基于 MQTT 的单片机与 Java 业务端双向通信全流程

原创已于 2025-12-22 16:59:34 修改 · 590 阅读

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于 2025-12-22 15:51:33 首次发布

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MQTT 服务端与客户端交互概述

在物联网应用开发中，常常需要实现设备与服务器之间高效、可靠的通信。MQTT 作为一种轻量级的消息协议，非常适合在资源受限的设备和网络环境中使用。本方案旨在介绍基于 MQTT 协议，实现单片机（ESP32）客户端、MQTT 服务端以及 Java 业务端之间的通信流程。

MQTT 服务端：作为整个通信系统的核心枢纽，负责接收和转发客户端发送的消息，同时维护各个客户端的连接状态，确保消息能够准确地路由到目标客户端。
统计所有主题收发情况
ESP32 客户端：基于单片机的设备，具备有限的计算资源和存储资源。它通过网络连接到 MQTT 服务端，作为物联网设备采集数据，并将数据发送到指定的主题。
下图模拟ESP32单片机设备发送消息
Java 业务端：运行在服务器端的 Java 应用程序，作为系统的业务逻辑处理中心。它监听 MQTT 服务端上的特定主题，接收来自 ESP32 客户端的消息，并根据业务逻辑进行处理，同时也可以向 ESP32 客户端下发指令。

业务端接收到消息
在这里插入图片描述
下发指令后设备接受指令
Java业务端下发指令

设备端接受指令

接受下游设备执行结果的主题
mqtt.subTopic=esp32/control/result  
下发指令到下游设备的主题
mqtt.pubTopic=esp32/control/switch

在这里插入图片描述

连接阶段
- ESP32 客户端初始化 MQTT 连接参数，包括服务器地址、端口、客户端 ID 等，然后建立与 MQTT 服务端的连接。连接成功后，ESP32 客户端订阅指定的主题，以便接收来自服务端的消息。
- Java 业务端同样配置好 MQTT 连接信息，与 MQTT 服务端建立连接，并订阅和 ESP32 客户端相同的主题。
数据上传阶段
- ESP32 客户端在采集到数据后，按照预定的格式将数据进行封装。例如，将传感器采集到的温度、湿度等信息打包成 JSON 格式。
- 然后，ESP32 客户端将封装好的数据发布到之前订阅的主题上。消息通过网络传输到 MQTT 服务端。
- MQTT 服务端接收到消息后，根据主题匹配规则，将消息转发给所有订阅了该主题的客户端，其中就包括 Java 业务端。
消息处理与指令下发阶段
- Java 业务端接收到来自 ESP32 客户端的消息后，会解析消息内容，并根据业务逻辑进行相应的处理。比如，将数据存储到数据库中，进行实时分析等。
- 在某些情况下，Java 业务端需要向 ESP32 客户端下发指令。Java 业务端构造包含指令信息的消息，发布到相同的主题上。
- MQTT 服务端再次将这条消息转发给订阅了该主题的 ESP32 客户端。
- ESP32 客户端接收到指令消息后，解析消息内容，并执行相应的操作，如控制设备的开关、调整传感器的采集频率等。

轻量级：MQTT 协议简洁高效，非常适合资源有限的 ESP32 单片机设备，减少了通信开销和处理负担。
可靠性：MQTT 协议提供了消息确认机制，确保消息在传输过程中的可靠性，即使在网络不稳定的情况下，也能尽量保证消息不丢失。
灵活性：通过主题订阅的方式，实现了发布者和订阅者之间的解耦，使得系统易于扩展和维护。不同的客户端可以根据需求订阅不同的主题，增加新的功能模块时也不会对现有系统造成太大的影响。

综上所述，基于 MQTT 协议构建的这个通信