MQTT原理与应用

学习如何使用电脑客户端和ESP8266客户端来连接MQTT服务端

本文章学习借鉴于太极创客团队，以表感谢。官网[http://www.taichi-maker.com/]

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一、使用电脑客户端和ESP8266客户端来连接MQTT服务端

电脑客户端连接MQTT服务端

MQTT 客户端工具 （MQTT X 桌面客户端）

MQTT X 是 EMQ 开源的一款跨平台 MQTT 5.0 客户端工具，它支持 macOS, Linux, Windows，并且支持 MQTT 消息格式转换。

MQTT X 的用户界面借助聊天软件的形式简化了页面的操作逻辑，用户可以快速创建连接保存并同时建立多个连接客户端，方便用户快速测试 MQTT/TCP、MQTT/TLS、MQTT/WebSocket 的 连接/发布/订阅 功能及其他特性。

MQTT X 致力于打造优雅、易用的全平台 MQTT 客户端，并在最近发布了 MQTT X CLI 及 MQTT X Web 两个版本，目前在 GitHub Star 数已达到 2K，已成为使用场景最完整的 MQTT 测试客户端。

MQTT X 下载地址

官网下载：https://mqttx.app/zh
GitHub 下载：https://github.com/emqx/MQTTX/releases

MQTTfx 下载地址

百度网盘：https://pan.baidu.com/s/13v0ROf1dOzu2tXqmw3iBMg 提取码:r9f7

ESP8266连接MQTT服务端

ESP8266的Arduino开发环境里有多个MQTT库，我们将使用最为流行的PubSubClient库来作为本教程的主要介绍对象，我们将通过一系列课程教您如何使用ESP8266通过PubSubClient库来实现MQTT物联网应用。

ArduinoIDE 安装库

ArduinoIDE 导入下载的库

示例程序

/**********************************************************************
本程序旨在演示如何使用PubSubClient库使用ESP8266向连接MQTT服务器。
-----------------------------------------------------------------------
本示例程序为太极创客团队制作的《零基础入门学用物联网》中示例程序。
该教程为对物联网开发感兴趣的朋友所设计和制作。如需了解更多该教程的信息，请参考以下网页：
http://www.taichi-maker.com/homepage/esp8266-nodemcu-iot/iot-c/esp8266-nodemcu-web-client/http-request/
***********************************************************************/
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>// 设置wifi接入信息(请根据您的WiFi信息进行修改)
const char* ssid = "wifi";
const char* password = "12345678";
const char* mqttServer = "test.ranye-iot.net";// 如以上MQTT服务器无法正常连接，请前往以下页面寻找解决方案
// http://www.taichi-maker.com/public-mqtt-broker/WiFiClient wifiClient;
PubSubClient mqttClient(wifiClient);void setup() {Serial.begin(9600);//设置ESP8266工作模式为无线终端模式WiFi.mode(WIFI_STA);// 连接WiFiconnectWifi();// 设置MQTT服务器和端口号mqttClient.setServer(mqttServer, 1883);// 连接MQTT服务器connectMQTTServer();
}void loop() { if (mqttClient.connected()) { // 如果开发板成功连接服务器    mqttClient.loop();          // 保持客户端心跳} else {                  // 如果开发板未能成功连接服务器connectMQTTServer();    // 则尝试连接服务器}
}void connectMQTTServer(){// 根据ESP8266的MAC地址生成客户端ID（避免与其它ESP8266的客户端ID重名）String clientId = "esp8266-" + WiFi.macAddress();// 连接MQTT服务器if (mqttClient.connect(clientId.c_str())) { Serial.println("MQTT Server Connected.");Serial.println("Server Address: ");Serial.println(mqttServer);Serial.println("ClientId:");Serial.println(clientId);} else {Serial.print("MQTT Server Connect Failed. Client State:");Serial.println(mqttClient.state());delay(3000);}
}// ESP8266连接wifi
void connectWifi(){WiFi.begin(ssid, password);//等待WiFi连接,成功连接后输出成功信息while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {delay(1000);Serial.print(".");}Serial.println("");Serial.println("WiFi Connected!");  Serial.println("");
}

