單芯片解決方案，開啟全新體驗——W55MH32 高性能以太網(wǎng)單片機

W55MH32是WIZnet重磅推出的高性能以太網(wǎng)單片機，它為用戶帶來前所未有的集成化體驗。這顆芯片將強大的組件集于一身，具體來說，一顆W55MH32內置高性能Arm? Cortex-M3核心，其主頻最高可達216MHz；配備1024KB FLASH與96KB SRAM，滿足存儲與數(shù)據(jù)處理需求；集成TOE引擎，包含WIZnet全硬件TCP/IP協(xié)議棧、內置MAC以及PHY，擁有獨立的32KB以太網(wǎng)收發(fā)緩存，可供8個獨立硬件socket使用。如此配置，真正實現(xiàn)了All-in-One解決方案，為開發(fā)者提供極大便利。

在封裝規(guī)格上，W55MH32 提供了兩種選擇：QFN100和QFN68。

W55MH32L采用QFN100封裝版本，尺寸為12x12mm，其資源豐富，專為各種復雜工控場景設計。它擁有66個GPIO、3個ADC、12通道DMA、17個定時器、2個I2C、5個串口、2個SPI接口（其中1個帶I2S接口復用）、1個CAN、1個USB2.0以及1個SDIO接口。如此豐富的外設資源，能夠輕松應對工業(yè)控制中多樣化的連接需求，無論是與各類傳感器、執(zhí)行器的通信，還是對復雜工業(yè)協(xié)議的支持，都能游刃有余，成為復雜工控領域的理想選擇。同系列還有QFN68封裝的W55MH32Q版本，該版本體積更小，僅為8x8mm，成本低，適合集成度高的網(wǎng)關模組等場景，軟件使用方法一致。更多信息和資料請進入http://www.w5500.com/網(wǎng)站或者私信獲取。

此外，本W(wǎng)55MH32支持硬件加密算法單元，WIZnet還推出TOE+SSL應用，涵蓋TCP SSL、HTTP SSL以及 MQTT SSL等，為網(wǎng)絡通信安全再添保障。

為助力開發(fā)者快速上手與深入開發(fā)，基于W55MH32L這顆芯片，WIZnet精心打造了配套開發(fā)板。開發(fā)板集成WIZ-Link芯片，借助一根USB C口數(shù)據(jù)線，就能輕松實現(xiàn)調試、下載以及串口打印日志等功能。開發(fā)板將所有外設全部引出，拓展功能也大幅提升，便于開發(fā)者全面評估芯片性能。

若您想獲取芯片和開發(fā)板的更多詳細信息，包括產品特性、技術參數(shù)以及價格等，歡迎訪問官方網(wǎng)頁：http://www.w5500.com/，我們期待與您共同探索W55MH32的無限可能。

第二十二章 W55MH32 MQTT&Aliyun示例

本篇文章，我們將詳細介紹如何在W55MH32芯片上面實現(xiàn)MQTT協(xié)議。并通過實戰(zhàn)例程，為大家講解如何使用W55MH32的MQTT協(xié)議連接阿里云平臺，實現(xiàn)與阿里云物模型的數(shù)據(jù)交互。

該例程用到的其他網(wǎng)絡協(xié)議，例如DHCP和DNS，請參考相關章節(jié)。有關 W55MH32的初始化過程，請參考Network Install章節(jié)，這里將不再贅述。

1 MQTT簡介

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議）是一種輕量級的、基于發(fā)布/訂閱模式的消息傳輸協(xié)議，廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領域，尤其是在網(wǎng)絡帶寬受限、設備資源有限的環(huán)境中。它由IBM在1999年提出，主要用于遠程監(jiān)控和控制系統(tǒng)中的設備通信。MQTT協(xié)議具有低帶寬、低功耗、低延遲等優(yōu)點，特別適用于嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)設備的通信。

