【FreeRTOS】基于STM32移植LWIP 2.1.2之MQTT

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1.前言

MQTT协议工作在TCP之上，端和代理之间通过交换预先定义的控制报文来完成通信。因为 MQTT 是应用层协议，所以它需要运行在LwIP协议上，我们就使用 Socket API来进行移植。

物接入（IoT Hub）是面向物联网领域开发者的全托管云服务，通过主流的物联网协议MQTT通讯，可以在智能设备与云端之间建立安全的双向连接，快速实现物联网项目。

2.下载MQTT源码

MQTT源码下载地址：https://github.com/eclipse/paho.mqtt.embedded-c

这个存储库包含用于嵌入式平台的Eclipse Paho MQTT C/ c++客户端库的源代码。有三个子项目:

• MQTTPacket：对MQTT数据包进行简单的反/序列化
• MQTTClient：高级C++客户端
• MQTTClient-C：高级C客户端(几乎是C++客户端的克隆)

我们这里是STM32平台，选择的是MQTTPacket项目代码。

3.移植MQTT协议

• 创建一个 MQTT 文件夹，再将 MQTTPacket\src目录下的文件添加到工程目录MQTT文件夹。
  
• 再将 MQTTPacket\samples 目录下的 transport.c、transport.h 添加到这个文件夹下。
  
• 添加MQTT头文件路径
  

4. 修改transport.c文件

transport.c文件是MQTT协议调用底层socket接口的API，基本上可以沿用sample code里面transport.c，这里有一些微调。如下：

#include "transport.h"
#include "lwip/opt.h"
#include "lwip/arch.h"
#include "lwip/api.h"
#include "lwip/inet.h"
#include "lwip/sockets.h"
#include "string.h"

static int mysock;

/************************************************************************
** 函数名称: transport_sendPacketBuffer									
** 函数功能: 以TCP方式发送数据
** 入口参数: unsigned char* buf：数据缓冲区
**           int buflen：数据长度
** 出口参数: <0发送数据失败							
************************************************************************/
int32_t transport_sendPacketBuffer( uint8_t* buf, int32_t buflen)
{
    
    
	int32_t rc;
	rc = write(mysock, buf, buflen);
	return rc;
}

/************************************************************************
** 函数名称: transport_getdata									
** 函数功能: 以阻塞的方式接收TCP数据
** 入口参数: unsigned char* buf：数据缓冲区
**           int count：数据长度
** 出口参数: <=0接收数据失败									
************************************************************************/
int32_t transport_getdata(uint8_t* buf, int32_t count)
{
    
    
	int32_t rc;
	//这个函数在这里不阻塞
  rc = recv(mysock, buf, count, 0);
	return rc;
}



/************************************************************************
** 函数名称: transport_open									
** 函数功能: 打开一个接口，并且和服务器 建立连接
** 入口参数: char* servip:服务器域名
**           int   port:端口号
** 出口参数: <0打开连接失败										
************************************************************************/
int32_t transport_open(int8_t* servip, int32_t port)
{
    
    
	int32_t *sock = &mysock;
	int32_t ret;
//	int32_t opt;
	struct sockaddr_in addr;
	
	//初始换服务器信息
	memset(&addr,0,sizeof(addr));
	addr.sin_len = sizeof(addr);
	addr.sin_family = AF_INET;
	//填写服务器端口号
	addr.sin_port = PP_HTONS(port);
	//填写服务器IP地址
	addr.sin_addr.s_addr = inet_addr((const char*)servip);
	
	//创建SOCK
	*sock = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
	//连接服务器 
	ret = connect(*sock,(struct sockaddr*)&addr,sizeof(addr));
	if(ret != 0)
	{
    
    
		 //关闭链接
		 close(*sock);
		 //连接失败
		 return -1;
	}
	//连接成功,设置超时时间1000ms
//	opt = 1000;
//	setsockopt(*sock,SOL_SOCKET,SO_RCVTIMEO,&opt,sizeof(int));
	
	//返回套接字
	return *sock;
}


/************************************************************************
** 函数名称: transport_close									
** 函数功能: 关闭套接字
** 入口参数: unsigned char* buf：数据缓冲区
**           int buflen：数据长度
** 出口参数: <0发送数据失败							
************************************************************************/
int transport_close(void)
{
    
    
  
	int rc;
//	rc = close(mysock);
  rc = shutdown(mysock, SHUT_WR);
	rc = recv(mysock, NULL, (size_t)0, 0);
	rc = close(mysock);
	return rc;
}

5. 添加mqttclient.c文件

mqttclient.c文件主要是创建了2个线程：Receive Thread和Send Thread。专门负责接收并且解析MQTT服务器发送的消息和发送消息给MQTT服务器。

• Receive Thread
  Receive Thread主要的流程图如下：
  
  Receive Thread代码如下：

  void Client_Connect(void)
  {
        
        
      char* host_ip;
    
  #if  LWIP_DNS
      ip4_addr_t dns_ip;
      netconn_gethostbyname(HOST_NAME, &dns_ip);
      host_ip = ip_ntoa(&dns_ip);
      printf("host name : %s , host_ip : %s\r\n",HOST_NAME,host_ip);
  #else
      host_ip = HOST_NAME;
  #endif  
  MQTT_START: 
    
  		//创建网络连接
  		printf("1.开始连接对应云平台的服务器...\r\n");
      printf("服务器IP地址：%s，端口号：%0d！\r\n",host_ip,HOST_PORT);
  		while(1)
  		{
        
