconnect(SOCK_TCPC);

printf("close1\n\r");

while (getSn_SR(SOCK_TCPC)!=SOCK_CLOSED) {

;

}

return 0;

}
  • MQTT配置
  • MQTT连接参数说明

举例:

  • MQTT与阿里云连接函数:

参考阿里云内MQTT设备接入手册,计算出设备连接的各项参数,例如下列程序中框中的部分为本例程MQTT与阿里云连接的参数的配置,详细内容如下:

clientId = 192.168.207.115

deviceName = MQTT1

productKey = TKKMt4nMF8U

timestamp = 789(毫秒值)

signmethod = hmacsha1(算法类型)

deviceSecret = secret

那么使用tcp方式提交给mqtt参数分别如下:

  • mqttClientId:clientId+"|securemode=3,signmethod=hmacsha1,timestamp=789|"
  • clientId=192.168.207.115|securemode=3,signmethod=hmacsha1,timestamp=789|
  • keepalive时间需要设置超过60秒以上,否则会拒绝连接。
  • Cleansession为1;
  • mqttUsername: deviceName+"&"+productKey
  • username = "MQTT1&TKKMt4nMF8U"
  • password=hmacsha1("secret","clientId168.207.115deviceNameMQTT1productKeyTKKMt4nMF8Utimestamp789").toHexString();

最后是二进制转16制字符串大小写不敏感。这个例子结果为 9076b0ebc04dba8a8ebba1f0003552dbc862c9b9

MQTT连接函数原型,tcp_client.c文件中的MQTT_CON_ALI函数中调用make_con_msg函数并通过阿里云设备的参数,设置MQTT连接阿里云函数的参数:

  1. void make_con_msg(char* clientID,int keepalive, uint8 cleansession,
  2. char*username,char* password,unsigned char*buf,int
  3.                   buflen)
  4. {
  5.     int32_t len,rc;
  6.     MQTTPacket_connectData data = MQTTPacket_connectData_initializer;
  7.     data.clientID.cstring = clientID;
  8.     data.keepAliveInterval = keepalive;
  9.     data.cleansession = cleansession;
  10.     data.username.cstring = username;
  11.     data.password.cstring = password;
  12.     len = MQTTSerialize_connect(buf, buflen, &data);
  13.           //构造链接报文
  14.     return;
  15. MQTT连接过程:
void MQTT_CON_ALI(void)

{

int len;

int type;

switch (getSn_SR(0)) {

//获取socket0的状态

case SOCK_INIT:

//Socket处于初始化完成(打开)状态

connect(0, server_ip,server_port);

//配置Sn_CR为CONNECT,并向TCP服务器发出连接请求¢

break;

case SOCK_ESTABLISHED:                //

Socket处于连接建立状态

if (getSn_IR(0) & Sn_IR_CON) {

setSn_IR(0, Sn_IR_CON);       //

Sn_IR的CON位置1,通知W5500连接已建立

}

memset(msgbuf,0,sizeof(msgbuf));

if ((len=getSn_RX_RSR(0))==0) {

if (1==CONNECT_FLAG) {

printf("send connect\r\n");

/*MQTTÆ拼接连接报文

*根据阿里云平台MQTT设备接入手册配置

*/

//void make_con_msg(char* clientID,int keepalive,

uint8 cleansession,char*username,

char* password,unsigned char*buf,

int buflen)

make_con_msg("192.168.207.115|securemode=3,

signmethod=hmacsha1,timestamp=789|",180,

1,"MQTT1&TKKMt4nMF8U",

"9076b0ebc04dba8a8ebba1f0003552dbc862c9b9"

,msgbuf,sizeof(msgbuf));

//printf(" server_ip: %d.%d.%d.%d\r\n", server_ip[0],

server_ip[1],server_ip[2],server_ip[3]);

//printf("connect ALY\r\n");

CONNECT_FLAG = 0;

send(0,msgbuf,sizeof(msgbuf));

Delay_s(2);

while ((len=getSn_RX_RSR(0))==0) {

Delay_s(2);

send(0,msgbuf,sizeof(msgbuf));