2 MQTT特點

輕量級：MQTT協(xié)議采用極簡的協(xié)議頭，減少了消息頭的大小，適合帶寬有限和計算資源有限的設備。

可靠性：MQTT支持三種服務質量（QoS）級別，能夠確保數(shù)據(jù)可靠送達。

實時性：MQTT適合低延遲應用場景，消息會盡可能地實時推送到訂閱者。

保留消息：MQTT支持“保留消息”功能，代理會保存最后一條發(fā)布的消息，當有新設備訂閱某個主題時，代理會立即發(fā)送保留的消息。

持久會話：MQTT允許客戶端在斷開后恢復會話狀態(tài)，斷開期間的消息可以在客戶端重新連接后繼續(xù)接收。

3 MQTT應用場景

工業(yè)自動化：在工業(yè)環(huán)境中，生產設備、傳感器、控制器等都需要進行數(shù)據(jù)交換，MQTT協(xié)議適用于在復雜的工業(yè)自動化系統(tǒng)中提供實時通信。

智能電網(wǎng)：智能電網(wǎng)應用中，電力設備（如變電站、智能電表、開關設備等）通過以太網(wǎng)與控制中心進行實時數(shù)據(jù)交換，使用MQTT協(xié)議進行遠程監(jiān)控和控制。

遠程設備監(jiān)控與管理：適用于需要遠程監(jiān)控和管理的設備，如遠程氣象站、環(huán)境監(jiān)測設備等。通過MQTT協(xié)議實時獲取設備的傳感器數(shù)據(jù)。

4 MQTT發(fā)布/訂閱模式

發(fā)布訂閱模式（Publish-Subscribe Pattern）是一種消息傳遞模式，它將發(fā)送消息的客戶端（發(fā)布者）與接收消息的客戶端（訂閱者）解耦，使得兩者不需要建立直接的聯(lián)系也不需要知道對方的存在。

MQTT發(fā)布/訂閱模式的精髓在于由一個被稱為代理（Broker）的中間角色負責所有消息的路由和分發(fā)工作，發(fā)布者將帶有主題的消息發(fā)送給代理，訂閱者則向代理訂閱主題來接收感興趣的消息。

在 MQTT中，主題和訂閱無法被提前注冊或創(chuàng)建，所以代理也無法預知某一個主題之后是否會有訂閱者，以及會有多少訂閱者，所以只能將消息轉發(fā)給當前的訂閱者，如果當前不存在任何訂閱，那么消息將被直接丟棄。

MQTT發(fā)布/訂閱模式有 4個主要組成部分：發(fā)布者、訂閱者、代理和主題。

發(fā)布者（Publisher）：負責將消息發(fā)布到主題上，發(fā)布者一次只能向一個主題發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)布者發(fā)布消息時也無需關心訂閱者是否在線。

訂閱者（Subscriber）：訂閱者通過訂閱主題接收消息，且可一次訂閱多個主題。

代理（Broker）：負責接收發(fā)布者的消息，并將消息轉發(fā)至符合條件的訂閱者。另外，代理也需要負責處理客戶端發(fā)起的連接、斷開連接、訂閱、取消訂閱等請求。

主題（Topic）：主題是 MQTT進行消息路由的基礎，它類似 URL路徑，使用斜杠 /進行分層，比如sensor/1/temperature。一個主題可以有多個訂閱者，代理會將該主題下的消息轉發(fā)給所有訂閱者；一個主題也可以有多個發(fā)布者，代理將按照消息到達的順序轉發(fā)。