二、 MQTTfx 使用教程

下载完，安装后，打开软件 如下图，第一步骤，点击设置图标

创建MQTT服务

connect 开始连接，右侧 ，绿色说明连接成功

创建订阅主题

订阅主题发布信息
选择主题，下面输入发送的内容，点击publish 发送，

发送记录查看

同步太极创客教程 连接 https://www.bilibili.com/video/BV1T54y1k7MQ/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=04d3b5e0230b02edb1f84360e21ab826

公用MQTT服务器列表

然也物联 (国内)
官网地址：http://www.ranye-iot.net
MQTT服务器地址：test.ranye-iot.net
TCP 端口：1883
TCP/TLS 端口：8883

三、学习客户端如何实现发布消息、订阅主题以及取消订阅主题

PUBLISH – 发布信息

MQTT客户端一旦连接到服务端，便可以发布消息。 每条发布的MQTT消息必须包含一个主题。MQTT服务器可以通过主题确定将消息转发给哪些客户端

以下是PUBLISH报文的详细信息。

topicName – 主题名

主题名用于识别此信息应发布到哪一个主题。关于MQTT主题的应用，我们在之前的课程中已经做了详细介绍，在后续课程中我们还会对主题的高级应用进行更加详细的讲解。

QoS – 服务质量等级
QoS（Quality of Service）表示MQTT消息的服务质量等级。QoS有三个级别：0、1和2。QoS决定MQTT通讯有什么样的服务保证。有关QoS的详细信息我们会在后续课程中详细讲解。

packetId – 报文标识符

报文标识符可用于对MQTT报文进行标识。不同的MQTT报文所拥有的标识符不同。MQTT设备可以通过该标识符对MQTT报文进行甄别和管理。请注意：报文标识符的内容与QoS级别有密不可分的关系。只有QoS级别大于0时，报文标识符才是非零数值。如果QoS等于0，报文标识符为0。

retainFlag – 保留标志

在默认情况下，当客户端订阅了某一主题后，并不会马上接收到该主题的信息。只有在客户端订阅该主题后，服务端接收到该主题的新信息时，服务端才会将最新接收到的该主题信息推送给客户端。
但是在有些情况下，我们需要客户端在订阅了某一主题后马上接收到一条该主题的信息。这时候就需要用到保留标志这一信息。关于保留标志的具体使用方法，我们将在本教程的后续部分进行详细讲解。

Payload – 有效载荷
有效載荷是我们希望通过MQTT所发送的实际内容。我们可以使用MQTT协议发送文本，图像等格式的内容。这些内容都是通过有效載荷所发送的。

dupFlag – 重发标志
当MQTT报文的接收方没有及时确认收到报文时，发送方会重复发送MQTT报文。在重复发送MQTT报文时，发送方会将此“重发标志”设置为true。请注意，重发标志只在QoS级别大于0时使用。有关QoS的详细信息，我们将会在后续教程中为您做详细介绍。

SUBSCRIBE – 订阅主题

当客户端连接到服务端后，除了可以发布消息，也可以接收消息。我们在之前的课程讲过，所有MQTT消息都有主题。客户端要想接收消息，首先要订阅该消息的主题。这样，当有客户端向该主题发布消息后，订阅了该主题的客户端就能接收到消息了。

客户端要想订阅主题，首先要向服务端发送主题订阅请求。客户端是通过向服务端发送SUBSCRIBE报文来实现这一请求的。该报文包含有一系列“订阅主题名”。请留意，一个SUBSCRIBE报文可以包含有单个或者多个订阅主题名。也就是说，一个SUBSCRIBE报文可以用于订阅一个或者多个主题。

