【ESP32】ESP32物联网应用：MQTT控制与状态监测

hmywillstronger2025-04-07 14:58

ESP32物联网应用：MQTT控制与状态监测

引言

在物联网时代，远程监测和控制设备已经成为现实生活中常见的需求。本文将介绍如何使用ESP32微控制器配合MQTT协议，实现一个简单而强大的物联网应用：远程状态监测和设备控制。我们将以巴法云平台为例，展示如何通过互联网随时随地监控和控制家中的电器设备。

项目概述

本项目实现了以下功能：

  1. 状态监测：通过GPIO4引脚读取外部开关状态，并将状态实时上传到云平台
  2. 远程控制：通过MQTT订阅消息，远程控制GPIO2引脚的高低电平（可连接继电器控制电器）
  3. 供电输出：GPIO32引脚始终保持高电平，为外接设备供电

这样的设计可以应用于智能家居控制、远程设备监测和自动化控制系统等多种场景。

硬件准备

本项目需要以下硬件：

  • ESP32开发板（如NodeMCU-32S、WROOM-32等）
  • 面包板和连接线
  • 输入开关（连接到GPIO4）
  • LED指示灯或继电器（连接到GPIO2）
  • 可选：需要3.3V供电的传感器或模块（连接到GPIO32）

软件环境

  • Arduino IDE
  • PubSubClient库（MQTT客户端）
  • WiFi库（已包含在ESP32开发板包中）

核心代码解析

1. 初始化与配置

首先，我们需要引入必要的库并配置WiFi和MQTT连接信息：

cpp 复制代码 
#include <WiFi.h>         // ESP32 WiFi库
#include <PubSubClient.h> // MQTT客户端库

// WiFi配置
const char *ssid = "601B";      // WiFi名称
const char *password = "12345678"; // WiFi密码

// MQTT服务器配置
const char* mqtt_server = "bemfa.com";    // MQTT服务器地址
const int mqtt_server_port = 9501;        // MQTT服务器端口
#define ID_MQTT "0c876e1774cc3bd27de1d5d1bfc61c90" // 客户端ID

这部分代码设置了我们的WiFi连接参数和MQTT服务器信息。巴法云是一个免费的物联网平台，提供MQTT服务，使我们能够轻松实现设备间的通信。

2. 引脚定义与功能分配

cpp 复制代码 
// 定义引脚
#define SWITCH_PIN 4      // 开关连接的GPIO引脚
#define OUTPUT_PIN_D2 2   // D2引脚，根据MQTT消息控制
#define OUTPUT_PIN_D32 32 // D32引脚，保持高电平

我们使用三个GPIO引脚，各自负责不同的功能：

  • GPIO4：读取外部开关状态
  • GPIO2：由MQTT消息控制的输出引脚
  • GPIO32：始终保持高电平的电源输出引脚

3. MQTT消息处理回调函数

cpp 复制代码 
void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  // 将接收到的字节数组转换为字符串
  String message;
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    message += (char)payload[i];
  }
  
  // 根据接收到的消息控制D2引脚
  if (String(topic) == mqtt_sub_topic) {
    if (message == "ON") {
      digitalWrite(OUTPUT_PIN_D2, HIGH);
      Serial.println("D2引脚设置为高电平");
    } else if (message == "OFF") {
      digitalWrite(OUTPUT_PIN_D2, LOW);
      Serial.println("D2引脚设置为低电平");
    }
  }
}

这个回调函数是实现远程控制的核心。当ESP32收到MQTT消息时，会触发此函数。如果消息内容是"ON"，则将D2引脚设为高电平；如果是"OFF"，则设为低电平。这样，我们就可以通过手机或电脑发送指令来控制连接到D2引脚的设备。

4. 主循环中的状态监测与发布

cpp 复制代码 
void loop() {
  // 检查MQTT连接状态
  if (!client.connected()) {
    reconnect();
  }
  
  // 处理MQTT消息
  client.loop();
  
  // 读取开关状态
  bool val = digitalRead(SWITCH_PIN);
  
  // 限制发布频率
  static unsigned long lastPublishTime = 0;
  if (millis() - lastPublishTime > 500) {
    lastPublishTime = millis();
    
    // 发布开关状态到MQTT
    if (val == 0) {
      client.publish(mqtt_pub_topic, "OFF");
    } else {
      client.publish(mqtt_pub_topic, "ON");
    }
  }
  
  // 确保D32保持高电平
  digitalWrite(OUTPUT_PIN_D32, HIGH);
}

在主循环中，我们持续监测连接到GPIO4的开关状态，并将其发布到MQTT主题"sendiot"。为了避免消息发送过于频繁，我们限制了发布频率，每500毫秒最多发布一次。同时，我们确保GPIO32始终保持高电平，为需要稳定电源的外接设备供电。

c 复制代码 
#include <WiFi.h>         // ESP32 WiFi库
#include <PubSubClient.h> // MQTT客户端库

// WiFi配置
const char *ssid = "601B";      // WiFi名称
const char *password = "12345678"; // WiFi密码

// MQTT服务器配置
const char* mqtt_server = "bemfa.com";    // MQTT服务器地址
const int mqtt_server_port = 9501;        // MQTT服务器端口
#define ID_MQTT "0c876e1774cc3bd27de1d5d1bfc61c90" // 您的客户端ID

// 创建WiFi和MQTT客户端实例
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);

