esp32c3开发板通过micropython的mqtt库连MQTT物联网消息服务器

🕗 发布于 2024-11-19 11:51 micropython esp32 单片机 mqtt 物联网

MQTT介绍

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种轻量级的消息协议，旨在设备之间进行通信，尤其是在网络条件较差的情况下。MQTT v3.1.1 和 MQTT v5 是该协议的两个主要版本。

MQTT v3.1.1：

优点：
- 成熟和广泛支持：作为较早的版本，v3.1.1 得到了广泛的实现和支持，包括各种客户端库和服务器（代理）。
- 稳定性：由于长时间的使用，v3.1.1 版本的稳定性和可靠性得到了验证。
- 资源消耗低：设计上考虑了低带宽和低功耗设备，因此非常适合物联网（IoT）应用。
缺点：
- 功能限制：与 v5 相比，v3.1.1 缺少一些高级功能，如消息的精确一次性传递（Exactly-Once Delivery）和用户属性（User Properties）。
- 可扩展性：v3.1.1 的一些限制可能使得在某些高级场景下的使用受到限制。

MQTT v5：

优点：
- 增强的功能：v5 引入了许多新特性，包括消息的精确一次性传递、用户属性、共享订阅（Shared Subscriptions）、动态消息过滤（Dynamic Message Filters）等，这些特性提高了协议的灵活性和可扩展性。
- 更好的错误处理：v5 提供了更详细的错误代码，有助于客户端更好地理解和处理错误情况。
- 改进的会话恢复：v5 改进了会话恢复机制，使得客户端可以在断开连接后更快地恢复状态。
缺点：
- 兼容性问题：由于是较新的版本，v5 的支持可能不如 v3.1.1 广泛，这可能导致与旧系统或客户端的不兼容问题。
- 实现复杂性：新特性的引入可能增加了实现的复杂性，对于资源受限的设备来说，这可能是一个挑战。

总的来说，MQTT v3.1.1 由于其成熟度和广泛支持，仍然是许多应用的首选。而 MQTT v5 提供了更多的高级功能和更好的错误处理，适合需要这些特性的新应用。选择哪个版本取决于具体的应用需求、资源限制以及对新特性的需求。随着时间的推移，v5 的支持和采用可能会增加，从而减少兼容性问题。

mqtt服务器软件Mosquitto

当前比较流行的mqtt服务器是：Mosquitto、EMQTT、HiveMQ等，经过短暂的了解，最终决定使用Mosquitto。

FreeBSD下安装

pkg install mosquitto

安装好后提示：

Message from mosquitto-2.0.18:

The mosquitto MQTT Python driver is now provided by net/py-paho-mqtt

FreeBSD下启动服务，若没有写入rc.conf文件，则启动时需要加上onestart

sudo service mosquitto start
sudo service mosquitto onestart

Ubuntu下安装

安装服务器

sudo apt install mosquitto

安装客户端

sudo apt install mosquitto-clients

启动并配置服务

以Ubuntu下为例。

启动服务

可以使用service启动服务：

sudo service mosquitto start

当然一开始不知道，直接使用运行mosquitto命令启动了服务：

mosquitto

1731855204: Warning: Unable to drop privileges to 'mosquitto' because this user does not exist. Trying 'nobody' instead.

1731855204: mosquitto version 2.0.18 starting

1731855204: Using default config.

1731855204: Starting in local only mode. Connections will only be possible from clients running on this machine.

1731855204: Create a configuration file which defines a listener to allow remote access.

1731855204: For more details see https://mosquitto.org/documentation/authentication-methods/

1731855204: Opening ipv4 listen socket on port 1883.

1731855204: Opening ipv6 listen socket on port 1883.

1731855204: mosquitto version 2.0.18 running

后来才知道可以用service启动和停止服务

后来发现端口只绑定了本地ip，要绑定0.0.0.0，则需要修改配置。

客户端测试：

首先在服务器本机测试

执行mosquitto_sub客户端侦听服务：

mosquitto_sub -t "mytopic"

执行mosquitto_pub发布信息

另一个终端执行：

mosquitto_pub -t "mytopic" -m "Hello, MQTT!!"
1731855866: New connection from 127.0.0.1:29987 on port 1883.
1731855866: New client connected from 127.0.0.1:29987 as auto-E0721C4C-5B09-EF6C-E3B3-892DBEDC9C05 (p2, c1, k60).
1731855866: Client auto-E0721C4C-5B09-EF6C-E3B3-892DBEDC9C05 disconnected.

