直接抄作業(yè)！Air780E模組AT指令：MQTT應用實(shí)例

今天我講解的是關(guān)于4G模組AT指令之MQTT應用，有興趣的朋友可以閱讀本文深度學(xué)習。

一、MQTT 協(xié)議簡(jiǎn)介

1.1 MQTT 概述

MQTT 是一種輕量級的消息傳輸協(xié)議，旨在在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應用中實(shí)現設備間的可靠通信。它使用發(fā)布-訂閱模式，其中包括一個(gè) MQTT 服務(wù)端（代理或服務(wù)器）和多個(gè) MQTT 客戶(hù)端之間的通信。

MQTT 協(xié)議具有以下特點(diǎn)：

輕量級：MQTT 協(xié)議設計簡(jiǎn)單，協(xié)議頭部開(kāi)銷(xiāo)小，適用于資源受限的設備和網(wǎng)絡(luò )。

低帶寬消耗：MQTT 采用二進(jìn)制編碼，有效地利用網(wǎng)絡(luò )帶寬。

異步通信：客戶(hù)端可以隨時(shí)發(fā)布和訂閱消息，無(wú)需等待對方的響應。

發(fā)布-訂閱模式：消息發(fā)布者將消息發(fā)布到特定的主題，而訂閱者則訂閱感興趣的主題。這種模式支持松耦合的通信和靈活的消息傳遞。

1.2 MQTT 協(xié)議中重要名詞

username用戶(hù)名，password 密碼，clientid 用戶(hù)標識，mqtt 可以通過(guò)前兩個(gè)參數保證連接的安全，通過(guò) clientid 確保設備唯一性。

qos 消息質(zhì)量，分為 0，1，2 三個(gè)等級，分別表示只發(fā)一次，至少收到一次和只收到一次，通過(guò) qos 可以根據數據的重要性靈活選擇發(fā)送方式以節省帶寬和保證數據可靠。例如不重要的數據采集可使用 qos0 只發(fā)一次不關(guān)心服務(wù)器是否收到，重要的消息通過(guò) qos1 確保能收到，付款信息危險設備開(kāi)關(guān)等場(chǎng)景使用 qos2 保證數據到達的同時(shí)且不重復。

host 主機，port 端口，mqtt 需要連接的服務(wù)器參數。host 可以說(shuō) ip 或者域名。

topic 主題，根據主題區別消息類(lèi)型和來(lái)源，主要用來(lái)分類(lèi)數據。同時(shí) mqtt 是發(fā)布訂閱模型，topic 是發(fā)布和訂閱者通信的重要通道。

payload 消息內容，發(fā)布和訂閱的具體數據。

retain 保留消息，保留消息是一條將保留標志（retained flag）置為 true 的普通 MQTT 消息。broker 會(huì )針對主題依照 QoS 級別保留最后一條保留消息，當訂閱者訂閱主題時(shí)會(huì )立即收到保留消息。broker 僅為每個(gè)主題保留一條保留消息。

二、本教程實(shí)現的功能概述

本文教你4G 模組使用 AT 命令連接 MQTT 服務(wù)器，實(shí)現模組和服務(wù)器之間數據的雙向傳輸！

本教程實(shí)現的功能定義是：

1、準備一個(gè) MQTT 服務(wù)器;

2、4G 模組插卡開(kāi)機后，連接上 MQTT 服務(wù)器,訂閱一個(gè)消息 /mqtt/pub;

3、使用 MQTT 協(xié)議的 PC 工具（本篇演示時(shí)使用的是 mqttx），用工具連接 mqtt 服務(wù)器,同時(shí)訂閱消息 /mqtt/sub;