在以上PUBLISH报文讲解中，我们曾经提到过QoS（服务质量等级）这一概念。同样的，客户端在订阅主题时也可以明确QoS。服务端会根据SUBSCRIBE中的QoS来提供相应的服务保证。

另外每一个SUBSCRIBE报文还包含有“报文标识符”。报文标识符可用于对MQTT报文进行标识。不同的MQTT报文所拥有的标识符不同。MQTT设备可以通过该标识符对MQTT报文进行甄别和管理。

SUBACK – 订阅确认

服务端接收到客户端的订阅报文后，会向客户端发送SUBACK报文确认订阅。

SUBACK报文包含有“订阅返回码”和“报文标识符”这两个信息。

returnCode – 订阅返回码

UNSUBSCRIBE – 取消订阅

顾名思义，当客户端要取消订阅某主题时，可通过向服务端发送UNSUBSCRIBE – 取消订阅报文来实现。

以上示意图显示，UNSUBSCRIBE报文包含两个重要信息，第一个是取消订阅的主题名称。同一个UNSUBSCRIBE报文可以同时包含多个取消订阅的主题名称。另外，UNSUBSCRIBE报文也包含“报文标识符”，MQTT设备可以通过该标识符对报文进行管理。

当服务端接收到UNSUBSCRIBE报文后，会向客户端发送取消订阅确认报文 – UNSUBACK报文。该报文含有客户端所发送的“取消订阅报文标识符”。

客户端接收到UNSUBACK报文后就可以确认取消主题订阅已经成功完成了。

ESP8266发布MQTT消息

ESP8266的Arduino开发环境里有多个MQTT库，我们将使用最为流行的PubSubClient库来作为本教程的主要介绍对象，我们将通过一系列课程教您如何使用ESP8266通过PubSubClient库来实现MQTT物联网应用。关于PubSubClient库,以下是其基本信息：

发布MQTT消息示例

/**********************************************************************
项目名称/Project          : 零基础入门学用物联网
程序名称/Program name     : publish_ranye_url
团队/Team                : 太极创客团队 / Taichi-Maker (www.taichi-maker.com)
作者/Author              : CYNO朔
日期/Date（YYYYMMDD）     : 20200813
程序目的/Purpose          :
本程序旨在演示如何使用PubSubClient库使用ESP8266向MQTT服务器发布信息。
-----------------------------------------------------------------------
本示例程序为太极创客团队制作的《零基础入门学用物联网》中示例程序。
该教程为对物联网开发感兴趣的朋友所设计和制作。如需了解更多该教程的信息，请参考以下网页：
http://www.taichi-maker.com/homepage/esp8266-nodemcu-iot/iot-c/esp8266-nodemcu-web-client/http-request/
***********************************************************************/
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <Ticker.h>// 设置wifi接入信息(请根据您的WiFi信息进行修改)
const char* ssid = "taichi-maker";
const char* password = "12345678";
const char* mqttServer = "test.ranye-iot.net";// 如以上MQTT服务器无法正常连接，请前往以下页面寻找解决方案
// http://www.taichi-maker.com/public-mqtt-broker/Ticker ticker;
WiFiClient wifiClient;
PubSubClient mqttClient(wifiClient);int count;    // Ticker计数用变量void setup() {Serial.begin(9600);//设置ESP8266工作模式为无线终端模式WiFi.mode(WIFI_STA);// 连接WiFiconnectWifi();// 设置MQTT服务器和端口号mqttClient.setServer(mqttServer, 1883);// 连接MQTT服务器connectMQTTServer();// Ticker定时对象ticker.attach(1, tickerCount);
}void loop() { if (mqttClient.connected()) { // 如果开发板成功连接服务器// 每隔3秒钟发布一次信息if (count >= 3){pubMQTTmsg();count = 0;}    // 保持心跳mqttClient.loop();} else {                  // 如果开发板未能成功连接服务器connectMQTTServer();    // 则尝试连接服务器}
}void tickerCount(){count++;
}void connectMQTTServer(){// 根据ESP8266的MAC地址生成客户端ID（避免与其它ESP8266的客户端ID重名）String clientId = "esp8266-" + WiFi.macAddress();// 连接MQTT服务器if (mqttClient.connect(clientId.c_str())) { Serial.println("MQTT Server Connected.");Serial.println("Server Address: ");Serial.println(mqttServer);Serial.println("ClientId:");Serial.println(clientId);} else {Serial.print("MQTT Server Connect Failed. Client State:");Serial.println(mqttClient.state());delay(3000);}
}// 发布信息
void pubMQTTmsg(){static int value; // 客户端发布信息用数字// 建立发布主题。主题名称以Taichi-Maker-为前缀，后面添加设备的MAC地址。// 这么做是为确保不同用户进行MQTT信息发布时，ESP8266客户端名称各不相同，String topicString = "Taichi-Maker-Pub-" + WiFi.macAddress();char publishTopic[topicString.length() + 1];  strcpy(publishTopic, topicString.c_str());// 建立发布信息。信息内容以Hello World为起始，后面添加发布次数。String messageString = "Hello World " + String(value++); char publishMsg[messageString.length() + 1];   strcpy(publishMsg, messageString.c_str());// 实现ESP8266向主题发布信息if(mqttClient.publish(publishTopic, publishMsg)){Serial.println("Publish Topic:");Serial.println(publishTopic);Serial.println("Publish message:");Serial.println(publishMsg);    } else {Serial.println("Message Publish Failed."); }
}// ESP8266连接wifi
void connectWifi(){WiFi.begin(ssid, password);//等待WiFi连接,成功连接后输出成功信息while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {delay(1000);Serial.print(".");}Serial.println("");Serial.println("WiFi Connected!");  Serial.println("");
}

