用ESP8266+MQTT构建完全属于自己的物联网平台

ID:1130698 · 发表于 2024-10-6 11:19

本帖最后由 Hecat 于 2024-10-10 10:41 编辑

1. 简介

使用Arduino + ESP8266，基于MQTT协议，构建完全属于自己的物联网平台。

完全属于自己，意思是包括MQTT Broker（MQTT服务器）都自己搭建，而且是使用ESP8266，这是亮点。

由于不依赖于任何第三方服务平台，不担心他们跑路和忍受各种使用限制。

MQTT支持用户认证，具有一定的安全性。

有开放的手机端App支持。

基本平台可以在局域网内运行，如果你有公网IP和域名，也可以从公网访问。

这里仅给出一个最小系统的Demo教程，近乎手把手教你搭建整个系统。Demo实现两个独立设备上LED的本地和远程控制。

写这个教程，是因为最近发现了一个好东西，PicoMQTT库。我找能在ESP8266上运行的Broker很久了，可能是关键字太过精准，找到的Broker都不好用或用不起来。前段时间突发奇想，在Arduino的库上扒拉，把包含mqtt或沾边的库都人肉过滤了一遍，找到了PicoMQTT。经过一段时间的试用，觉得它完全能够替代电脑端的Broker。

2. 软硬件需求

硬件：ESP8266开发板2套(其实1套也可以，仅编译和下载Broker，配合手机App即可完成验证)

ESP8266开发板通常搭载ESP-12系列模块，模块带一个蓝色LED，开发板还有一个切换引导模式的物理按键，按键旁边通常标注了”FLASH”丝印，有这两个外设就可以完成这个Demo。

ESP8266开发板，最方便的是用淘宝那种自带USB串口的开发板，板上有一个USB转串口芯片加一个模块，它支持Arduino串口自动下载，暂时不用去关心ESP8266的引导模式。

[01.开发板.png] [02.开发板.png]

WiFi和路由器：此Demo要有可用的2.4GHz WiFi网络，路由器要能为客户端设定静态IP地址(仅Broker有此要求)

开发软件：Arduino 2.x下载地址

https://www.arduino.cc/en/software

https://downloads.arduino.cc/arduino-ide/arduino-ide_2.3.3_Windows_64bit.exe

应用软件：安卓App用MQTT仪表台软件(iOS也有类似应用)

<MQTTdashboard_0.4.5_APKPure.apk>

Demo例程

<ESP8266_Broker> MQTT Broker(服务器)例程

<ESP8266_Client> MQTT客户端例程

软件包下载<MQTT Demo.7z>，包含上面两个App和例程代码。

MQTT Demo.7z (10.37 MB, 下载次数: 9)

3. 建立Arduino开发环境

运行Arduino安装包arduino-ide_2.3.3_Windows_64bit.exe，如果有防火墙提示，全部允许。

安装完成，启动Arduino，开始配置：

[a01.png]打开Arduino配置菜单，File-Preferences...

[a02.png]添加ESP8266开发板管理器地址，填入

http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

[a03.png]更改语言为中文，点OK提交，会被要求重启软件。

[a04.png]打开开发板管理器菜单，工具-开发板-开发板管理器...

[a05.png]在搜索框中输入esp8266(区分大小写)，搜索出来后，点击esp8266 by ESP8266下面的安装按钮，安装esp8266开发板支持包，包有点大，要花点时间。

[a07.png]打开软件库管理，工具-管理库...

[a08.png]搜索PicoMQTT(区分大小写)，点安装

[a09.png]搜索PubSubClient(区分大小写)，安装，安装完成后关掉Arduino IDE。

4.编译和下载ESP8266_Broker例程到ESP8266开发板

[a10.png] 把其中一个开发板插入电脑，我们先编译和烧写Broker。解压压缩包，找到并双击ESP8266_Broker.ino启动Arduino IDE。

[a11.png]为工程指定开发板ESPino(ESP-12 Module)

[a12.png]首次下载程序，选用开发板对应的串口。如果有多串口的，在设备管理器里面，通过插入和拔出开发板，确定串口号。如果需要串口驱动请自行安装。

[a13.png]修改WiF配置：选中<ESP8266LibCfg.h>，把STA_SSID和STA_PSK修改成你WiFi的SSID和密码。

[a14.png]开始编译和上传(烧写程序到ESP8266)，项目-上传，第一次编译时间可能比较长

[a15.png]烧写完成后的样子，输出框有进度、校验、硬件复位等提示。

[a16.png]打开串口监视器，工具-串口监视器

[a17.png]波特率选115200，按开发板的复位RST，串口能看到ESP8266的引导提示和获取到的IP地址，模块的蓝色LED会亮起来，按FLASH按钮，LED会亮灭变换，同时会看到串口LED状态同步更新。

5.配置路由器，给Broker分配一个静态IP地址

分配静态IP地址是为了让路由器在Broker每次连接的时候得到一个不变的IP地址。因为MQTT客户端连接到Broker的地址，不能是变化的，并且后期公网端口映射也需要静态IP地址。

由于不同路由器的配置方法不同，大致就是在LAN设置里面，把Broker加到静态地址列表。请自行查看路由器帮助文档进行设置。

(如果暂时无法完成Broker静态地址的配置，只要Broker不断电重连，通常IP地址不会变化，可以记下这个IP地址继续下面的实验。但如果要正式投入使用，还是需要固定IP地址。)