        
  				//连接服务器
  				MQTT_Socket = transport_open((int8_t*)host_ip,HOST_PORT);
  				//如果连接服务器成功
  				if(MQTT_Socket >= 0)
  				{
        
        
  						printf("连接云平台服务器成功！\r\n");
  						break;
  				}
  				printf("连接云平台服务器失败，等待3秒再尝试重新连接！\r\n");
  				//等待3秒
  				vTaskDelay(3000);
  		}
      
      printf("2.MQTT用户名与密钥验证登录...\r\n");
      //MQTT用户名与密钥验证登录
      if(MQTT_Connect() != Connect_OK)
      {
        
        
           //重连服务器
           printf("MQTT用户名与密钥验证登录失败...\r\n");
            //关闭链接
           transport_close();
           goto MQTT_START;	 
      }
      
  		//订阅消息
  		printf("3.开始订阅消息...\r\n");
      //订阅消息
      if(MQTTSubscribe(MQTT_Socket,(char *)TOPIC,QOS1) < 0)
      {
        
        
           //重连服务器
           printf("客户端订阅消息失败...\r\n");
            //关闭链接
           transport_close();
           goto MQTT_START;	   
      }	
  
  		//无限循环
  		printf("4.开始循环接收订阅的消息...\r\n");
  
  }
  void mqtt_recv_thread(void *pvParameters)
  {
        
        
  	uint32_t curtick;
  	uint8_t no_mqtt_msg_exchange = 1;
  	uint8_t buf[MSG_MAX_LEN];
  	int32_t buflen = sizeof(buf);
  	int32_t type;
  	fd_set readfd;
  	struct timeval tv;	  //等待时间
  	tv.tv_sec = 0;
  	tv.tv_usec = 10;
  
  
  MQTT_START: 
  	//开始连接
  	Client_Connect();
  	//获取当前滴答，作为心跳包起始时间
  	curtick = xTaskGetTickCount();
  	while(1)
  	{
        
        
  		//表明无数据交换
  		no_mqtt_msg_exchange = 1;
  
  		FD_ZERO(&readfd);
  		FD_SET(MQTT_Socket,&readfd);						  
  
  		//等待可读事件
  		select(MQTT_Socket+1,&readfd,NULL,NULL,&tv);
  
  		//判断MQTT服务器是否有数据
  		if(FD_ISSET(MQTT_Socket,&readfd) != 0)
  		{
        
        
  			//读取数据包--注意这里参数为0，不阻塞
  			type = ReadPacketTimeout(MQTT_Socket,buf,buflen,0);
  			if(type != -1)
  			{
        
        
  				mqtt_pktype_ctl(type,buf,buflen);
  				//表明有数据交换
  				no_mqtt_msg_exchange = 0;
  				//获取当前滴答，作为心跳包起始时间
  				curtick = xTaskGetTickCount();
  			}
  		}
  
  		//这里主要目的是定时向服务器发送PING保活命令
  		if((xTaskGetTickCount() - curtick) >(KEEPLIVE_TIME/2*1000))
  		{
        
        
  			curtick = xTaskGetTickCount();
  			//判断是否有数据交换
  			if(no_mqtt_msg_exchange == 0)
  			{
        
        
  				//如果有数据交换，这次就不需要发送PING消息
  				continue;
  			}
  
  			if(MQTT_PingReq(MQTT_Socket) < 0)
  			{
        
        
  				//重连服务器
  				printf("发送保持活性ping失败....\r\n");
  				goto CLOSE;	 
  			}
  
  			//心跳成功
  			printf("发送保持活性ping作为心跳成功....\r\n");
  			//表明有数据交换
  			no_mqtt_msg_exchange = 0;
  		}	
  	}
  
  CLOSE:
  	//关闭链接
  	transport_close();
  	//重新链接服务器
  	goto MQTT_START;   
  }
  

• Send Thread
  Send Thread主要的流程图如下：
  

• Send Thread
  Send Thread代码如下：

  void mqtt_send_thread(void *pvParameters)
  {
        
        
      uint8_t res;
      /* 定义一个创建信息返回值，默认为pdTRUE */
      BaseType_t xReturn = pdTRUE;
      /* 定义一个接收消息的变量 */
      Stu_Sys_Data_TypeDef* recv_data;
      //初始化json数据
      cJSON* cJSON_Data = NULL;
      cJSON_Data = cJSON_Data_Init();
      while(1)
      {
        
        
          
      xReturn = xQueueReceive( MQTT_Data_Queue,    /* 消息队列的句柄 */
                               &recv_data,      /* 发送的消息内容 */
                               portMAX_DELAY); /* 等待时间 3000ms */
        if(xReturn == pdTRUE)
        {
        
        
          //更新数据      
  		res = cJSON_Update(cJSON_Data, STUDENT_ID, &recv_data->sid);
  		res = cJSON_Update(cJSON_Data, HEIGHT_NUM, &recv_data->heightNum);
  		res = cJSON_Update(cJSON_Data, WEIGHT_NUM, &recv_data->weightNum);
  		
          if(UPDATE_SUCCESS == res)
          {
        
        
              //更新数据成功，
              char* p = cJSON_Print(cJSON_Data);
              //发布消息
              MQTTMsgPublish(MQTT_Socket,(char*)TOPIC,QOS0,(uint8_t*)p);
  			
              vPortFree(p);
              p = NULL;
          }
          else
            printf("update fail\r\n");
        }
      }
  }
  

6.验证测试

最后验证测试成功，如下：

7.资料下载地址

移植成功的完整代码下载地址如下：
https://download.csdn.net/download/ZHONGCAI0901/14023611