概述
文章目录
- 1、课题概述
- 2、参考博客
- 3、开发环境
- 4、准备设备
- 5、系统设计
- 5.1、硬件
- 5.2、软件
- 6、系统实现
- 6.1、云服务器部署MQTT服务端
- 6.2、ESP8266连接MQTT服务端
- 6.2.1、arduino中先下载esp12e的相关组件库。
- 6.2.2、导入其它库
- 6.2.3、代码
- 6.3、单片机实现
- 6.4、HTTP服务实现
- 6.5、App实现
- 7、系统测试
- 8、系统回顾
- 9、项目地址
1、课题概述
实现一个手机App，可以控制家里设备，并获取到相关温湿度信息。
App调用云服务器上的HTTP服务；HTTP服务封装了MQTT订阅和推送请求，对MQTT服务端进行更新；
esp8266模块联网连接MQTT服务端，将服务端传送过来的数据发送给51单片机进行控制，同时将DHT11采集到的温湿度信息发送给MQTT服务端。
2、参考博客
arduino下载和教程
esp8266和51通信
MQTT协议详解
服务器运行MQTT服务端
3、开发环境
1、IDEA（开发JavaWeb应用）
2、Android studio（开发手机App）
3、arduino（开发esp8266程序）
4、keil5（开发单片机程序）
5、串口调试工具
4、准备设备
-
1、51单片机（用来管理家居设备）
-
2、DHT11（用来获取温湿度信息）
-
3、esp8266-12e（连接外网上的mqtt服务器）
-
4、云服务器（部署mqtt服务器，以及http服务）
5、系统设计
总体设计流程图
5.1、硬件
esp8266模块连接手机热点连接上互联网，然后连接MQTT服务器，推送相关温湿度信息上去，并订阅控制主题。
esp8266收到订阅信息后，直接发送给串口。
51单片机通过串口中断获取信息，然后进行相关处理。
5.2、软件
服务器端先部署一个MQTT服务器，然后对其相关操作封装一个Http服务。
最后手机App只需要发送http请求便可以操作相关硬件了。
6、系统实现
6.1、云服务器部署MQTT服务端
本方案采用的是Docker部署EMQ。
将官网镜像拉取到本地，然后运行镜像。
docker pull emqx/emqx:4.3.4
docker run -d --name emqx -p 1883:1883 -p 8081:8081 -p 8083:8083 -p 8084:8084 -p 8883:8883 -p 18083:18083 emqx/emqx:4.3.4
启动成功后，docker ps会有相关容器信息如下。
访问服务器的18083端口，可以看到如下页面表示部署成功（账号：admin，密码：public）
6.2、ESP8266连接MQTT服务端
6.2.1、arduino中先下载esp12e的相关组件库。
在工具栏>工具>开发板>开发板管理器>搜索esp8266下载相关库（本文博客链接中有详细教程）。
6.2.2、导入其它库
导入相关第三方库（项目中有）。
然后工具栏>项目>加载库>添加.ZIP库将下列库添加。
6.2.3、代码
esp8266首先要先连上互联网，才能进行MQTT通信。所以esp8266首先要先连接WiFi，然后进行MQTT相关推送和订阅信息。
使用dht11模块直接读取DHT11模块的温湿度信息，然后使用pubsubclient模块进行MQTT通信。
arduino项目源代码如下
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <SoftwareSerial.h>
#include <PubSubClient.h>
#include <dht11.h>//引入DHT11库
SoftwareSerial mySerial(13, 12); // RX, TX
/********************###定义###********************/
dht11 DHT11;//定义传感器类型
#define DHT11PIN 2//定义传感器连接引脚。此处的PIN2在NodeMcu8266开发板上对应的引脚是D4
/********************###子函数###********************/
double Fahrenheit(double celsius)
{
return 1.8 * celsius + 32; //摄氏温度度转化为华氏温度
}
double Kelvin(double celsius)
{
return celsius + 273.15; //摄氏温度转化为开氏温度
}
// Update these with values suitable for your network.
