物联网之MQTT主题进阶

重点：

1. 主题基本形式
1. 主题分级
1. 主题通配符
1. 主题应用注意事项
1. 测试验证
1. 主题订阅程序示例

主题基本形式

主题的最基本形式就是一个字符串。以下是几个主题示例：

myTopic
motorSpeed
MotorSpeed
current time

注意：

主题是区分大小写的。如上列表中的主题 motor_speed和Motor_speed是两个完全不同的主题。
主题可以使用空格如以上列表中的current time，虽然有空格分隔current和time这两个词，但这实际是一个MQTT主题。不过，虽然我们可以使用空格，但是！！！强烈建议不要在主题中使用空格。我们在开发时一不小心，可能就会漏掉空格，这将造成不必要的麻烦。
大部分MQTT服务端是不支持中文主题的，所以我们应使用英文字符或ASCII字符来作为MQTT主题。

主题分级

MQTT主题可以是一个简单的字符串，比如motor_speed，myTopic。这些都是单一级别的主题。

为了更好的对主题进行管理和分类，我们可以对主题进行分级处理。MQTT主题各个级别之间可以使用”/”来分隔。如下例所示：

Tyler-1/motor/1/speed

在以上示例中一共有四级主题，分别是第1级 Tyler-1、第2级motor、第三级1、第4级speed。主题的每一级至少需要一个字符，比如以上示例中，数字1即是一级主题。

我们再来看几个分级主题的示例：

home/sensor/kitchen/temperature
home/sensor/kitchen/brightness
home/sensor/bedroom/temperature
home/sensor/bedroom/brightness

主题通配符

当客户端订阅主题时，可以使用通配符同时订阅多个主题。通配符只能在订阅主题时使用，下面我们将介绍两种通配符：单级通配符和多级通配符。

单级通配符: +

顾名思义，单级通配符可以代替一个主题级别。以下为含有单极通配符的主题示例。

home/sensor/ + /temperature

当客户端订阅了以上主题后，它将会收到以下主题的信息内容：

home/sensor/ kitchen /temperature

home/sensor/ bedroom /temperature

可以看到，在home后面的级别中，由于客户端订阅的主题使用了 + 单级通配符，因此无论home级别后面的内容是什么，客户端都能收到这些主题的信息。

相反，客户端将无法收到以下主题的信息。

home/sensor/bedroom/ brightness

office /sensor/bedroom//temperature

home/ screen /livingroom/temperature

以上主题的红色部分都是客户端无法收到信息的原因。这些红色的部分都是与客户端订阅的主题“home/sensor/+/temperature”不相符的部分。

多级通配符 #

单级通配符仅可代替一个主题级别，而多级通配符”#”可以涵盖任意数量的主题级别。如下示例所示，多级通配符必须是主题中的最后一个字符。

home/sensor/ #

当客户端订阅了以上含有”#”的主题后，可以收到以下主题的信息。

home/sensor/ kitchen/temperature

home/sensor/ bedroom/brightness

home/sensor/ data

多级通配符可以代替多级主题信息，因此无论”home/sensor”后面有一级还是多级主题，都可以被订阅了”home/sensor/ # ”的客户端接收到。

主题应用注意事项

– 以$开始的主题

以$开始的主题是MQTT服务端系统保留的特殊主题，我们不能随意订阅或者向其发布信息。以下是此类主题的示例：

$SYS/broker/clients/connected

$SYS/broker/clients/disconnected

$SYS/broker/clients/total

$SYS/broker/messages/sent

$SYS/broker/uptime

类似的主题还有很多。不过请记住一点，以$符号开头的主题是系统保留的特殊主题，我们不能随意订阅或者向其发布信息。

– 不要用 “/” 作为主题开头
MQTT允许使用“/”作为主题的开头，例如/home/sensor/data。但是这将这么做毫无意义，而且会额外产生一个没有用处的主题级别。所以我们应避免使用/作为主题的开头。

– 主题中不要使用空格
MQTT协议允许我们在主题中使用空格，但是阅读和调试含有空格的主题会显得异常困难。所以我们尽量不要在主题中使用空格或者特殊字符。

– 保持主题简洁明了
MQTT是一种轻量级的通讯协议，它常用于网络带宽受限的环境，因此我们应尽量让主题简洁明了，从而让设备间交互的内容更加简洁，以更好的适应网络带宽受限的环境。

