單芯片解決方案，開啟全新體驗——W55MH32 高性能以太網單片機

W55MH32是WIZnet重磅推出的高性能以太網單片機，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，滿足存儲與數據處理需求；集成TOE引擎，包含WIZnet全硬件TCP/IP協議棧、內置MAC以及PHY，擁有獨立的32KB以太網收發緩存，可供8個獨立硬件socket使用。如此配置，真正實現了All-in-One解決方案，為開發者提供極大便利。

在封裝規格上，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，能夠輕松應對工業控制中多樣化的連接需求，無論是與各類傳感器、執行器的通信，還是對復雜工業協議的支持，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/網站或者私信獲取。

此外，本W55MH32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，為網絡通信安全再添保障。

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

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

第二十三章 W55MH32 MQTT_OneNET示例

本篇文章，我們將詳細介紹如何在W55MH32芯片上面實現MQTT協議。并通過實戰例程，為大家講解如何使用W55MH32的MQTT協議連接OneNET平臺，實現與OneNET物模型的數據交互。

該例程用到的其他網絡協議，例如DHCP和DNS，請參考相關章節。有關W55MH32的初始化過程，請參考Network Install章節，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議）是一種輕量級的、基于發布/訂閱模式的消息傳輸協議，廣泛應用于物聯網（IoT）領域，尤其是在網絡帶寬受限、設備資源有限的環境中。它由IBM在1999年提出，主要用于遠程監控和控制系統中的設備通信。MQTT協議具有低帶寬、低功耗、低延遲等優點，特別適用于嵌入式系統和物聯網設備的通信。

2 MQTT特點

輕量級：MQTT協議采用極簡的協議頭，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，能夠確保數據可靠送達。

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布的消息，當有新設備訂閱某個主題時，代理會立即發送保留的消息。

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

3 MQTT應用場景

工業自動化：在工業環境中，生產設備、傳感器、控制器等都需要進行數據交換，MQTT協議適用于在復雜的工業自動化系統中提供實時通信。

智能電網：智能電網應用中，電力設備（如變電站、智能電表、開關設備等）通過以太網與控制中心進行實時數據交換，使用MQTT協議進行遠程監控和控制。

遠程設備監控與管理：適用于需要遠程監控和管理的設備，如遠程氣象站、環境監測設備等。通過MQTT協議實時獲取設備的傳感器數據。

4 MQTT發布/訂閱模式

發布訂閱模式（Publish-Subscribe Pattern）是一種消息傳遞模式，它將發送消息的客戶端（發布者）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系也不需要知道對方的存在。

MQTT發布/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工作，發布者將帶有主題的消息發送給代理，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發布/訂閱模式有 4個主要組成部分：發布者、訂閱者、代理和主題。

發布者（Publisher）：負責將消息發布到主題上，發布者一次只能向一個主題發送數據，發布者發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）：負責接收發布者的消息，并將消息轉發至符合條件的訂閱者。另外，代理也需要負責處理客戶端發起的連接、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給所有訂閱者；一個主題也可以有多個發布者，代理將按照消息到達的順序轉發。

MQTT協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：實時傳輸的更新數據，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，發送方會重復發送消息，直到收到接收方的確認應答（PUBACK）。可能會導致消息重復接收。

使用場景：電力監測數據，或需要確保狀態信息準確傳輸的應用場景。

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、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網系統和實時監控場景中使用。

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

7 OneNET物聯網平臺簡介

OneNET是由中國移動打造的物聯網開放平臺，在物聯網應用和真實設備之間搭建高效、穩定安全的應用平臺。該平臺支持適配各種網絡環境和協議類型，可實現各種傳感器和智能硬件的快速接提供豐富的 API和應用模板以支撐各類行業應用和智能硬件的開發。

8 OneNET物模型介紹

物模型是物聯網平臺中用于描述和管理設備能力的抽象模型，它定義了設備的屬性、行為和事件，使設備與平臺、應用之間的交互更加標準化和統一。在OneNET平臺中，物模型是設備管理與數據交互的核心概念，通過物模型，開發者可以方便地對設備進行建模、管理和使用。