6.编译和下载ESP8266_Client例程到ESP8266开发板

[a18.png]按照第4步方法，把另一个开发板接入电脑的USB口(前面已下载好的Broker不要从电脑上拔下来，等待MQTT Client连接)，打开ESP8266_Client工程，配置开发板和下载串口，然后配置<ESP8266LibCfg.h>，把STA_SSID和STA_PSK修改成你WiFi的SSID和密码，把MQTT_BROKER_ADDR后面的IP地址换成你前面Broker的IP地址。

[a19.png]同样打开串口监视仪，配置波特率115200，并按一下开发板的复位，能看到WiFi和MQTT的连接状态，如下图所示表示WiFi和MQTT都连接成功。

7. 安卓MQTT仪表台软件配置

下面以<MQTT Dash (IoT, SmartHome)_4.4_APKPure.apk>举例配置方法

安装App，并运行App

[b01.png]打开MQTTDash，点右上角+添加服务器

[b02.png]Name可随便填，地址填写前面MQTT Broker的IP地址，端口填1883，下面用户名填User，密码填12345678，点右上角的磁盘图标保存配置。

(用户名和密码与<ESP8266LibCfg.h>里面的

#define BROKER_USERNAME "User"

#define BROKER_PASSWORD "12345678"

保持一致)

[b03.png]Test服务器添加完成，App主界面多了一个Test控件。

[b04.png]点击进入Test后，点右上角+新建控件

[b05.png]点Switch/button，添加开关控件

[b06.png]这个开关我们用来控制Broker的LED，Name里填写” BrokerLED”(可随意填写)；Topic(sub)里面填写BT_LED，下面Topic(pub)填写BR_LED，然后点右上角磁盘图标保存。

Broker的控制按钮创建好了，没有意外的话，按这个按钮就可以控制Broker的LED了。

(所有的Topic在源代码里都能找到定义)

[b07.png] Broker LED控制按钮创建好了，点击右上角+继续创建Client LED按钮。

[b08.png]按图输入名称和两个Topic，保存即可。

[b09.png]Broker和Client的控制按钮都创建完成。

可以通过这两个按钮分别控制两个开发板的LED了。

如果按开发板的FLASH按钮，改变LED状态，会同步更新到App界面。

至此，大功告成。

8. 关于公网访问

如果你有公网IP和DDNS，在路由器上添加一个端口映射即可。公网端口选一个非标准服务端口，映射到内网Broker IP的1883端口上即可。

公网IP，可以试着向ISP服务商(电信、联通、移动等互联网提供商)申请，如果申请成功，请ISP服务商把光猫改成桥接模式，并要到宽带账号密码，在你自己的路由器上拨号上网。

只有公网IP，没有动态域名，公网也没法用。接着该去申请免费的动态域名了。

TPLink的部分路由器内置支持DDNS刷新服务，从TPLink申请一个账号，再申请一个tpddns的二级域名，在路由器上配置好即可。另外部分TPLink路由器还支持第三方动态域名刷新服务，比如花生壳，3322、科迈等。

不用路由器，也可以使用电脑端刷新动态域名。各动态域名提供商一般都有Windows平台的刷新软件，找个NAS挂着就行。很久没有研究过免费动态域名了，最新行情啥样也不清楚，各位自己试试吧。

现在，假设你已经有了动态域名，并配置好，Broker也映射到公网。

和Broker在同一个局域网的MQTT客户端，使用局域网IP访问Broker，保证可靠性；手机和局域网外的客户端，使用动态域名访问Broker，保证移动性和连接性。

没有公网IP和动态域名，在局域网运行也有一定的实用价值。

9. 关于OTA

Demo已经内置了Arduino的OTA，当你后续更新ESP8266的时候，可以使用OTA更新，密码是0000，具体细节就不展开讲了，网上教程很多，请自行查找。

10. 关于另一个安卓App和iOS App

附件里另一个安卓App是<MQTTdashboard_0.4.5_APKPure.apk>，也可以用于MQTT控制，控件更多，更花哨，它的架构和<MQTT Dash (IoT, Smart Home)_4.4_APKPure.apk>有点不同，请大家自行尝试。

4.4版本的是以Broker为顶层，生成的Dash都是该Broker的交互。

而0.4.5版本的App，有一个Broker池，每个Dash可以包含多个Broker，也就是多个Broker交互可以混合在一起。

iOS在App Store里面也有MQTT相关的App可用，暂时没精力去逐个逐个找好用的了。

11. 关于PicoMQTT库和PubSubClient库

PicoMQTT客户端库，回调函数与Sub一一对应；

PubSubClient客户端，只有一个回调函数，需要工程师自行区别Topic，分别处理。

12. 其他

*. 关于PicoMQTTBroker性能。在GitHub上，开发者对PicoMQTT作了比较详细的性能测试，从测试结果来看，对于个人或家庭应用足够了。附件Doc里面有打包下载的性能测试文档。

*. PicoMQTT也包含客户端库，但是ESP8266_Client工程并没有用PicoMQTT客户端库，而是用的PubSubClient。前段时间一个控制器用了PicoMQTT的客户端库，使用中出现未知原因随机重启，换用PubSubClient后正常。在找到PicoMQTT之前，我一直用的PubSubClient，Broker用电脑搭。

附测试视频

MQTT Demo Video.7z (4.24 MB, 下载次数: 5)