4、4G 模組向工具訂閱的消息 /mqtt/sub 發(fā)布消息 data from 4G module，工具可以接收到并顯示出來(lái)；

5、工具向 4G 模組訂閱的消息 /mqtt/pub 發(fā)布消息 data from tcp server，模組可以接收到數據并通過(guò)串口輸出顯示

6、演示加密 mqtt 通信流程7、演示專(zhuān)網(wǎng)卡和設置 apn 等特殊情況連接 mqtt 服務(wù)器

三、準備硬件環(huán)境

在正式介紹本功能示例之前，需要先準備好以下硬件環(huán)境。

3.1 Air780E開(kāi)發(fā)板

使用的開(kāi)發(fā)板是 Air780E 核心板，

此核心板的詳細使用說(shuō)明參考：

https://docs.openluat.com/air780e/product/

此核心板的詳細使用說(shuō)明參考：Air780E 產(chǎn)品手冊 公用產(chǎn)品資料 - 模組資料中心 (openluat.com)中的 << 開(kāi)發(fā)板 Core_Air780E 使用說(shuō)明 VX.X.X.pdf>>，寫(xiě)這篇文章時(shí)最新版本的使用說(shuō)明為：20240419155721583_開(kāi)發(fā)板Core_Air780E使用說(shuō)明V1.0.5.pdf (vue2.cn)；核心板使用過(guò)程中遇到任何問(wèn)題，可以直接參考這份使用說(shuō)明 pdf 文檔。

3.2 SIM卡

準備一張可以上網(wǎng)的 SIM 卡，可以是物聯(lián)網(wǎng)卡，也可以是自己的手機卡；注意：SIM 卡不能欠費，可以正常上網(wǎng)?。?！

3.3 PC電腦

準備一臺電腦；注意：電腦有 USB 口，并且可以正常上網(wǎng)?。?！

3.4 數據通信線(xiàn)

準備一根數據線(xiàn)，此數據線(xiàn)的作用是，連接 Air780E 開(kāi)發(fā)板和 PC 電腦，通過(guò) AT 命令完成業(yè)務(wù)邏輯的控制和交互；有兩種數據線(xiàn)可以使用，二選一即可；第一種數據線(xiàn)是 USB 數據線(xiàn)（連接 Air780E 開(kāi)板的一段是 Type-C 接口），一般來(lái)說(shuō)這種數據線(xiàn)如下圖所示：

普通的手機 USB 數據線(xiàn)一般都可以直接使用；第二種數據線(xiàn)是 USB 轉 TTL 串口線(xiàn)，一般來(lái)說(shuō)這種數據線(xiàn)如下圖所示：

在本教程中，使用的是第一種 USB 數據線(xiàn)。

3.5 組裝硬件環(huán)境

按照 SIM 卡槽上的插入方向，插入 SIM 卡，注意不要插反！如下圖所示，將 SIM 卡用力推入卡槽，聽(tīng)到咔嚓聲音后即可。

USB 數據線(xiàn)，連接電腦和 Air780E 開(kāi)發(fā)板，如下圖所示

四、準備軟件環(huán)境

在正式使用之前，需要安裝裝備好以下軟件。

4.1 Luatools 工具

要想燒錄 AT 固件到4G模組中，需要用到的調試工具：Luatools詳細使用說(shuō)明參考：

Luatools 工具使用說(shuō)明：
https://docs.openluat.com/Luatools/

4.2 AT 固件

4G 模組中必須燒錄正確的 AT 固件才能支持 AT 命令功能；通過(guò) Luatools 可以燒錄 AT 固件；有兩種方式可以獲取到 Air780E 模組的最新 AT 固件，二選一即可。

第一種方式是通過(guò) Luatools 獲?。?br />如下圖所示，可以直接選中最新版本的 AT 固件：

第二種方式是訪(fǎng)問(wèn)：

Air780E 固件版本 ，找到最新版本的固件即可。

4.3  MQTT 測試服務(wù)器

為了方便測試，提供了免費的不可商用的 MQTT 測試服務(wù)器；

ssl 加密鏈接所需要的證書(shū)文件：mqttcerts.zip

4.4 PC 端串口工具

在量產(chǎn)的項目硬件設計中，一般都是由主控 MCU 通過(guò) UART 給 4G 模組發(fā)送命令實(shí)現具體的業(yè)務(wù)邏輯；在本教程中，為了測試方便，沒(méi)有使用主控 MCU；而是使用了 PC 電腦上的一個(gè)串口工具 SSCOM 給 4G 模組發(fā)送命令來(lái)實(shí)現演示功能。