MQTT協(xié)議的通信流程如下圖：

5 MQTT QoS詳解

QoS 0：消息最多傳遞一次，可能會丟失，且不做重試。這是最基本的QoS級別，不保證消息的傳送或順序。

使用場景：實時傳輸?shù)母聰?shù)據(jù)，如溫度、濕度等，消息丟失對應用的影響較小。

QoS 1：消息至少傳送一次。為了確保消息到達，發(fā)送方會重復發(fā)送消息，直到收到接收方的確認應答（PUBACK）?？赡軙е孪⒅貜徒邮铡?/p>

使用場景：電力監(jiān)測數(shù)據(jù)，或需要確保狀態(tài)信息準確傳輸?shù)膽脠鼍啊?/p>

QoS 2：確保消息只能被傳遞一次，且只傳遞一次。該級別保證了消息的可靠性、唯一性和順序性。通過四次握手過程確保消息不丟失、不會重復。

適用場景：高安全要求的應用，如支付系統(tǒng)、重要的設備控制等，不能容忍消息重復或丟失。

6 MQTT消息

在 MQTT中，客戶端可以在連接時在服務端中注冊一個遺囑消息，與普通消息類似，我們可以設置遺囑消息的主題、有效載荷等等。當該客戶端意外斷開連接，服務端就會向其他訂閱了相應主題的客戶端發(fā)送此遺囑消息。這些接收者也因此可以及時地采取行動。這一特性通常用于檢測和響應客戶端故障或掉線事件，特別適合在需要高可靠性的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和實時監(jiān)控場景中使用。

有關MQTT協(xié)議的報文，可以參考：Introduction · MQTT協(xié)議中文版，本文不再贅述。

7阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺簡介

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺（Alibaba Cloud IoT Platform）是阿里云推出的一款面向物聯(lián)網(wǎng)（IoT）行業(yè)的綜合性服務平臺，旨在幫助企業(yè)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備的連接、管理、監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析等多種功能。通過該平臺，企業(yè)可以將各種智能設備接入云端，并進行統(tǒng)一的管理和數(shù)據(jù)處理。

在設備接入上，支持 MQTT、CoAP 等多種協(xié)議，具備直連、網(wǎng)關代理等接入方式，能實現(xiàn)全球毫秒級就近接入。設備管理方面，覆蓋設備全生命周期，借助設備影子保障弱網(wǎng)下狀態(tài)一致，設備可靈活轉移歸屬。數(shù)據(jù)服務中，實現(xiàn)冷熱存儲分離，支持可視化數(shù)據(jù)解析與 EB級離線分析。監(jiān)控運維能力強，提供近百項監(jiān)控指標，能一鍵跟蹤消息流轉，保障 OTA升級成功率。

8阿里云物模型介紹

阿里云物模型是阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺（IoT Platform）提供的一種用于描述和管理設備功能的抽象模型。物模型通過定義設備的屬性、服務和事件，幫助開發(fā)者統(tǒng)一描述設備能力，簡化設備管理和數(shù)據(jù)交互流程。阿里云物模型是設備數(shù)字化管理的核心概念之一，廣泛應用于智慧城市、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等領域。

9 MQTT連接阿里云收發(fā)數(shù)據(jù)流程

1.準備階段

注冊與實名認證：用戶需要在阿里云平臺注冊賬號，并完成實名認證。

創(chuàng)建產品和添加物模型：登錄阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，創(chuàng)建產品并在產品下添加以下物模型功能。

創(chuàng)建設備：在剛剛創(chuàng)建的產品下創(chuàng)建一個設備。

2.記錄參數(shù)

連接參數(shù)：在剛剛創(chuàng)建的設備詳情頁中找到MQTT連接參數(shù)。

訂閱主題：/sys/ieojgBm5q2c/${deviceName}/thing/service/property/set（屬性設置主題）

發(fā)布主題：/sys/ieojgBm5q2c/${deviceName}/thing/event/property/post（上報消息主題）

注意：上面兩個主題中的${deviceName}需要替換成設備名。

3.連接、訂閱和發(fā)布消息

接著我們可以使用上面記錄的連接參數(shù)進行連接，當連接成功后，訂閱上面的訂閱主題。并通過發(fā)布主題上報物模型數(shù)據(jù)。

在阿里云平臺，如果產品創(chuàng)建階段選擇的數(shù)據(jù)格式為Alink JSON格式時，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)格式都會遵守下面這個格式：

{
    "method":"thing.event.property.post", 
    "id":"2241348", 
    "params":{
        "prop_float":1.25, 
        "prop_int16":4658, 
        "prop_bool":1
    }, 
    "version":"1.0"
}

method表示該消息的操作類型是上報設備屬性事件；id：值為"2241348"，這是一個唯一的標識符；params是一個包含設備屬性數(shù)據(jù)的對象用于上報物模型數(shù)據(jù)；version：值為 "1.0"，表示該消息所遵循的協(xié)議版本。