const char* ssid = "1122";//wifi账号
const char* password = "11111111";//wifi秘密
const char* mqtt_server = "159.75.88.181";//mqtt服务器
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);
long lastMsg = 0;
char msg[50];
int value = 0;
void setup_wifi() {
delay(10);
// We start by connecting to a WiFi network
Serial.println();
Serial.print("Connecting to ");
Serial.println(ssid);
WiFi.begin(ssid, password);
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
delay(500);
Serial.print(".");
}
randomSeed(micros());
Serial.println("");
Serial.println("WiFi connected");
Serial.println("IP address: ");
Serial.println(WiFi.localIP());
}
/**
* 消息回调
*/
void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
Serial.print((char)payload[0]);
}
/**
* 断开重连
*/
void reconnect() {
// Loop until we're reconnected
while (!client.connected()) {
Serial.print("Attempting MQTT connection...");
// Create a random client ID
String clientId = "ESP8266Client-";
clientId += String(random(0xffff), HEX);
// Attempt to connect
if (client.connect(clientId.c_str())) {
Serial.println("connected");
// Once connected, publish an announcement...
client.publish("dht11Topic", "hello world");
// ... and resubscribe
client.subscribe("51Topic");
} else {
Serial.print("failed, rc=");
Serial.print(client.state());
Serial.println(" try again in 5 seconds");
// Wait 5 seconds before retrying
delay(5000);
}
}
}
void setup() {
pinMode(BUILTIN_LED, OUTPUT); // Initialize the BUILTIN_LED pin as an output
Serial.begin(9600);
mySerial.begin(9600);
setup_wifi();
//配置mqtt服务器地址和端口
client.setServer(mqtt_server, 1883);
//设置订阅消息回调
client.setCallback(callback);
}
void loop() {
//重连机制
if (!client.connected()) {
reconnect();
}
//不断监听信息
client.loop();
long now = millis();
if (now - lastMsg > 5000) {
DHT11.read(DHT11PIN); //更新传感器所有信息
//每5s发布一次信息
lastMsg = now;
++value;
snprintf (msg, 50, "temperature: %f,humidity: %f", (float)DHT11.temperature, (float)DHT11.humidity);
// Serial.print("Publish message: ");
// Serial.println(msg);
client.publish("dht11Topic", msg);
}
}
6.3、单片机实现
开启串口中断，然后单片机RXD，TXD和esp8266相连接，则可以直接将8266的串口信息直接获取到。
然后在串口中断中直接设置相关指令的对应操作实现。
下列代码仅供操作，可能不同单片机的不同引脚不同。
#include<reg52.h>
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned int u16;
sbit LED = P2^3;
sbit MOTO = P1^0;
u8 dat;
void Init(void)
{
TMOD = 0x20;
TL1 = 0xfd;
TH1 = 0xfd;
TR1 = 1;
REN=1;
SM0=0;
SM1=1;
EA = 1;
ES=1;
}
void main()
{
Init();
while(1);
}
void InterruptUART() interrupt 4
{
RI = 0;
dat = SBUF;
{
if(dat=='o')
{
LED =0;
}
if(dat=='f')
{
LED =1;
}
if (dat == 'a')
MOTO = 1;
if (dat == 'b')
MOTO = 0;
}
}
6.4、HTTP服务实现
封装一个HTTP服务屏蔽MQTT的服务调用，让APP直接发送HTTP请求就可操作硬件。
其中核心类MqttChannel对MQTT协议进行封装。内部维护一个订阅信息Map，当有新信息推送时，修改该Map的信息即可。
package cn.wen233.iocdemo.infrustructure.util;
import cn.wen233.iocdemo.domain.enums.LedState;
import cn.wen233.iocdemo.domain.enums.MotorState;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.*;
import org.eclipse.paho.client.mqttv3.persist.MemoryPersistence;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.*;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
/**
* mqtt协议处理工具类
*
* @author wenei
* @date 2021-06-23 10:08
*/
public class MqttChannel implements AutoCloseable {
private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(MqttChannel.class);
/**
* 客户机id
*/
private static final String clientId = "http-consumer";
/**
* 服务质量
*/
private static final int qos = 1;