– 主题中尽量使用ASCII字符
虽然很多MQTT设备支持UTF-8字符作为MQTT主题，但是笔者建议您在主题中尽量使用ASCII字符。

在主题中嵌入客户端ID
在主题中嵌入发布消息的客户端ID，这一操作可以为开发和管理MQTT信息提供便利。通过主题中的客户端ID内容，我们可以很容易的了解该主题信息是由哪一台设备所发布的。

测试验证

用MQTTfx软件来实际操作一下。
首先打开软件，连接好服务器后，再订阅选项里(subscribe)随便订阅一个主题，如下图：

然后在发布选项里(publish)将刚刚的主题复制下，再随便用一个名字替换掉加号这个通配符，发布个消息。

同样的，#通配符如下：

主题订阅程序示例

同样的，使用PubSubClient库。

订阅单个主题

让ESP8266通过公用MQTT服务器然也物联订阅MQTT消息。

/**********************************************************************
项目名称/Project          : 零基础入门学用物联网
程序名称/Program name     : subscribe_ranye_url
团队/Team                : 太极创客团队 / Taichi-Maker (www.taichi-maker.com)
作者/Author              : CYNO朔
日期/Date（YYYYMMDD）     : 20200708
程序目的/Purpose          : 
本程序旨在演示如何使用PubSubClient库使用ESP8266向MQTT服务器订阅信息。
-----------------------------------------------------------------------
本示例程序为太极创客团队制作的《零基础入门学用物联网》中示例程序。
该教程为对物联网开发感兴趣的朋友所设计和制作。如需了解更多该教程的信息，请参考以下网页：
http://www.taichi-maker.com/homepage/esp8266-nodemcu-iot/iot-c/esp8266-nodemcu-web-client/http-request/
***********************************************************************/
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
 
// 设置wifi接入信息(请根据您的WiFi信息进行修改)
const char* ssid = "taichimaker";
const char* password = "12345678";
const char* mqttServer = "test.ranye-iot.net";
// 如以上MQTT服务器无法正常连接，请前往以下页面寻找解决方案
// http://www.taichi-maker.com/public-mqtt-broker/
 
WiFiClient wifiClient;
PubSubClient mqttClient(wifiClient);
 
void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);     // 设置板上LED引脚为输出模式
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);  // 启动后关闭板上LED
  Serial.begin(9600);               // 启动串口通讯
  
  //设置ESP8266工作模式为无线终端模式
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  
  // 连接WiFi
  connectWifi();
  
  // 设置MQTT服务器和端口号
  mqttClient.setServer(mqttServer, 1883);
  // 设置MQTT订阅回调函数
  mqttClient.setCallback(receiveCallback);
 
  // 连接MQTT服务器
  connectMQTTserver();
}
 
void loop() {
  if (mqttClient.connected()) { // 如果开发板成功连接服务器
    mqttClient.loop();          // 处理信息以及心跳
  } else {                      // 如果开发板未能成功连接服务器
    connectMQTTserver();        // 则尝试连接服务器
  }
}
 
// 连接MQTT服务器并订阅信息
void connectMQTTserver(){
  // 根据ESP8266的MAC地址生成客户端ID（避免与其它ESP8266的客户端ID重名）
  String clientId = "esp8266-" + WiFi.macAddress();
 
  // 连接MQTT服务器
  if (mqttClient.connect(clientId.c_str())) { 
    Serial.println("MQTT Server Connected.");
    Serial.println("Server Address:");
    Serial.println(mqttServer);
    Serial.println("ClientId: ");
    Serial.println(clientId);
    subscribeTopic(); // 订阅指定主题
  } else {
    Serial.print("MQTT Server Connect Failed. Client State:");
    Serial.println(mqttClient.state());
    delay(5000);
  }   
}
 
// 收到信息后的回调函数
void receiveCallback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  Serial.print("Message Received [");
  Serial.print(topic);
  Serial.print("] ");
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  Serial.println("");
  Serial.print("Message Length(Bytes) ");
  Serial.println(length);
 
  if ((char)payload[0] == '1') {     // 如果收到的信息以“1”为开始
    digitalWrite(BUILTIN_LED, LOW);  // 则点亮LED。
    Serial.println("LED ON");
  } else {                           
    digitalWrite(BUILTIN_LED, HIGH); // 否则熄灭LED。
    Serial.println("LED OFF");
  }
}
 
// 订阅指定主题
void subscribeTopic(){
 
  // 建立订阅主题。主题名称以Taichi-Maker-Sub为前缀，后面添加设备的MAC地址。
  // 这么做是为确保不同设备使用同一个MQTT服务器测试消息订阅时，所订阅的主题名称不同
  String topicString = "Taichi-Maker-Sub-" + WiFi.macAddress();
  char subTopic[topicString.length() + 1];  
  strcpy(subTopic, topicString.c_str());
  