};

recv(0,msgbuf,len);

while (mqtt_decode_msg(msgbuf)!=CONNACK) {

//判断是不是CONNACK

printf("wait ack\r\n");

}

} else if (SUB_FLAG == 1) {

memset(msgbuf,0,sizeof(msgbuf));

make_sub_msg(topic,msgbuf,sizeof(msgbuf));

// make_pub_msg(topic,msgbuf,sizeof(msgbuf),"hello");

send(0,msgbuf,sizeof(msgbuf));

// 接收到数据后再回给服务器,完成数据回环

SUB_FLAG = 0;

Delay_s(2);

while ((len=getSn_RX_RSR(0))==0) {

Delay_s(2);

send(0,msgbuf,sizeof(msgbuf));

};

recv(0,msgbuf,len);

while (mqtt_decode_msg(msgbuf)!=SUBACK) {

//判断是不是SUBACK

printf("wait suback\r\n");

}

TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

printf("send sub\r\n");

}

#if 1

else {

//count++;

// Delay_s(2);

if (count>10000) {

count = 0;

make_ping_msg(msgbuf,sizeof(msgbuf));

send(0,msgbuf,sizeof(msgbuf));

while ((len=getSn_RX_RSR(0))==0) {

//Delay_s(2);

//send(0,msgbuf,sizeof(msgbuf));

printf("wait pingresponse");

};

recv(0,msgbuf,len);

printf("ping len : %d\r\n",len);

if (len>2) {

if (PUBLISH==mqtt_decode_msg(msgbuf+2)) {

printf("publish\r\n");

MQTTDeserialize_publish(&dup, &qos,

&retained,

&mssageid,

&receivedTopic,

&payload_in,

&payloadlen_in,

msgbuf+2, len-2);

// printf("message arrived %d: %s\n\r",

payloadlen_in, payload_in);

memset(topic,0,sizeof(topic));

memset(ser_cmd,0,sizeof(ser_cmd));

memcpy(topic,receivedTopic.lenstring.data,

receivedTopic.lenstring.len);

replace_string(new_topic,topic , "request",

"response");

printf("topic:%s\r\n",topic);

strcpy(ser_cmd,(const char *)payload_in);

//parse_topic(ser_cmd);

// printf("message is %s\r\n",ser_cmd);

memset(msgbuf,0,sizeof(msgbuf));

make_pub_msg(new_topic,msgbuf,sizeof(

msgbuf),"hello");

send(0,msgbuf,sizeof(msgbuf));

}

}

}

}

#endif

#if 0

if (PUB_FLAG==1) {

memset(msgbuf,0,sizeof(msgbuf));

// make_sub_msg(topic,msgbuf,sizeof(msgbuf));

make_pub_msg(topic,msgbuf,sizeof(msgbuf),"hello");

if (count == 10000) {

PUB:

send(0,msgbuf,sizeof(msgbuf));  //

接收到数据后再回给服务器,完成数据回环

Delay_s(2);

// while((len=getSn_RX_RSR(0))==0)

//  {

// Delay_s(2);

//send(0,msgbuf,sizeof(msgbuf));

//    printf("puback\r\n");

//  };

// recv(0,msgbuf,len);

//  if(mqtt_decode_msg(msgbuf)!=PUBACK)

//  {

//      goto PUB;

//      printf("wait Puback\r\n");

//  }

printf("send Pub\r\n");

}

}

#endif

}

#if 1

if ((len=getSn_RX_RSR(0))>0) {

recv(0,msgbuf,len);

if (PUBLISH== mqtt_decode_msg(msgbuf)) {

printf("publish\r\n");

MQTTDeserialize_publish(&dup, &qos, &retained,

&mssageid, &receivedTopic,

&payload_in, &payloadlen_in,

msgbuf, len);

// printf("message arrived %d: %s\n\r", payloadlen_in,

payload_in);

memset(topic,0,sizeof(topic));

memcpy(topic,receivedTopic.lenstring.data,

receivedTopic.lenstring.len);

replace_string(new_topic,topic , "request","response");

printf("topic:%s\r\n",topic);

memset(ser_cmd,0,sizeof(ser_cmd));

memcpy(ser_cmd,(const char *)payload_in,strlen((char*)

payload_in));

memset(msgbuf,0,sizeof(msgbuf));

make_pub_msg(new_topic,msgbuf,sizeof(msgbuf),rebuf);

send(0,msgbuf,sizeof(msgbuf));