// 定义引脚
#define SWITCH_PIN 4      // 开关连接的GPIO引脚
#define OUTPUT_PIN_D2 2   // D2引脚，根据MQTT消息控制
#define OUTPUT_PIN_D32 32 // D32引脚，保持高电平

// MQTT主题
const char* mqtt_sub_topic = "reciot";  // 订阅的主题
const char* mqtt_pub_topic = "sendiot"; // 发布的主题

// WiFi连接函数
void setup_wifi() {  
  delay(10);  
  Serial.println();  
  Serial.print("Connecting to ");  
  Serial.println(ssid);  
  
  WiFi.begin(ssid, password);  
  
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {  
    delay(500);  
    Serial.print(".");  
  }  
  
  Serial.println("");  
  Serial.println("WiFi connected");  
  Serial.print("IP address: ");  
  Serial.println(WiFi.localIP());  
}  

// 重连函数
void reconnect() {
  // 循环直到重新连接
  while (!client.connected()) {
    Serial.print("尝试连接MQTT...");
    // 尝试连接
    if (client.connect(ID_MQTT)) {
      Serial.println("connected");
      // 连接成功后，订阅主题并检查结果
      boolean subResult = client.subscribe(mqtt_sub_topic);
      if(subResult) {
        Serial.print("订阅主题成功: ");
        Serial.println(mqtt_sub_topic);
      } else {
        Serial.print("订阅主题失败: ");
        Serial.println(mqtt_sub_topic);
      }
    } else {
      Serial.print("failed, rc=");
      Serial.print(client.state());
      Serial.println(" try again in 5 seconds");
      delay(1000);
    }
  }
}

// MQTT消息接收回调函数
void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  Serial.print("订阅的信息为 [");
  Serial.print(topic);
  Serial.print("] ");
  
  // 将接收到的字节数组转换为字符串
  String message;
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    message += (char)payload[i];
  }
  
  Serial.println(message);
  Serial.println("*** 收到MQTT消息！***");
  
  // 根据接收到的消息控制D2引脚
  if (String(topic) == mqtt_sub_topic) {
    if (message == "ON") {
      digitalWrite(OUTPUT_PIN_D2, HIGH);
      Serial.println("D2引脚设置为高电平");
    } else if (message == "OFF") {
      digitalWrite(OUTPUT_PIN_D2, LOW);
      Serial.println("D2引脚设置为低电平");
    }
  }
}

void setup() {
  // 初始化串口
  Serial.begin(115200);
  
  // 设置引脚模式
  pinMode(SWITCH_PIN, INPUT);
  pinMode(OUTPUT_PIN_D2, OUTPUT);
  pinMode(OUTPUT_PIN_D32, OUTPUT);
  
  // 将D32设置为高电平
  digitalWrite(OUTPUT_PIN_D32, HIGH);
  Serial.println("D32引脚已设置为高电平");
  
  // 初始化D2为低电平
  digitalWrite(OUTPUT_PIN_D2, LOW);
  Serial.println("D2引脚初始化为低电平");
  
  // 连接WiFi
  setup_wifi();
  
  // 设置MQTT服务器和回调
  client.setServer(mqtt_server, mqtt_server_port);
  client.setCallback(callback);
  
  // 连接MQTT服务器并订阅主题
  reconnect();
  
  // 设置完成提示
  Serial.println("设置完成，ESP32已准备就绪");
}

void loop() {
  // 检查MQTT连接状态
  if (!client.connected()) {
    Serial.println("MQTT连接断开，正在重连...");
    reconnect();
  }
  
  // 处理MQTT消息
  client.loop();
  
  // 读取开关状态
  bool val = digitalRead(SWITCH_PIN);
  
  // 限制发布频率
  static unsigned long lastPublishTime = 0;
  if (millis() - lastPublishTime > 500) {
    lastPublishTime = millis();
    
    // 发布开关状态到MQTT
    if (val == 0) {
      Serial.println("发布: OFF");
      client.publish(mqtt_pub_topic, "OFF");
    } else {
      Serial.println("发布: ON");
      client.publish(mqtt_pub_topic, "ON");
    }
  }
  
  // 循环延时
  delay(100);
  
  // 确保D32保持高电平
  digitalWrite(OUTPUT_PIN_D32, HIGH);
}

实际应用场景

这个项目可以应用于多种物联网场景：

  1. 智能照明：

    • GPIO4连接墙壁开关
    • GPIO2连接继电器控制灯泡
    • 手机APP可远程控制灯光，同时看到墙壁开关的状态

  2. 智能插座：

    • GPIO2控制继电器，切换电源
    • 手机可随时查看和控制插座的开关状态

  3. 安防系统：

    • GPIO4连接门磁传感器
    • 当门打开时，传感器状态变化会通过MQTT发送到云端
    • 手机APP可接收实时通知

  4. 农业监测：

    • GPIO4连接土壤湿度传感器
    • GPIO2控制灌溉系统
    • 可设置自动或手动控制灌溉

优化与扩展

本项目还可以进行以下扩展：

  1. 添加多个传感器：

    • 利用ESP32的其他GPIO引脚，连接温度、湿度、光线等传感器
    • 增加数据发布的维度

  2. 增加本地控制界面：

    • 添加OLED显示屏展示当前状态
    • 添加按钮实现本地控制

  3. 实现条件触发：

    • 添加逻辑判断，根据传感器数据自动控制输出
    • 例如，当检测到湿度过低时自动开启灌溉系统
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