9 MQTT連接OneNET收發數據流程

1.準備階段

注冊與實名認證：用戶需要在OneNET平臺注冊賬號，并完成實名認證。

創建產品和添加物模型：登錄阿里云物聯網平臺，創建產品并在產品下添加以下物模型功能。

創建設備：在剛剛創建的產品下創建一個設備。

2.記錄參數

連接參數：可在OneNET - 中國移動物聯網開放平臺官方文檔中找到MQTT協議所需的連接參數，從中可得：

服務器地址及端口和安全認證三要素：

clientld為我們創建的設備名，usemame為我們創建產品后平臺分配的產品ID，password則需使用token生成工具生成，工具說明及下載鏈接：OneNET - 中國移動物聯網開放平臺。

發布主題：$sys/{pid}/{device-name}/thing/property/post（屬性上報消息主題）

訂閱主題：$sys/{pid}/{device-name}/thing/property/post/reply（屬性上報響應主題）

訂閱主題：$sys/{pid}/{device-name}/thing/property/set（設置主題）

注意：上面兩個主題中的{pid}需要替換成產品ID，{device-name}替換成設備名。

3.連接、訂閱和發布消息

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

在OneNET平臺，如果產品創建階段選擇的數據格式為OneJson格式時，接收和發送數據格式都會遵守下面這個格式：

{
  "id":"123",
  "version":"1.0",
  "params":{
    "Power":{
      "value":"on",
      "time":1524448722123
    },
    "WF":{
      "value":23.6,
      "time":1524448722123
    }
  },
  "method":"thing.{功能類型}.{方法}"
}

字段id是請求的唯一標識符，值為"123"，用于跟蹤請求的響應；version表示OneJSON數據格式的版本號，這里為"1.0"；params字段包含設備的屬性數據，包含了屬性標識符、對應的值和時間戳；method字段指定設備執行的操作類型，這里是thing.{功能類型}.{方法}，用于指明設備進行的操作。

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實現過程

接下來，我們看看在W55MH32上如何實現MQTT連接OneNET，并進行訂閱、發布消息以及接收消息處理。

注意：因為本示例需要訪問互聯網，請確保W55MH32的網絡環境及配置能夠正常訪問互聯網。

步驟一：初始化MQTT客戶端

mqttconn mqtt_params = {
 .mqttHostUrl = "mqtts.heclouds.com",
 .server_ip = {
     0,
 },                                                                                                                                                     /*Define the Connection Server IP*/
 .port = 1883,                                                                                                                                          /*Define the connection service port number*/
 .clientid = "W5100S_W5500",                                                                                                                            /*Define the client ID*/
 .username = "70TwP2gxl5",                                                                                                                              /*Define the user name*/
 .passwd = "version=2018-10-31&res=products%2F70TwP2gxl5%2Fdevices%2FW5100S_W5500&et=1791400694&method=sha1&sign=0SchVg6Y2MRYn%2B9zItNZwt%2F%2FN4Y%3D", /*Define user passwords*/
 .pubtopic = "$sys/70TwP2gxl5/W5100S_W5500/thing/property/post",                                                                                        /*Define the publication message*/
 .pubtopic_reply = "$sys/70TwP2gxl5/W5100S_W5500/thing/property/post/reply",
 .subtopic = "$sys/70TwP2gxl5/W5100S_W5500/thing/property/set", /*Define subscription messages*/
 .subtopic_reply = "$sys/70TwP2gxl5/W5100S_W5500/thing/property/set_reply",
 .pubQoS = QOS0,                /*Defines the class of service for publishing messages*/
 .willtopic = "/wizchip/will",  /*Define the topic of the will*/
 .willQoS = QOS0,               /*Defines the class of service for Will messages*/
 .willmsg = "wizchip offline!", /*Define a will message*/
 .subQoS = QOS0,                /*Defines the class of service for subscription 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.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.will = willdata;
   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;
}

修改為自己平臺的clientid和username以及passwd，還包括pubtopic和subtopic的產品和設備名的更改。

步驟二：主循環，處理MQTT相關操作（連接、發送、接收等）

  while(1)
    {
        do_mqtt();
     }

步驟三：進入do_mqtt()函數

void do_mqtt(void)
{
    uint8_t ret;
    switch (run_status)
    {
        case CONN: 
        {
            // 連接到MQTT服務器
            ret = MQTTConnect(&c, &data);
            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: 
        {
            // 訂閱第一個主題
            ret = MQTTSubscribe(&c, mqtt_params.subtopic, mqtt_params.subQoS, messageArrived);
            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;
            }