private static String ip = IocUtil.getBean(MQTTProperties.class).getIp();
private static int port = IocUtil.getBean(MQTTProperties.class).getPort();
private static final String serviceUrl = String.format("tcp://%s:%d", ip, port);
private static final Map<String, String> topicMap = new HashMap<>();
/**
* 默认订阅的主题
*/
private static final List<String> defaultSubscribeTopic = Collections.singletonList("dht11Topic");
private static final Map<String, String> defaultTopicStatus = new HashMap<>();
static {
final String topic = "51Topic";
defaultTopicStatus.put(topic, LedState.OFF.getCommand());
defaultTopicStatus.put(topic, MotorState.OFF.getCommand());
}
private static MqttClient mqttClient = null;
static {
// 内存存储
MemoryPersistence persistence = new MemoryPersistence();
// 创建客户端
try {
mqttClient = new MqttClient(serviceUrl, clientId, persistence);
// 创建链接参数
MqttConnectOptions connOpts = new MqttConnectOptions();
// 在重新启动和重新连接时记住状态
connOpts.setCleanSession(false);
// 设置连接的用户名
// connOpts.setUserName(userName);
// connOpts.setPassword(password.toCharArray());
// 建立连接
mqttClient.connect(connOpts);
// 设置回调函数
mqttClient.setCallback(new MqttCallback() {
@Override
public void connectionLost(Throwable cause) {
log.info("失去连接");
}
@Override
public void messageArrived(String topic, MqttMessage message) throws Exception {
log.info("Time: {}, Topic:{}, Message:{}",
new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date()), topic, message);
topicMap.put(topic, new String(message.getPayload()));
}
@Override
public void deliveryComplete(IMqttDeliveryToken token) {
log.info("更新订阅:" + token.isComplete());
}
});
// 默认订阅的主题
defaultSubscribeTopic.forEach(x -> {
try {
mqttClient.subscribe(x, qos);
} catch (MqttException e) {
e.printStackTrace();
}
topicMap.put(x, "temperature:-99.00000, humidity:-99.00000");
});
// 默认51控制主题状态设定
defaultTopicStatus.forEach(MqttChannel::publish);
} catch (MqttException mqttException) {
mqttException.printStackTrace();
}
}
/**
* 异步调用推送方法
*/
public static void asyncPublish(String topic, String sendData) {
CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
publish(topic, sendData);
return null;
});
}
public static void publish(String topic, String sendData) {
try {
// 创建消息
MqttMessage message = new MqttMessage(sendData.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
// 设置消息的服务质量
message.setQos(qos);
// 发布消息
mqttClient.publish(topic, message);
log.info("向 {} 的 {} 主题发送:{}", serviceUrl, topic, sendData);
} catch (MqttPersistenceException e) {
e.printStackTrace();
} catch (MqttSecurityException e) {
e.printStackTrace();
} catch (MqttException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static String subscribe(String topic) {
return topicMap.get(topic);
}
@Override
public void close() throws Exception {
mqttClient.disconnect();
mqttClient.close();
}
}
运行成功后如下则已经将MQTT信息推送出去了。
然后将该SpringBoot应用打包，部署到云服务器上（以便于后续App发送Http请求）。
将上述6.1 6.2 6.3的esp8266和51单片机连接，然后供电，等待连接WiFi。连接上WiFi后该http服务就可以直接控制单片机。
6.5、App实现
App页面如下(项目路径不要有中文)
接收相关温湿度信息并实时显示，然后控制相关LED和风扇状态。
7、系统测试
将单片机和esp8266的程序都烧录进去后，在云服务器上部署MQTT服务器，并设置esp8266的相关WiFi和服务器信息。
然后启用http服务，将有如下信息
调用相关HTTP接口即可操作单片机
8、系统回顾
该系统实质上是一个esp8266作为一个MQTT客户端连接外网MQTT服务器的系统。
连接完成后，51单片机的串口可与MQTT的主题透明传输。即可将主题的收到的信息完整的再发送到单片机上。
所以如果需要再次开发的话，只需要修改单片机和HTTP服务中发送的相关操作指令即可。
9、项目地址
本项目使用到的所有源代码如下：
Gitee项目地址
好用别忘点个赞鸭
最后
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