  // 通过串口监视器输出是否成功订阅主题以及订阅的主题名称
  if(mqttClient.subscribe(subTopic)){
    Serial.println("Subscrib Topic:");
    Serial.println(subTopic);
  } else {
    Serial.print("Subscribe Fail...");
  }  
}
 
// ESP8266连接wifi
void connectWifi(){
 
  WiFi.begin(ssid, password);
 
  //等待WiFi连接,成功连接后输出成功信息
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(1000);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi Connected!");  
  Serial.println(""); 
}

使用MQTTfx软件验证下：通过串口监视器，将自己手中板子生成的主题复制下，然后使用MQTTfx软件发布内容为“123”和“223”，可以看到消息“123”发布时按照程序执行，小灯亮，说明程序没问题。

订阅多个主题

/**********************************************************************
项目名称/Project          : 零基础入门学用物联网
程序名称/Program name     : subscribe_multitopic_ranye_url
团队/Team                : 太极创客团队 / Taichi-Maker (www.taichi-maker.com)
作者/Author              : CYNO朔
日期/Date（YYYYMMDD）     : 20201125
程序目的/Purpose          : 
本程序旨在演示如何使用PubSubClient库使用ESP8266向MQTT服务器订阅多个主题
-----------------------------------------------------------------------
本示例程序为太极创客团队制作的《零基础入门学用物联网》中示例程序。
该教程为对物联网开发感兴趣的朋友所设计和制作。如需了解更多该教程的信息，请参考以下网页：
http://www.taichi-maker.com/homepage/esp8266-nodemcu-iot/iot-c/esp8266-nodemcu-web-client/http-request/
***********************************************************************/
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
 
// 设置wifi接入信息(请根据您的WiFi信息进行修改)
const char* ssid = "taichimaker";
const char* password = "12345678";
const char* mqttServer = "test.ranye-iot.net";
// 如以上MQTT服务器无法正常连接，请前往以下页面寻找解决方案
// http://www.taichi-maker.com/public-mqtt-broker/
 
WiFiClient wifiClient;
PubSubClient mqttClient(wifiClient);
 
void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);     // 设置板上LED引脚为输出模式
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);  // 启动后关闭板上LED
  Serial.begin(9600);               // 启动串口通讯
  
  //设置ESP8266工作模式为无线终端模式
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  
  // 连接WiFi
  connectWifi();
  
  // 设置MQTT服务器和端口号
  mqttClient.setServer(mqttServer, 1883);
  mqttClient.setCallback(receiveCallback);
 
  // 连接MQTT服务器
  connectMQTTserver();
}
 
void loop() {
  if (mqttClient.connected()) { // 如果开发板成功连接服务器
    mqttClient.loop();          // 处理信息以及心跳
  } else {                      // 如果开发板未能成功连接服务器
    connectMQTTserver();        // 则尝试连接服务器
  }
}
 
// 连接MQTT服务器并订阅信息
void connectMQTTserver(){
  // 根据ESP8266的MAC地址生成客户端ID（避免与其它ESP8266的客户端ID重名）
  String clientId = "esp8266-" + WiFi.macAddress();
 
  // 连接MQTT服务器
  if (mqttClient.connect(clientId.c_str())) { 
    Serial.println("MQTT Server Connected.");
    Serial.println("Server Address:");
    Serial.println(mqttServer);
    Serial.println("ClientId: ");
    Serial.println(clientId);
    subscribeTopic(); // 订阅指定主题
  } else {
    Serial.print("MQTT Server Connect Failed. Client State:");
    Serial.println(mqttClient.state());
    delay(5000);
  }   
}
 
// 收到信息后的回调函数
void receiveCallback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  Serial.print("Message Received [");
  Serial.print(topic);
  Serial.print("] ");
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  Serial.println("");
  Serial.print("Message Length(Bytes) ");
  Serial.println(length);
 
  if ((char)payload[0] == '1') {     // 如果收到的信息以“1”为开始
    digitalWrite(BUILTIN_LED, LOW);  // 则点亮LED。
  } else {                           
    digitalWrite(BUILTIN_LED, HIGH); // 否则熄灭LED。
  }
}
 
