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【ESP32】ESP32物联网应用：MQTT控制与状态监测

news 来源：原创 2025/8/26 1:45:54

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：

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
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）
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：

#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

// 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

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

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MQTTif (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。

#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WiFisetup_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MQTTif (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：

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
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
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
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：

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
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
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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