4.5 mqttx 工具下載

MQTTX 是一款功能強大的 MQTT 客戶(hù)端應用，專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和消息傳遞設計。它提供了直觀(guān)的用戶(hù)界面，支持多種連接配置，方便用戶(hù)進(jìn)行設備的快速連接、消息發(fā)布與訂閱，以及數據監控與管理。安裝教程可參考這篇文章：MQTTX 下載使用詳解

五、MQTT 相關(guān)指令

復制鏈接查看4G模組MQTT指令：https://docs.openluat.com/air780e/at/app/at_command/#mqtt

六、使用方法舉例

6.1 確認開(kāi)發(fā)板正常開(kāi)機并聯(lián)網(wǎng)正常

本次教程所用固件版本是 v1169，通過(guò) luatools 燒錄過(guò)固件后可以通過(guò)打印來(lái)判斷設備情況，具體參考下圖：

6.2 普通不帶證書(shū)使用流程舉例

下面演示及普通連接流程，并進(jìn)行收發(fā)測試。查看流程時(shí)需要注意指令后面注釋的內容，有助于理解指令具體作用

可以通過(guò)工具看到模組正常上報了數據，服務(wù)器下發(fā)模組也能正常收到并通過(guò)串口打印出來(lái)：

6.3 SSL 帶證書(shū)單向認證流程舉例

MQTT 單向認證加密是指，在 MQTT 通信中僅服務(wù)端驗證客戶(hù)端身份，以此確保通信數據的安全傳輸。下面演示單向認證加密連接的流程，并進(jìn)行收發(fā)測試本次測試需要準備好單向認證的加密證書(shū)，如果使用的是合宙測試服務(wù)器的話(huà)需要下載上面服務(wù)器信息除的加密證書(shū)文件。如圖所示：

工具選擇加密端口，同時(shí)配置 ca 證書(shū)文件，具體如圖所示：

單向認證測試流程如下：

模組與服務(wù)器交互過(guò)程通過(guò)工具監控如圖：

6.4 SSL 帶證書(shū)雙向認證流程舉例

MQTT 協(xié)議雙向認證加密是指客戶(hù)端和服務(wù)器在通信時(shí)都使用數字證書(shū)進(jìn)行身份驗證，并使用 TLS 協(xié)議對通信數據進(jìn)行加密，確保數據的機密性和完整性。下面演示雙向認證加密連接的流程，并進(jìn)行收發(fā)測試所需證書(shū)文件如圖所示：

工具配置加密證書(shū)如圖：

雙向認證測試流程：

交互日志如下：

七、APN 設置與專(zhuān)網(wǎng)卡

用戶(hù)根據自己使用的網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型來(lái)區分，sim 卡可以分為公網(wǎng)卡和專(zhuān)網(wǎng)卡兩種；對于如何判斷自己手里的 sim 卡是公網(wǎng)卡還是專(zhuān)網(wǎng)卡可以通過(guò)下面兩種辦法區分：

咨詢(xún)sim卡供應商；

如果有apn賬號、或者有密碼、或者有加密類(lèi)型，則可以認為是專(zhuān)網(wǎng)卡。

對于公網(wǎng)卡和專(zhuān)網(wǎng)卡設置和查詢(xún)有不同的指令，合宙 780E 4G 模組設置和查詢(xún) APN 相關(guān)指令可以參考下圖：

APN 及專(zhuān)網(wǎng)卡常見(jiàn)問(wèn)題

1、模塊如何設置 APN

1）如果是公網(wǎng)SIM卡，不需要用戶(hù)主動(dòng)設置APN，軟件自動(dòng)去網(wǎng)絡(luò )端查詢(xún)APN進(jìn)行設置。