就会发现刚才的信息Hello, MQTT!!被侦听端收到了：

mosquitto_sub -t "mytopic"
Hello, MQTT!!

发送消息的详细命令：

mosquitto_pub -t "mytopic" -m "Hello, MQTTexitlast1" -h "192.168.0.13"

设置了用户验证后，就需要带用户名和口令参数，比如

mosquitto_pub -t "mytopic" -m "Hello, MQTT!!" -h 192.168.0.13 -u ral -P ral

修改mosquitto配置

添加用户

在/etc/mosquitto目录下修改配置文件，修改mosquitto.conf文件，加入这样两句：

allow_anonymous false
password_file /etc/mosquitto/passwd

执行mosquitto_passwd创建用户ral并写入/etc/mosquitto/passwd文件：

sudo mosquitto_passwd -c /etc/mosquitto/passwd ral
Password: 
Reenter password:

这样发送和接收信息都需要用户验证。

修改绑定服务到0.0.0.0

在/etc/mosquitto/conf.d目录里创建bindip.conf文件，加入这一句：

bind_address 0.0.0.0

这样服务就能监听0.0.0.0 ，也就是其它非本机也可以连它。

如果原来ufw防火墙没有放开，那么需要放开1883端口：

sudo ufw allow 1883

这时候再测试一下信息：

mosquitto_pub -t 'mytopic' -m 'ehllo' -u 'ral' -P 'ral'

客户端应该能接收到信息：

mosquitto_sub -t "mytopic"
Hello, MQTT!!

重启mosquitto服务

每次修改mosquitto配置后，都要重启服务

sudo service mosquitto restart

带用户验证的测试

消息接收：

# 带上用户验证
mosquitto_sub -t "mytopic" -u 'ral' -P 'ral'
# 或是带上地址
mosquitto_sub -t "mytopic" -u 'ral' -P 'ral'  -h '192.168.0.13'

消息发送：

# 带用户验证的消息发送
mosquitto_pub -t 'mytopic' -m 'hello world' -u 'ral' -P 'ral'
# 带上服务器ip地址
mosquitto_pub -t 'mytopic' -m 'hello world2' -u 'ral' -P 'ral' -h '192.168.0.13'

接收端接收到信息：

mosquitto_sub -t "mytopic" -u 'ral' -P 'ral'  -h '192.168.0.13'
hello world

证明配置设置的正确，服务器一切正常！

esp32c3开发板配置

esp32c3开发板烧录micropython 交互环境，参见：esp32c3安装micropython环境-CSDN博客

烧录好固件，启动开发板，进入micropython交互环境。参见：esp32-c3开发板开箱第一步：连上usb口看log信息-CSDN博客

开发板启动wifi连上网

交互界面里执行下面代码连wifi，注意wifi的名字和密码需要根据实际情况修改：

import network
import time
nic = network.WLAN(network.STA_IF)
nic.active(True)
# nic.scan()
if not nic.isconnected():
    nic.connect("wifi名字", "wifi密码")
    print("Waiting for connection...")
    while not nic.isconnected():
        time.sleep(1)


print(nic.ipconfig("addr4"))

如果能输出网络信息，那么就证明连上了wifi

>>> print(nic.ipconfig("addr4"))
('192.168.0.104', '255.255.255.0')

开发板接收mqtt消息代码

继续执行esp32c3开发板里的micropython代码：

from umqtt.simple import MQTTClient

# 定义 MQTT 代理的地址和端口
SERVER = "192.168.0.13"
PORT = 1883

# 定义客户端 ID、用户名和密码
CLIENT_ID = "my_client_id"
USERNAME = "ral"
PASSWORD = "ral"

# 定义要订阅的主题
TOPIC = b"mytopic"

# 创建 MQTTClient 实例，并传递用户名和密码参数
client = MQTTClient(CLIENT_ID, SERVER, PORT, user=USERNAME, password=PASSWORD)

# 连接到 MQTT 代理
client.connect()

# 订阅主题
client.subscribe(TOPIC)

# 定义消息回调函数
def sub_cb(topic, msg):
    print("Received message: ", msg)


# 设置消息回调函数
client.set_callback(sub_cb)

# 进入消息循环
while True:
    client.wait_msg()

中文会占用输入缓冲区大小，有点干扰输入，所以可以黏贴下面去掉中文注释的代码：

from umqtt.simple import MQTTClient

SERVER = "192.168.0.13"
PORT = 1883

CLIENT_ID = "my_client_id"
USERNAME = "ral"
PASSWORD = "ral"