MQTT 主题介绍

主题基本形式

主题是区分大小写的，不建议使用中文，不建议使用空格

示例
myTopic
motorSpeed
MotorSpeed
current time

主题分级

MQTT主题各个级别之间可以使用”/”来分隔。如下例所示：
home/sensor/kitchen/temperature 四级主题
home/sensor/kitchen 三级主题

主题通配符

单级通配符: +

单级通配符可以代替一个主题级别。 以下为含有单极通配符的主题示例。
同时订阅多个主题，前后必须一致才可以
home/sensor/+/temperature

• 可以替代中间任何的主题，
  home/sensor/kitchen/temperature
  home/sensor/bedroom/temperature

多级通配符 # （类似于匹配查询like home/senso%）
home/sensor/#
home/sensor/kitchen/temperature
home/sensor/bedroom/brightness
home/sensor/data

主题应用注意事项

以$开始的主题是MQTT服务端系统保留的特殊主题，我们不能随意订阅或者向其发布信息。

$SYS/broker/clients/connected
$SYS/broker/clients/disconnected
$SYS/broker/clients/total
$SYS/broker/messages/sent
$SYS/broker/uptime

– 不要用 “/” 作为主题开头
– 主题中不要使用空格
– 保持主题简洁明了
– 主题中尽量使用ASCII字符

ASCII 码使用指定的7 位或8 位二进制数组合来表示128 或256 种可能的字符。标准ASCII 码也叫基础ASCII码，使用7 位二进制数（剩下的1位二进制为0）来表示所有的大写和小写字母，数字0 到9、标点符号，以及在美式英语中使用的特殊控制字符 [1] 。
了解一下ASCII字符即可