2）如果是專(zhuān)網(wǎng)SIM卡，首先咨詢(xún)SIM卡提供商APN參數，然后通過(guò)AT+CPNETAPN=mode,“apnname”,“user”,“pwd”,authmoded進(jìn)行專(zhuān)網(wǎng)卡的參數設置。

2、專(zhuān)網(wǎng)卡連接服務(wù)器失敗

1）有的專(zhuān)網(wǎng)卡沒(méi)設置APN的情況下也能激活PDP，但是不能連專(zhuān)網(wǎng)卡指定的服務(wù)器，或者開(kāi)機后模塊沒(méi)自動(dòng)激活PDP，這個(gè)時(shí)候參考1，檢查APN參數是否設置正確。

2）如果有其他廠(chǎng)家的模塊，對比測試下是否連接正常。

3）如果無(wú)法百分百保證服務(wù)器配置沒(méi)問(wèn)題，最好在服務(wù)器端用wireshark抓包，或者在服務(wù)器上安裝一個(gè)第三方工具，開(kāi)啟一個(gè)服務(wù)器端口來(lái)對比測試。

4）用定向Ip的物聯(lián)網(wǎng)卡，需要把域名或IP加入白名單才能使用。

3、專(zhuān)網(wǎng)卡訪(fǎng)問(wèn)白名單 用定向 IP 的物聯(lián)網(wǎng)卡，需要把域名或 IP 加入白名單才能使用，下面列出模塊會(huì )訪(fǎng)問(wèn)的域名或 IP 服務(wù)器。

八、常見(jiàn)問(wèn)題和注意事項

8.1 注意事項

1、發(fā)送 MIPSTART 命令后，收到 OK 僅僅表示 4G 模塊開(kāi)始處理這條命令，并不表示 TCP 已經(jīng)連接成功；只有收到 CONNECT OK 才是成功的應答；

2、發(fā)送 MCONNECT 命令后，收到 OK 僅僅表示 4G 模塊開(kāi)始處理這條命令，并不表示 MQTT 已經(jīng)連接成功；只有收到 CONNACK OK 才是成功的應答；

3、發(fā)送 MSUB 命令后，收到 OK 僅僅表示 4G 模塊開(kāi)始處理這條命令，并不表示 MQTT 已經(jīng)訂閱成功；只有收到 SUBACK 才是成功的應答；

4、發(fā)送 MPUB 命令后，如果 QOS 不是 0，則收到 OK 僅僅表示 4G 模塊開(kāi)始處理這條命令，并不表示 MQTT 已經(jīng)發(fā)布成功；只有收到 PUBACK（QOS 為 1 時(shí)）或者 PUBCOMP（QOS 為 2 時(shí)）才是成功的應答；

8.2 常見(jiàn)問(wèn)題

1、780E 支持的 MQTT 版本

MQTT3.1.1

2、連接服務(wù)器失敗

1、檢查下模塊信號、網(wǎng)絡(luò )注冊、網(wǎng)絡(luò )附著(zhù)、PDP激活狀態(tài)。

2、檢查下SIM卡是否欠費【4G模塊有一種欠費表現：無(wú)法注冊4G網(wǎng)絡(luò )，可以注冊2G網(wǎng)絡(luò )】。

3、使用mqtt.fx，連接服務(wù)器確認一下是否可以連接成功，排除服務(wù)器故障。

4、部分國外的開(kāi)源項目提供免費的MQTT代理服務(wù)器，因為網(wǎng)絡(luò )的原因，國內存在嚴重的延遲或者丟包現象，導致程序運行出現問(wèn)題。

5、確認是不是域名解析失敗導致，可以通過(guò)AT+CDNSGIP=確認一下域名是否能正常解析（注意：該命令只有在執行完at+cstt、at+ciicr、at+cifsr后才能正常工作），不能正常解析，可以通過(guò)AT+CDNSCFG=ip1,ip2設置域名解析服務(wù)器。

6、在 MIPSTART /SSLMIPSTART返 回 CONNECT OK后 才 能 發(fā) MCONNECT命令，而且要立即發(fā)，否則會(huì )被服務(wù)器踢掉。