TOPIC = b"mytopic"

client = MQTTClient(CLIENT_ID, SERVER, PORT, user=USERNAME, password=PASSWORD)

client.connect()

def sub_cb(topic, msg):
    print("Received message: ", msg)



client.set_callback(sub_cb)

client.subscribe(TOPIC)

while True:
    client.wait_msg()

不要一次黏贴一大段，可以2-3句黏贴，比如像这句：client = MQTTClient(CLIENT_ID, SERVER, PORT, user=USERNAME, password=PASSWORD) 比较长，就单独黏贴。

开发板运行后，用一个客户端发送消息

# 本机
mosquitto_pub -t 'mytopic' -m 'hello world' -u 'ral' -P 'ral'
# 非本机
mosquitto_pub -t 'mytopic' -m 'hello world2' -u 'ral' -P 'ral' -h '192.168.0.13'

这时候开发板交互界面里就能接收到发送的信息了！

>>> while True:
...     client.wait_msg()
... 
Received message:  b'hello'
48

这样我们这次实践就完成了！

总结

总体是一次非常愉快的esp32c3开发板与mqtt服务器通信的实践操作。但是由于是第一次使用mosquitto，对它的配置不熟悉，同时也是第一次使用micropython里的mqtt模块（umqtt）进行通信，对它也不熟悉，所以这次实践中箭走了很多弯路，碰到很多问题，幸运的是都解决了。

mqtt服务器，用了半天时间选型为mosquitto，大约这就是眼缘吧，毕竟它是eclicps旗下的，而且FreeBSD还有它的pkg包。安装mosquitto后，需要修改其配置，比如添加用户和密码到指定的文件，修改绑定ip到0.0.0.0，在Ubuntu服务器ufw防火墙中放开1883端口。

esp32c3开发板这块，首先需要烧micropython交互环境的固件，然后usb串口登录到micropython的交互界面，输入python代码。先要配置好WiFi启动tcp/ip网络，然后就是调用umqtt模块进行侦听mqtt消息。micropython的缓冲区较小，不能像普通python里面那样一下子可以黏贴太长的代码段，这也需要注意。

调试

esp32c3上mqtt连接失败

其实这是一个大问题，后来是分解成几个小问题一一解决的。

>>> mqtt_client = connect_mqtt()

Traceback (most recent call last):

File "<stdin>", line 1, in <module>

File "<stdin>", line 3, in connect_mqtt

File "umqtt/simple.py", line 66, in connect

OSError: [Errno 104] ECONNRESET

想起来了，原来是mqtt服务器跨了网段，为了简化测试，后来就用了linux客户端mosquitto_pub和mosquitto_sub -t "mytopic" 先进行测试。（其实esp32的网络模块是可以联网、跨网段通信的）

在同一网段开服务器，还是不行

原来是ufw防火墙没有放开，放开1883端口

sudo ufw allow 1883

发现没有绑定0.0.0.0，修改配置文件/etc/mosquitto/conf.d/bindip.conf，加入这句：

bind_address 0.0.0.0

然后重启服务

sudo service mosquitto restart

用客户端mosquitto_pub再测试有如下报错：

发送信息报错Connection Refused: not authorised.

mosquitto_pub -t "mytopic" -m "Hello, MQTTexitlast1" -h "192.168.0.13"

Connection error: Connection Refused: not authorised.

添加用户：

sudo mosquitto_passwd -c /etc/mosquitto/passwd ral
Password: 
Reenter password:

在/etc/mosquitto目录下的mosquitto.conf文件中加入信息：

allow_anonymous false
password_file /etc/mosquitto/passwd

重启服务后测试：

mosquitto_pub -t "mytopic" -m "Hello, MQTT!!" -h 192.168.0.13 -u ral -P ral

终于不报用户验证错了，现在报错：

esp32连mosquitto报错 Subscribe callback is not set

>>> client.subscribe(TOPIC)