//printf("%s\n",msgbuf);

} else if (PINGRESP== mqtt_decode_msg(msgbuf)) {

if (len>2) {

if (PUBLISH==mqtt_decode_msg(msgbuf+2)) {

printf("publish\r\n");

MQTTDeserialize_publish(&dup, &qos, &retained,

&mssageid,

&receivedTopic,

&payload_in,

&payloadlen_in, msgbuf+

2, len-2);

// printf("message arrived %d: %s\n\r",

payloadlen_in, payload_in);

memset(topic,0,sizeof(topic));

memcpy(topic,receivedTopic.lenstring.data,

receivedTopic.lenstring.len);

replace_string(new_topic,topic,"request",

"response");

printf("topic:%s\r\n",topic);

memset(ser_cmd,0,sizeof(ser_cmd));

strcpy(ser_cmd,(const char *)payload_in);

// printf("message is %s\r\n",ser_cmd);

//parse_topic(ser_cmd);

memset(msgbuf,0,sizeof(msgbuf));

make_pub_msg(new_topic,msgbuf,sizeof(msgbuf),

"hello");

send(0,msgbuf,sizeof(msgbuf));

}

}

} else {

printf("wait publish\r\n");

}

}

//  printf("send ping\r\n");

#endif

break;

case SOCK_CLOSE_WAIT:

//Socket处于等待关闭状态

close(0);                               // 关闭Socket0

break;

case SOCK_CLOSED:

// Socket处于关闭状态

socket(0,Sn_MR_TCP,local_port,Sn_MR_ND);

// 打开Socket0,并配置为TCP无延时模式,打开一个本地端口

break;

}

}
  • Password有两种获得方法:
  • 通过网页“在线加密解密”HamcSHA1获得;(http://encode.chahuo.com/)通过hmacsha1算法解析获得解析步骤如下:
void hmac_sha1(uint8_t *key, uint16_t key_length, uint8_t *data,

uint16_t data_length, uint8_t *digest)

{

uint8_t b = 64;                               /* blocksize */

uint8_t ipad = 0x36;

uint8_t opad = 0x5c;

uint8_t k0[64];

uint8_t k0xorIpad[64];

uint8_t step7data[64];

uint8_t step5data[MAX_MESSAGE_LENGTH+128];

uint8_t step8data[64+20];

uint16_t i;

for (i=0; i<64; i++) {

k0[i] = 0x00;

}

/* Step 1 */

if (key_length != b) {

//判断秘钥K字节长度是否等于B

/* Step 2 */

if (key_length > b) {

//如果大于B,则另K0=H(K)

sha1(key, key_length, digest);

for (i=0; i<20; i++) {

k0[i]=digest[i];

}

}

/* Step 3 */

else if (key_length < b) {

//如果小于B,则在末尾添加B-length(K)

位的0

for (i=0; i<key_length; i++) {

k0[i] = key[i];

}

}

} else {

for (i=0; i<b; i++) {

k0[i] = key[i];

}

}

#ifdef HMAC_DEBUG

debug_out("k0",k0,64);

#endif

/* Step 4 */

for (i=0; i<64; i++) {

k0xorIpad[i] = k0[i] ^ ipad;

//将K0和ipad进行异或运算

}

#ifdef HMAC_DEBUG

debug_out("k0 xor ipad",k0xorIpad,64);

#endif

/* Step 5 */

for (i=0; i<64; i++) {

step5data[i] = k0xorIpad[i];

}

for (i=0; i<data_length; i++) {

step5data[i+64] = data[i];

//将数据添加在第4步生成的字节串

后面

}

#ifdef HMAC_DEBUG

debug_out("(k0 xor ipad) || text",step5data,data_length+64);

#endif

/* Step 6 */

sha1(step5data, data_length+b, digest);

//将第5步的结果运用H函数

#ifdef HMAC_DEBUG

debug_out("Hash((k0 xor ipad) || text)",digest,20);

#endif

/* Step 7 */

for (i=0; i<64; i++) {

step7data[i] = k0[i] ^ opad;