// 订阅指定主题
void subscribeTopic(){
 
  // 建立订阅主题1。主题名称以Taichi-Maker-Sub为前缀，后面添加设备的MAC地址。
  // 这么做是为确保不同设备使用同一个MQTT服务器测试消息订阅时，所订阅的主题名称不同
  String topicString = "Taichi-Maker-Sub-" + WiFi.macAddress();
  char subTopic[topicString.length() + 1];  
  strcpy(subTopic, topicString.c_str());
  
  // 建立订阅主题2
  String topicString2 = "Taichi-Maker-Sub2-" + WiFi.macAddress();
  char subTopic2[topicString2.length() + 1];  
  strcpy(subTopic2, topicString2.c_str());
  
  // 通过串口监视器输出是否成功订阅主题1以及订阅的主题1名称
  if(mqttClient.subscribe(subTopic)){
    Serial.println("Subscrib Topic:");
    Serial.println(subTopic);
  } else {
    Serial.print("Subscribe Fail...");
  }  
 
  // 通过串口监视器输出是否成功订阅主题2以及订阅的主题2名称
  if(mqttClient.subscribe(subTopic2)){
    Serial.println("Subscrib Topic:");
    Serial.println(subTopic2);
  } else {
    Serial.print("Subscribe Fail...");
  }    
}
 
// ESP8266连接wifi
void connectWifi(){
 
  WiFi.begin(ssid, password);
 
  //等待WiFi连接,成功连接后输出成功信息
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(1000);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi Connected!");  
  Serial.println(""); 
}

使用单级通配符订阅主题

/**********************************************************************
项目名称/Project          : 零基础入门学用物联网
程序名称/Program name     : subscribe_single_level_wildcard_ranye
团队/Team                : 太极创客团队 / Taichi-Maker (www.taichi-maker.com)
作者/Author              : CYNO朔
日期/Date（YYYYMMDD）     : 20200813
程序目的/Purpose          : 
本程序旨在演示ESP8266订阅信息时的单极通配符+应用。
 
-----------------------------------------------------------------------
本示例程序为太极创客团队制作的《零基础入门学用物联网》中示例程序。
该教程为对物联网开发感兴趣的朋友所设计和制作。如需了解更多该教程的信息，请参考以下网页：
http://www.taichi-maker.com/homepage/esp8266-nodemcu-iot/iot-c/esp8266-nodemcu-web-client/http-request/
***********************************************************************/
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
 
// 设置wifi接入信息(请根据您的WiFi信息进行修改)
const char* ssid = "taichi-maker";
const char* password = "12345678";
const char* mqttServer = "test.ranye-iot.net";
// 如以上MQTT服务器无法正常连接，请前往以下页面寻找解决方案
// http://www.taichi-maker.com/public-mqtt-broker/
 
WiFiClient wifiClient;
PubSubClient mqttClient(wifiClient);
 
void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);     // 设置板上LED引脚为输出模式
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);  // 启动后关闭板上LED
  Serial.begin(9600);               // 启动串口通讯
  
  //设置ESP8266工作模式为无线终端模式
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  
  // 连接WiFi
  connectWifi();
  
  // 设置MQTT服务器和端口号
  mqttClient.setServer(mqttServer, 1883);
  mqttClient.setCallback(receiveCallback);
 
  // 连接MQTT服务器
  connectMQTTserver();
}
 
void loop() {
  if (mqttClient.connected()) { // 如果开发板成功连接服务器
    mqttClient.loop();          // 处理信息以及心跳
  } else {                      // 如果开发板未能成功连接服务器
    connectMQTTserver();        // 则尝试连接服务器
  }
}
 
// 连接MQTT服务器并订阅信息
void connectMQTTserver(){
  // 根据ESP8266的MAC地址生成客户端ID（避免与其它ESP8266的客户端ID重名）
  String clientId = "esp8266-" + WiFi.macAddress();
 
  // 连接MQTT服务器
  if (mqttClient.connect(clientId.c_str())) { 
    Serial.println("MQTT Server Connected.");
    Serial.println("Server Address:");
    Serial.println(mqttServer);
    Serial.println("ClientId: ");
    Serial.println(clientId);
    subscribeTopic(); // 订阅指定主题
  } else {
    Serial.print("MQTT Server Connect Failed. Client State:");
    Serial.println(mqttClient.state());
    delay(5000);
  }   
}
 
// 收到信息后的回调函数
void receiveCallback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  Serial.print("Message Received [");
  Serial.print(topic);
  Serial.print("] ");
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  Serial.println("");
  Serial.print("Message Length(Bytes) ");
  Serial.println(length);
 
  if ((char)payload[0] == '1') {     // 如果收到的信息以“1”为开始
    digitalWrite(BUILTIN_LED, LOW);  // 则点亮LED。
  } else {                           
    digitalWrite(BUILTIN_LED, HIGH); // 否则熄灭LED。
  }
}
 