4.接收消息處理

接收消息：當接收到消息時，我們只需要按照上面的json格式進行解析，然后進行相應的處理即可。

10實現(xiàn)過程

接下來，我們看看在W55MH32上如何實現(xiàn)MQTT連接阿里云，并進行訂閱、發(fā)布消息以及接收消息處理。

注意：因為本示例需要訪問互聯(lián)網(wǎng)，請確保W55MH32的網(wǎng)絡環(huán)境及配置能夠正常訪問互聯(lián)網(wǎng)。

步驟1：注冊MQTT定時中斷函數(shù)MilliTimer_Handler()到1ms定時器中斷中

void TIM3_IRQHandler(void)
{
static uint32_t tim3_1ms_count = 0;
if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)
{
   tim3_1ms_count++;
   MilliTimer_Handler();
   if (tim3_1ms_count >= 1000)
   {
       DHCP_time_handler();
       DNS_time_handler();
       tim3_1ms_count = 0;
   }
   TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
}
}

步驟2：mqtt初始化

mqttconn mqtt_params = {
 .mqttHostUrl = "iot-06z00dbroeg8dx3.mqtt.iothub.aliyuncs.com",
 .server_ip = {
     0,
 },                                                                                             /*Define the Connection Server IP*/
 .port = 1883,                                                                                  /*Define the connection service port number*/
 .clientid = "ieojgBm5q2c.W55MH32|securemode=2,signmethod=hmacsha256,timestamp=1737098648080|", /*Define the client ID*/
 .username = "W55MH32&ieojgBm5q2c",                                                             /*Define the user name*/
 .passwd = "92c427a483f8bc09d20baf445505e319ae4d89ec94360710d23b8ab2f12c58c2",                  /*Define user passwords*/
 .pubtopic = "/sys/ieojgBm5q2c/W55MH32/thing/event/property/post",                              /*Define the publication message*/
 .subtopic = "/sys/ieojgBm5q2c/W55MH32/thing/service/property/set",                             /*Define subscription messages*/
 .pubQoS = QOS0,                                                                                /*Defines the class of service for publishing messages*/
};
/**
* @brief Initializing the MQTT client side
*
* Initialize the MQTT client side with the given parameters, including network configuration and MQTT connection parameters.
*
* @param sn socket number
* @param send_buf send buffer pointer
* @param recv_buf recv buffer pointer
*/
void mqtt_init(uint8_t sn, uint8_t *send_buf, uint8_t *recv_buf)
{
   wiz_NetInfo get_info = {0};
   wizchip_getnetinfo(&get_info);
   /* DNS parsing */
   if (do_dns(send_buf, (uint8_t *)mqtt_params.mqttHostUrl, mqtt_params.server_ip))
   {
       while (1)
       {
       }
   }
   NewNetwork(&n, sn);                                          /*Obtain network configuration information*/
   ConnectNetwork(&n, mqtt_params.server_ip, mqtt_params.port); /*Connect to the MQTT server*/
   MQTTClientInit(&c, &n, 1000, send_buf, MQTT_ETHERNET_MAX_SIZE, recv_buf, MQTT_ETHERNET_MAX_SIZE);
   data.will = willdata;
   data.willFlag = 0;                                                            /* will flag: If the will annotation bit is 0, the following will-related settings are invalid*/
   willdata.qos = mqtt_params.willQoS;                                           /* will QoS */
   willdata.topicName.lenstring.data = mqtt_params.willtopic;                    /* will topic */
   willdata.topicName.lenstring.len = strlen(willdata.topicName.lenstring.data); /* will topic len */
   willdata.message.lenstring.data = mqtt_params.willmsg;                        /* will message */
   willdata.message.lenstring.len = strlen(willdata.message.lenstring.data);     /* will message len */
   willdata.retained = 0;
   willdata.struct_version = 3;
   data.MQTTVersion = 4;
   data.clientID.cstring = mqtt_params.clientid;
   data.username.cstring = mqtt_params.username;
   data.password.cstring = mqtt_params.passwd;
   data.keepAliveInterval = 30;
   data.cleansession = 1;
}