//将K0和opad进行异或运算

}

#ifdef HMAC_DEBUG

debug_out("(k0 xor opad)",step7data,64);

#endif

/* Step 8 */

for (i=0; i<64; i++) {

step8data[i] = step7data[i];

}

for (i=0; i<20; i++) {

step8data[i+64] = digest[i];

}

#ifdef HMAC_DEBUG

debug_out("(k0 xor opad) || Hash((k0 xor ipad) || text)",step8data,

20+64);

#endif

/* Step 9 */

sha1(step8data, b+20, digest);

#ifdef HMAC_DEBUG

debug_out("HASH((k0 xor opad) || Hash((k0 xor ipad) || text))",

digest,20);

#endif

}
  • 配置远程服务器IP地址和服务器端口

通过域名解析获取IP地址有两种方法:

a、通过在终端下ping域名的方法获取IP地址

b、通过DNS域名解析的方法获取IP地址

  1. 通过在终端下ping域名的方法获取IP地址

把 ${productKey}替换为您的产品key,并在终端对MQTT进行ping操作,来获取服务器IP地址

举例:

  1. 通过DNS域名解析的方法获取IP地址

首先完成W5500的DNS域名解析例程的移植,把DNS相关部分移植到本程序中,再进行相关配置即可完成(DNS相关例程下载地址http://www.w5500.com/) ,DNS解析域名成功后,把解析出的IP地址赋值给MQTT的 server_ip,用于MQTT与阿里云的连接,完成MQTT协议通信

连接成功后,通过串口调试助手验证DNS域名解析是否正确,若正确则MQTT与阿里云连接成功,并可成功的发布订阅消息:

  • 设置发布订阅的主题:

在tcp_client.c文件中设置MQTT与阿里云连接参数,并通过调用mqtt_fun.c文件中的相关底层函数来完成MQTT与阿里云连接:

底层的订阅发布函数

/*****************拼接订阅报文**************************************/

void make_sub_msg(char *Topic,unsigned char*msgbuf,int buflen)

{

int msgid = 1;

int req_qos = 0;

unsigned char topic[100];

MQTTString topicString= MQTTString_initializer;

memcpy(topic,Topic,strlen(Topic));

topicString.cstring = (char*)topic;

//topicString.lenstring.len=4;

MQTTSerialize_subscribe(msgbuf, buflen, 0, msgid, 1, &topicString,

&req_qos);

return;

}

/*********拼接发布报文******************/

void make_pub_msg(char *Topic,unsigned char*msgbuf,int buflen,char*msg)

{

unsigned char topic[100];

int msglen = strlen(msg);

MQTTString topicString = MQTTString_initializer;

memset(topic,0,sizeof(topic));

memcpy(topic,Topic,strlen(Topic));

topicString.cstring = (char*)topic;

MQTTSerialize_publish(msgbuf, buflen, 0, 2, 0, 0, topicString, (

unsigned char*)msg, msglen);

return;

}

此发布订阅的主题根据阿里云中设备管理的Topic列表设置设备可以基于Topic列表中的Topic进行Pub/Sub通信,例如列表中有/TKKMt4nMF8U/MQTT1/mqtt,且设备拥有的权限是发布和订阅,这就意味着设备可以往这个Topic发布消息,同样设备可以从这个Topic订阅消息。

  • 简单测试:
  • 把程序下载到测试板并连接,登陆阿里云,到添加的设备,开启测试板,状态显示在线,说明MQTT与阿里云已经初步连接上
    通过设备的Topic列表,选择程序中设置的发布订阅的Topic进行发布消息的操作:
    串口打印接收到的服务器端发送的消息:
    同时可在日志服务中查询相关设备的相关消息:
    此时MQTT协议通信成功。
    说明:在串口通信中会一直打印消息,是因为程序中设置了对MQTT的ping操作,防止MQTT离线。
  • 注意:

在MQTT与阿里云连接时,会出现离线的状态,在离线状态时重启测试板并手动刷新阿里云即可。因为状态不是实时的显示,会有一段时间的延迟,可耐心等待。
MQTT CONNECT协议设置时的注意事项:错误码