            // 訂閱第二個主題（回復主題）
            ret = MQTTSubscribe(&c, mqtt_params.pubtopic_reply, mqtt_params.subQoS, messageArrived);
            printf("Subscribing to %srn", mqtt_params.pubtopic_reply);
            printf("Subscribed:%srnrn", ret == SUCCESSS ? "success" : "failed");
            if (ret != SUCCESSS)
            {
                run_status = ERR;
            }
            else
            {
                run_status = PUB_MESSAGE;
            }
            break;
        }

        case PUB_MESSAGE: 
        {
            // 配置發布消息參數
            pubmessage.qos       = QOS0;
            pubmessage.payload   = "{"id":"123","version":"1.0","params":{"CurrentTemperature":{"value":26.6}}}";
            pubmessage.payloadlen = strlen(pubmessage.payload);

            // 發布消息
            ret = MQTTPublish(&c, (char *)&(mqtt_params.pubtopic), &pubmessage);
            if (ret != SUCCESSS)
            {
                run_status = ERR;
            }
            else
            {
                printf("publish:%s,%srnrn", mqtt_params.pubtopic, (char *)pubmessage.payload);
                run_status = KEEPALIVE;
            }
            break;
        }

        case KEEPALIVE: 
        {
            // 維持MQTT連接（心跳）
            if (MQTTYield(&c, 30) != SUCCESSS)
            {
                run_status = ERR;
            }
            delay_ms(100);
            break;
        }

        case RECV: 
        {
            // 處理接收到的消息
            if (mqtt_recv_flag)
            {
                mqtt_recv_flag = 0;
                json_decode(mqtt_recv_msg);  // 解析接收到的JSON消息
            }
            delay_ms(100);
            break;
        }

        case ERR:  /* 運行錯誤狀態 */
            printf("system ERROR!");
            delay_ms(1000);
            break;

        default:
            break;
    }
}

進入該函數后，程序首先嘗試連接到指定的MQTT服務器。如果連接成功，則進入訂閱狀態；如果連接失敗，則直接進入錯誤狀態并打印錯誤信息。

在訂閱狀態中，訂閱兩個主題：一個是用于接收消息的訂閱主題，另一個是用于發布回復的發布主題。如果這兩個主題都成功訂閱，則進入發布消息狀態；如果訂閱過程中出現失敗，則進入錯誤狀態并打印錯誤信息。

進入發布消息狀態后，構建一條消息并嘗試發布。如果發布成功，則進入保持連接狀態；如果發布失敗，則進入錯誤狀態并打印錯誤信息。

在保持連接狀態中，持續接收消息并檢查是否有需要處理的消息。如果有接收到需要處理的消息，則進行相應的處理。

在任何步驟中，如果發生錯誤，都會立即進入錯誤狀態，并打印出詳細的錯誤信息。

11運行結果

燒錄例程運行后，首先進行了PHY鏈路檢測，接著是通過DHCP獲取網絡地址信息和DNS解析服務器域名，然后連接服務器和訂閱主題，最后發送物模型數據，隨后就接收到OneNET平臺響應的上報成功的信息，此時查看平臺物模型數據已經得到更新顯示。如下圖所示：

然后我們使用ONENET平臺的在線設備調試功能，調試LWDSwish狀態，下發數據，此時W55MH32就接收到下發的消息并進行響應操作了，如下執行LED OFF：

12總結

本文講解了如何在 W55MH32芯片上實現 MQTT協議并連接 OneNET平臺，通過實戰例程展示了從準備工作、連接配置到消息訂閱、發布及接收處理的完整過程。文章詳細介紹了 MQTT協議的概念、特點、應用場景、發布 /訂閱模式、QoS級別，以及 OneNET物聯網平臺和物模型相關知識，幫助讀者理解其在物聯網設備與云端數據交互中的實際應用價值。

下一篇文章將講解如何在 W55MH32上實現多路 Socket設置為 TCP客戶端模式，并進行連接同一個服務器測試，解析多路 Socket連接的核心原理及應用，同時講解在 W55MH32上實現該功能的具體步驟與要點，敬請期待！

WIZnet是一家無晶圓廠半導體公司，成立于 1998年。產品包括互聯網處理器 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網設備。

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