3、頻繁掉線(xiàn)是什么原因

1、檢查下是否存在代碼邏輯錯誤，導致異常。

2、檢查下是否不斷重啟，導致異常。

3、檢查下服務(wù)器網(wǎng)絡(luò )是否穩定，不要用內網(wǎng)穿透方式搭建服務(wù)器。

4、檢查下使用環(huán)境是否網(wǎng)絡(luò )覆蓋不好，例如車(chē)庫、地下、電梯、山區等。

5、檢查下模塊信號、網(wǎng)絡(luò )注冊、網(wǎng)絡(luò )附著(zhù)、PDP激活狀態(tài)。

6、排查是否為設備天線(xiàn)問(wèn)題：發(fā)出來(lái)設備的天線(xiàn)調試指標參數給合宙技術(shù)支持人員；曾經(jīng)有一個(gè)客戶(hù)天線(xiàn)指標明顯有問(wèn)題，導致10幾個(gè)小時(shí)出現30次左右掉線(xiàn)；后來(lái)重新調試天線(xiàn)之后，40個(gè)小時(shí)出現幾次掉線(xiàn)。

7、如果經(jīng)常出現連接被動(dòng)斷開(kāi)：

1) 檢查下mqtt keep alive的時(shí)間，一般建議使用2分鐘【如果每2分鐘內都有應用數據收發(fā)，則可以把mqtt keep alive的時(shí)間設置的長(cháng)一點(diǎn)兒】，除非有強制要求，否則不能太長(cháng)，也不能太短。不建議超過(guò)4分鐘，基站策略會(huì )關(guān)閉長(cháng)時(shí)間沒(méi)有數據傳輸的連接，太長(cháng)時(shí)間可能會(huì )導致連接被基站關(guān)閉；不建議少于1分鐘，太短時(shí)間可能會(huì )因為網(wǎng)絡(luò )環(huán)境波動(dòng)導致上行數據發(fā)送超時(shí)，可能超過(guò)1.5倍的心跳時(shí)間，從而被服務(wù)器主動(dòng)斷開(kāi)連接。

2) 檢查下是否在1.5倍的mqtt keep alive的時(shí)間，沒(méi)有成功發(fā)送數據到服務(wù)器，就會(huì )被被服務(wù)器主動(dòng)斷開(kāi)，這種情況一般都是發(fā)送數據超時(shí)引起的。

8、如果要降低掉線(xiàn)率，可通過(guò)如下方式設置【注意：在網(wǎng)絡(luò )環(huán)境不變的情況下，降低掉線(xiàn)率意味著(zhù)會(huì )增加響應延時(shí)】A. mqtt keep alive的時(shí)間，一般建議使用2分鐘【如果每2分鐘內都有應用數據收發(fā)，則可以把mqtt keep alive的時(shí)間設置的長(cháng)一點(diǎn)兒】，除非有強制要求，否則不能太長(cháng)，也不能太短。不建議超過(guò)4分鐘，基站策略會(huì )關(guān)閉長(cháng)時(shí)間沒(méi)有數據傳輸的連接，太長(cháng)時(shí)間可能會(huì )導致連接被基站關(guān)閉；不建議少于1分鐘，太短時(shí)間可能會(huì )因為網(wǎng)絡(luò )環(huán)境波動(dòng)導致上行數據發(fā)送超時(shí)，可能超過(guò)1.5倍的心跳時(shí)間，從而被服務(wù)器主動(dòng)斷開(kāi)連接。

B. 減少Qos1和Qos2的publish使用，允許的話(huà)建議都使用Qos0。

4、有沒(méi)有認證機制

有，每個(gè)設備有clientid、username、password。

5、client id 是否允許重復

不允許重復，重復的話(huà)，服務(wù)器會(huì )踢掉上一個(gè)相同id的設備。

6、Qos0、1、2 如何選擇

應用允許的情況下，建議使用Qos0，Qos1和Qos2會(huì )加重網(wǎng)絡(luò )負擔，在網(wǎng)絡(luò )擁堵和較差的情況下，數據傳輸的次數越多，掉線(xiàn)的概率就會(huì )越高。