在這個函數(shù)中，需要傳入使用的socket號以及收發(fā)緩存數(shù)組。進入初始化函數(shù)后，首先會使用DNS解析MQTT服務器域名，然后進行MQTT參數(shù)初始化，將連接的參數(shù)填充到data結構體中，在這里需要注意的是，當data.willFlag=0時，則是關閉遺囑主題功能，反之則為開啟。

data結構體如下所示：

//data結構體
typedef struct
{
 /** The eyecatcher for this structure.  must be MQTC. */
 char struct_id[4];
 /** The version number of this structure.  Must be 0 */
 int struct_version;
 /** Version of MQTT to be used.  3 = 3.1 4 = 3.1.1    */
 unsigned char MQTTVersion;
 MQTTString clientID;
 unsigned short keepAliveInterval;
 unsigned char cleansession;
 unsigned char willFlag;
 MQTTPacket_willOptions will;
 MQTTString username;
 MQTTString password;
} MQTTPacket_connectData;
//willdata結構體
/**
* Defines the MQTT "Last Will and Testament" (LWT) settings for
* the connect packet.
*/
typedef struct
{
/** The eyecatcher for this structure.  must be MQTW. */
char struct_id[4];
/** The version number of this structure.  Must be 0 */
int struct_version;
/** The LWT topic to which the LWT message will be published. */
MQTTString topicName;
/** The LWT payload. */
MQTTString message;
/**
     * The retained flag for the LWT message (see MQTTAsync_message.retained).
     */
unsigned char retained;
/**
     * The quality of service setting for the LWT message (see
     * MQTTAsync_message.qos and @ref qos).
     */
char qos;
} MQTTPacket_willOptions;

步驟三：在主循環(huán)中執(zhí)行do_mqtt()函數(shù)

void do_mqtt(void)
{
 uint8_t ret;
 switch (run_status)
 {
 case CONN: {
     ret = MQTTConnect(&c, &data); /* Connect to the MQTT server */
     printf("Connect to the MQTT server: %d.%d.%d.%d:%drn", mqtt_params.server_ip[0], mqtt_params.server_ip[1], mqtt_params.server_ip[2], mqtt_params.server_ip[3], mqtt_params.port);
     printf("Connected:%srnrn", ret == SUCCESSS ? "success" : "failed");
     if (ret != SUCCESSS)
     {
         run_status = ERR;
     }
     else
     {
         run_status = SUB;
     }
     break;
 }
 case SUB: {
     ret = MQTTSubscribe(&c, mqtt_params.subtopic, mqtt_params.subQoS, messageArrived); /* Subscribe to Topics */
     printf("Subscribing to %srn", mqtt_params.subtopic);
     printf("Subscribed:%srnrn", ret == SUCCESSS ? "success" : "failed");
     if (ret != SUCCESSS)
     {
         run_status = ERR;
     }
     else
     {
         run_status = PUB_MESSAGE;
     }
     break;
 }
 case PUB_MESSAGE: {
     pubmessage.qos        = QOS0;
     pubmessage.payload    = "{"id":"123","version":"1.0","params":{"CurrentTemperature":26.6,},"method":"thing.event.property.post"}";
     pubmessage.payloadlen = strlen(pubmessage.payload);
     ret                   = MQTTPublish(&c, (char *)&(mqtt_params.pubtopic), &pubmessage); /* Publish message */
     if (ret != SUCCESSS)
     {
         run_status = ERR;
     }
     else
     {
         printf("publish:%s,%srnrn", mqtt_params.pubtopic, (char *)pubmessage.payload);
         run_status = KEEPALIVE;
     }
     break;
 }
 case KEEPALIVE: {
     if (MQTTYield(&c, 30) != SUCCESSS) /* keepalive MQTT */
     {
         run_status = ERR;
     }
 }
 case RECV: {
     if (mqtt_recv_flag)
     {
         mqtt_recv_flag = 0;
         json_decode(mqtt_recv_msg);
     }
     break;
 }
 case ERR: /* Running error */
     printf("system ERROR!");
     delay_ms(1000);
     break;
 default:
     break;
 }
}

do_mqtt()函數(shù)會執(zhí)行一個狀態(tài)機，按照以下步驟進行工作：

CONN：執(zhí)行連接操作，使用我們初始化好的參數(shù)使用MQTTConnect()函數(shù)去執(zhí)行連接服務器操作，連接成功后進入訂閱主題步驟。