在主题中嵌入客户端ID

ESP8266订阅MQTT主题

/**********************************************************************
项目名称/Project          : 零基础入门学用物联网
程序名称/Program name     : subscribe_ranye_url
团队/Team                : 太极创客团队 / Taichi-Maker (www.taichi-maker.com)
作者/Author              : CYNO朔
日期/Date（YYYYMMDD）     : 20200708
程序目的/Purpose          :
本程序旨在演示如何使用PubSubClient库使用ESP8266向MQTT服务器订阅信息。
-----------------------------------------------------------------------
本示例程序为太极创客团队制作的《零基础入门学用物联网》中示例程序。
该教程为对物联网开发感兴趣的朋友所设计和制作。如需了解更多该教程的信息，请参考以下网页：
http://www.taichi-maker.com/homepage/esp8266-nodemcu-iot/iot-c/esp8266-nodemcu-web-client/http-request/
***********************************************************************/
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>// 设置wifi接入信息(请根据您的WiFi信息进行修改)
const char* ssid = "dajiating";
const char* password = "xxxx";
const char* mqttServer = "test.ranye-iot.net";
// 如以上MQTT服务器无法正常连接，请前往以下页面寻找解决方案
// http://www.taichi-maker.com/public-mqtt-broker/WiFiClient wifiClient;
PubSubClient mqttClient(wifiClient);void setup() {pinMode(D4, OUTPUT);     // 设置板上LED引脚为输出模式digitalWrite(D4, HIGH);  // 启动后关闭板上LEDSerial.begin(9600);               // 启动串口通讯//设置ESP8266工作模式为无线终端模式WiFi.mode(WIFI_STA);// 连接WiFiconnectWifi();// 设置MQTT服务器和端口号mqttClient.setServer(mqttServer, 1883);// 设置MQTT订阅回调函数mqttClient.setCallback(receiveCallback);// 连接MQTT服务器connectMQTTserver();
}void loop() {if (mqttClient.connected()) { // 如果开发板成功连接服务器mqttClient.loop();          // 处理信息以及心跳} else {                      // 如果开发板未能成功连接服务器connectMQTTserver();        // 则尝试连接服务器}
}// 连接MQTT服务器并订阅信息
void connectMQTTserver(){// 根据ESP8266的MAC地址生成客户端ID（避免与其它ESP8266的客户端ID重名）String clientId = "esp8266-" + WiFi.macAddress();// 连接MQTT服务器if (mqttClient.connect(clientId.c_str())) { Serial.println("MQTT Server Connected.");Serial.println("Server Address:");Serial.println(mqttServer);Serial.println("ClientId: ");Serial.println(clientId);// subscribeTopic(); // 订阅指定主题subscribeTopicList();//} else {Serial.print("MQTT Server Connect Failed. Client State:");Serial.println(mqttClient.state());delay(5000);}
}// 收到信息后的回调函数
void receiveCallback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {Serial.print("Message Received [");Serial.print(topic);Serial.print("] ");for (int i = 0; i < length; i++) {Serial.print((char)payload[i]);}Serial.println("");Serial.print("Message Length(Bytes) ");Serial.println(length);if ((char)payload[0] == '1') {     // 如果收到的信息以“1”为开始digitalWrite(D4, LOW);  // 则点亮LED。Serial.println("LED ON");} else {                           digitalWrite(D4, HIGH); // 否则熄灭LED。Serial.println("LED OFF");}
}// 订阅指定主题
void subscribeTopic(){// 建立订阅主题。主题名称以Taichi-Maker-Sub为前缀，后面添加设备的MAC地址。// 这么做是为确保不同设备使用同一个MQTT服务器测试消息订阅时，所订阅的主题名称不同String topicString = "Taichi-Maker-Sub-" + WiFi.macAddress();char subTopic[topicString.length() + 1];  strcpy(subTopic, topicString.c_str());// 通过串口监视器输出是否成功订阅主题以及订阅的主题名称if(mqttClient.subscribe(subTopic)){Serial.println("Subscrib Topic:");Serial.println(subTopic);} else {Serial.print("Subscribe Fail...");}
}// 订阅多个指定主题
void subscribeTopicList(){//单级通配符: +//String topicString = "Taichi-Maker-Sub-" + WiFi.macAddress()+"/+/data";//多级通配符 #//String topicString = "Taichi-Maker-Sub-" + WiFi.macAddress()+"/#";// 建立订阅主题1。主题名称以Taichi-Maker-Sub为前缀，后面添加设备的MAC地址。// 这么做是为确保不同设备使用同一个MQTT服务器测试消息订阅时，所订阅的主题名称不同String topicString = "Taichi-Maker-Sub-" + WiFi.macAddress();char subTopic[topicString.length() + 1];  strcpy(subTopic, topicString.c_str());// 建立订阅主题2String topicString2 = "Taichi-Maker-Sub2-" + WiFi.macAddress();char subTopic2[topicString2.length() + 1];  strcpy(subTopic2, topicString2.c_str());// 通过串口监视器输出是否成功订阅主题1以及订阅的主题1名称if(mqttClient.subscribe(subTopic)){Serial.println("Subscrib Topic:");Serial.println(subTopic);} else {Serial.print("Subscribe Fail...");}  // 通过串口监视器输出是否成功订阅主题2以及订阅的主题2名称if(mqttClient.subscribe(subTopic2)){Serial.println("Subscrib Topic:");Serial.println(subTopic2);} else {Serial.print("Subscribe Fail...");}
}// ESP8266连接wifi
void connectWifi(){WiFi.begin(ssid, password);//等待WiFi连接,成功连接后输出成功信息while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {delay(1000);Serial.print(".");}Serial.println("");Serial.println("WiFi Connected!");  Serial.println("");
}