7、是否支持 ssl

支持證書(shū)配置，支持單向認證和雙向認證

支持如下六種加密套件：

0X0035 TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA

0X002F TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA

0X0005 TLS_RSA_WITH_RC4_128_SHA

0X0004 TLS_RSA_WITH_RC4_128_MD5

0X000A TLS_RSA_WITH_3DES_EDE_CBC_SHA

0X003D TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA256

8、MQTT SSL 如何使用

參考上面流程或者翻閱AT手冊，如果SSL的參數配置不變，則每次開(kāi)機運行過(guò)程中，僅設置一次即可

9、為什么 mqtt ssl 訪(fǎng)問(wèn)失敗

1、檢查服務(wù)器是否支持模塊支持的加密套件。

2、發(fā)日志文件給技術(shù)支持人員分析。

10、MQTT 支持多連接嗎

目前MQTT僅支持單連接，不支持多連接。

11、MQTT 的遺囑如何使用

通過(guò)AT+MCONFIG命令可以設置遺囑的qos、retain標志、topic、payload；在如下幾種（包含但是又不僅限于如下情況）情況下，服務(wù)器會(huì )主動(dòng)發(fā)布遺囑消息到訂閱的客戶(hù)端：1、模塊和服務(wù)器通信異常（例如模塊突然關(guān)機、模塊進(jìn)入了一個(gè)沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )信號的環(huán)境等）超過(guò)1.5倍（一般是1.5倍，但不排除服務(wù)器可以修改這個(gè)時(shí)間）的 keep alive時(shí)間（可以通過(guò)AT+MCONNECT設置keep alive時(shí)間）。2、模塊主動(dòng)執行AT+MDISCONNECT或者AT+MIPCLOSE。

12、MPUB 命令中，payload 包含"如何發(fā)送？

1、消息中內嵌的雙引號請用22 表達；控制字符回車(chē)r(0x0D) 請用D 表達；；控制字符換行n（0x0A ）請用A 表達 ；控制字符反斜杠 （0x5C ） 請用5C表達。2、如果是 MCU 發(fā)消息，可能需要用\22 ，\0D ，\0A ，\5C 來(lái)表達，即 需要轉義成\ 。

13、重試多次 PDP，MQTT 應用一直連接失敗

如果重試多次PDP激活，PDP一直激活失敗，或者M(jìn)QTT一直連接失敗，則嘗試使用如下手段恢復：1、使用RESET引腳復位模塊。2、極端情況下，直接給模塊斷電，再上電，POWER KEY引腳拉低開(kāi)機。

14、數據接收緩存問(wèn)題

可通過(guò)AT+MQTTMSGSET命令設置是否緩存，詳情參考AT手冊。1、不緩存：通過(guò)AT+MQTTMSGSET=0設置；收到訂閱的publish報文后，立即通過(guò)AT口輸出主題、payload長(cháng)度、payload內容，每個(gè)報文中支持的payload內容最長(cháng)1360字節。2、內存緩存：通過(guò)AT+MQTTMSGSET=1設置；內存中有一個(gè)緩存表，最多支持緩存4條publish報文；收到訂閱的publish報文后，插入緩沖表中的空閑位置，然后通過(guò)AT口輸出存儲位置；緩存表滿(mǎn)之后，新收到的publish報文會(huì )覆蓋最舊的publish報文。

注意：緩存表位于內存中，斷電或者重啟后，緩存表中的數據會(huì )被清空；建議收到數據時(shí)，通過(guò)AT+MQTTMSGGET及時(shí)讀取出來(lái)，以防緩沖區滿(mǎn)覆蓋丟失數據。

15、數據發(fā)送問(wèn)題

AT+MPUB最大publish 2384字節，AT+MPUBEX長(cháng)度取值范圍1-4100。