W6100+树莓派RP2040快速入门之MQTT篇（十二）

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#树莓派RP2040 #w5500 #以太网芯片 #wiznet #MQTT #嵌入式设备入网方案

于 2023-09-27 18:40:32 首次发布

本文介绍了如何使用W6100-EVB-PICO开发板作为MQTT客户端连接服务器，涵盖了MQTT协议原理、交互流程、测试准备、代码示例和应用场景，展示了如何在物联网设备间实现远程连接和通信。

1. 前言

上一章我们用W6100-EVB-PICO开发板进行UDP组播回环测试，本章用我们的开发板作为MQTT客户端连接MQTT服务器进行简单测试。

注意这里我们用的MQTT版本为3.1.1。

2. MQTT

2.1 相关简介

随着物联网技术的快速发展，MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）协议已成为一种广泛使用的通讯协议，它适用于设备间低带宽、高延迟、不可靠的网络通信。W6100是一款集成全硬件 TCP/IP 协议栈的嵌入式以太网控制器，同时也是一颗工业级以太网控制芯片。在以太网应用中使用 W6100 + MQTT应用协议让用户可以更加方便地在设备之间实现远程连接和通信。本教程将介绍W6100以太网MQTT应用的基本原理、使用步骤、应用实例以及注意事项，帮助读者更好地掌握这一技术。

2.2 协议特点

MQTT协议具有以下特点：

轻量级：MQTT协议设计简单，协议头部开销小，适用于资源受限的设备和网络。
低带宽消耗：很小的传输消耗和协议数据交换，最大限度减少网络流量，有效利用网络带宽。
异步通信：客户端可以随时发布和订阅消息，无需等待对方的响应。
发布-订阅模式：消息发布者将消息发布到特定的主题，而订阅者则订阅感兴趣的主题。这种模式支持松耦合的通信和灵活的消息传递。

2.3 协议原理

在MQTT有三种角色，发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）；其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。

套入具体的场景就是设备采集温湿度并发布在对应主题上，服务器会将其发布的消息发送给订阅了该主题的其他客户端（如果发布消息的客户端也订阅了该主题，那它自己也会收到）。采集温度和湿度的设备分别将数据发送到主题“temperature”和“humidity”，订阅了这两个主题的设备便会收到对应主题上的数据，如下图所示：

2.4 交互流程

以一个客户端为例，交互流程是客户端向服务器发送连接请求，服务器回复确认连接后，连接建立；客户端发送订阅主题的请求，服务器回复确认后，订阅主题完成；客户端发布消息后，服务器回复发布确认，则消息发布完成，没有操作后会根据设定的时间，每到一次发送一次心跳请求，服务器返回心跳响应，以维持连接。过程如下图所示（注：图示例子为QOS=1的情况）：

值得一提的是，在订阅请求和发布消息中都有服务质量等级，等级有0,、1、2三种，分别代表最多分发一次（QOS=0）、至少分发一次（QOS=1）、仅分发一次（QOS=2）；订阅请求中的服务质量等级（服务质量要求）是订阅者与服务器之间的交互规则，发布消息中的服务质量等级是发布者与服务器之间的交互规则。只是指代对象不同，相同等级对应的交互规则是相同的。

下边分别简单说下每个服务质量等级的交互过程：

QOS = 0：发送者最多发送一次，且接受者没有回复。

QOS = 1：发送者最少发送一次，接收者收到后回复确认。

QOS = 2：发送者只发送一次，接受者收到后