总结

 // 建立发布主题。主题名称以Taichi-Maker-为前缀，后面添加设备的MAC地址。// 这么做是为确保不同用户进行MQTT信息发布时，ESP8266客户端名称各不相同，String topicString = "Taichi-Maker-Pub-" + WiFi.macAddress();char publishTopic[topicString.length() + 1];  strcpy(publishTopic, topicString.c_str()); //主题必须字符转化字符数组// 建立发布信息。信息内容以Hello World为起始，后面添加发布次数。String messageString = "Hello World " + String(value++); char publishMsg[messageString.length() + 1];   strcpy(publishMsg, messageString.c_str());// 实现ESP8266向主题发布信息mqttClient.publish(publishTopic, publishMsg) //发布函数// 保持心跳，保持mqtt 正常链接。保持在线mqttClient.loop();subscribeTopic(); // 订阅指定主题
// 收到信息后的回调函数
//char* topic 主题,
//byte* payload, 信息内容
//unsigned int length 信息长度
void receiveCallback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) //单级通配符: +//String topicString = "Taichi-Maker-Sub-" +  WiFi.macAddress()+"/+/data";//多级通配符 #//String topicString = "Taichi-Maker-Sub-" + WiFi.macAddress()+"/#";// 建立订阅主题1。主题名称以Taichi-Maker-Sub为前缀，后面添加设备的MAC地址。// 这么做是为确保不同设备使用同一个MQTT服务器测试消息订阅时，所订阅的主题名称不同//订阅指定主题String topicString = "Taichi-Maker-Sub-" + WiFi.macAddress();char subTopic[topicString.length() + 1];  strcpy(subTopic, topicString.c_str());// 建立订阅主题2String topicString2 = "Taichi-Maker-Sub2-" + WiFi.macAddress();char subTopic2[topicString2.length() + 1];  strcpy(subTopic2, topicString2.c_str());// 通过串口监视器输出是否成功订阅主题1以及订阅的主题1名称if(mqttClient.subscribe(subTopic)){Serial.println("Subscrib Topic:");Serial.println(subTopic);} else {Serial.print("Subscribe Fail...");}  // 通过串口监视器输出是否成功订阅主题2以及订阅的主题2名称if(mqttClient.subscribe(subTopic2)){Serial.println("Subscrib Topic:");Serial.println(subTopic2);} else {Serial.print("Subscribe Fail...");}    

最后 还是感谢太极创客团队。官网[http://www.taichi-maker.com/]

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