SUB：在這一步，我們會使用MQTTSubscribe()函數(shù)訂閱阿里云的物模型設置屬性主題，在這個函數(shù)中，需要傳入客戶端結構體，訂閱的主題名稱，訂閱的QoS等級，以及訂閱主題的回調函數(shù)messageArrived()。訂閱成功后進入發(fā)布消息步驟。

在收到訂閱主題的消息后，會執(zhí)行回調函數(shù)messageArrived()，在這里我們打印出接收到的消息主題以及消息內容，并將消息拷貝到mqtt_recv_msg數(shù)組中，具體函數(shù)內容如下：

void TIM3_IRQHandler(void)
{
static uint32_t tim3_1ms_count = 0;
if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)
{
   tim3_1ms_count++;
   MilliTimer_Handler();
   if (tim3_1ms_count >= 1000)
   {
       DHCP_time_handler();
       DNS_time_handler();
       tim3_1ms_count = 0;
   }
   TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
}
}

PUB_MESSAGE：在這一步，我們會發(fā)布一個當前溫度到阿里云的物模型中。成功后進入?；詈徒邮諗?shù)據(jù)部分。

KEEPALIVE和RECV：在這一步，會不斷執(zhí)行?；詈捅O(jiān)聽接收操作，當收到數(shù)據(jù)之后，會進入json_decode()函數(shù)進行處理。

json_decode()函數(shù)主要是使用CJSON將接收到的數(shù)據(jù)進行解析，然后執(zhí)行對應的操作，具體內容如下：

void TIM3_IRQHandler(void)
{
static uint32_t tim3_1ms_count = 0;
if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)
{
   tim3_1ms_count++;
   MilliTimer_Handler();
   if (tim3_1ms_count >= 1000)
   {
       DHCP_time_handler();
       DNS_time_handler();
       tim3_1ms_count = 0;
   }
   TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
}
}

11運行結果

燒錄例程運行后，首先進行了PHY鏈路檢測，然后通過DHCP打印設置網(wǎng)絡信息，最后連接MQTT服務器進行回環(huán)測試，如下圖所示：

12總結

本文講解了如何在 W55MH32芯片上實現(xiàn) MQTT協(xié)議并連接阿里云平臺，通過實戰(zhàn)例程展示了從準備工作、連接配置到消息訂閱、發(fā)布及接收處理的完整過程。文章詳細介紹了 MQTT協(xié)議的概念、特點、應用場景、發(fā)布 /訂閱模式、QoS級別，以及阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺和物模型相關知識，幫助讀者理解其在物聯(lián)網(wǎng)設備與云端數(shù)據(jù)交互中的實際應用價值。

下一篇文章將講解如何在W55MH32上實現(xiàn)MQTT協(xié)議并連接OneNET平臺，并實現(xiàn)與OneNET物模型的數(shù)據(jù)交互，敬請期待！

WIZnet是一家無晶圓廠半導體公司，成立于 1998年。產品包括互聯(lián)網(wǎng)處理器 iMCU?，它采用 TOE（TCP/IP卸載引擎）技術，基于獨特的專利全硬連線 TCP/IP。iMCU?面向各種應用中的嵌入式互聯(lián)網(wǎng)設備。

WIZnet在全球擁有 70多家分銷商，在香港、韓國、美國設有辦事處，提供技術支持和產品營銷。

香港辦事處管理的區(qū)域包括：澳大利亞、印度、土耳其、亞洲（韓國和日本除外）。

審核編輯 黃宇