// 订阅指定主题
void subscribeTopic(){
 
  // 建立订阅主题。主题名称以Taichi-Maker-Sub为前缀，后面添加设备的MAC地址。
  // 这么做是为确保不同设备使用同一个MQTT服务器测试消息订阅时，所订阅的主题名称不同
  String topicString = "Taichi-Maker-Sub-" + WiFi.macAddress()+"/+/data";
  char subTopic[topicString.length() + 1];  
  strcpy(subTopic, topicString.c_str());
  
  // 通过串口监视器输出是否成功订阅主题以及订阅的主题名称
  if(mqttClient.subscribe(subTopic)){
    Serial.println("Subscrib Topic:");
    Serial.println(subTopic);
  } else {
    Serial.print("Subscribe Fail...");
  }  
}
 
// ESP8266连接wifi
void connectWifi(){
 
  WiFi.begin(ssid, password);
 
  //等待WiFi连接,成功连接后输出成功信息
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(1000);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi Connected!");  
  Serial.println(""); 
}

使用多级通配符订阅主题

/**********************************************************************
项目名称/Project          : 零基础入门学用物联网
程序名称/Program name     : subscribe_multi_level_wildcard_ranye
团队/Team                : 太极创客团队 / Taichi-Maker (www.taichi-maker.com)
作者/Author              : CYNO朔
日期/Date（YYYYMMDD）     : 20200813
程序目的/Purpose          : 
本程序旨在演示ESP8266订阅信息时的多极通配符#应用。
-----------------------------------------------------------------------
本示例程序为太极创客团队制作的《零基础入门学用物联网》中示例程序。
该教程为对物联网开发感兴趣的朋友所设计和制作。如需了解更多该教程的信息，请参考以下网页：
http://www.taichi-maker.com/homepage/esp8266-nodemcu-iot/iot-c/esp8266-nodemcu-web-client/http-request/
***********************************************************************/
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
 
// 设置wifi接入信息(请根据您的WiFi信息进行修改)
const char* ssid = "taichi-maker";
const char* password = "12345678";
const char* mqttServer = "test.ranye-iot.net";
// 如以上MQTT服务器无法正常连接，请前往以下页面寻找解决方案
// http://www.taichi-maker.com/public-mqtt-broker/
 
WiFiClient wifiClient;
PubSubClient mqttClient(wifiClient);
 
void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);     // 设置板上LED引脚为输出模式
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);  // 启动后关闭板上LED
  Serial.begin(9600);               // 启动串口通讯
  
  //设置ESP8266工作模式为无线终端模式
  WiFi.mode(WIFI_STA);
  
  // 连接WiFi
  connectWifi();
  
  // 设置MQTT服务器和端口号
  mqttClient.setServer(mqttServer, 1883);
  mqttClient.setCallback(receiveCallback);
 
  // 连接MQTT服务器
  connectMQTTserver();
}
 
void loop() {
  if (mqttClient.connected()) { // 如果开发板成功连接服务器
    mqttClient.loop();          // 处理信息以及心跳
  } else {                      // 如果开发板未能成功连接服务器
    connectMQTTserver();        // 则尝试连接服务器
  }
}
 
// 连接MQTT服务器并订阅信息
void connectMQTTserver(){
  // 根据ESP8266的MAC地址生成客户端ID（避免与其它ESP8266的客户端ID重名）
  String clientId = "esp8266-" + WiFi.macAddress();
 
  // 连接MQTT服务器
  if (mqttClient.connect(clientId.c_str())) { 
    Serial.println("MQTT Server Connected.");
    Serial.println("Server Address:");
    Serial.println(mqttServer);
    Serial.println("ClientId: ");
    Serial.println(clientId);
    subscribeTopic(); // 订阅指定主题
  } else {
    Serial.print("MQTT Server Connect Failed. Client State:");
    Serial.println(mqttClient.state());
    delay(5000);
  }   
}
 
// 收到信息后的回调函数
void receiveCallback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  Serial.print("Message Received [");
  Serial.print(topic);
  Serial.print("] ");
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    Serial.print((char)payload[i]);
  }
  Serial.println("");
  Serial.print("Message Length(Bytes) ");
  Serial.println(length);
 
  if ((char)payload[0] == '1') {     // 如果收到的信息以“1”为开始
    digitalWrite(BUILTIN_LED, LOW);  // 则点亮LED。
  } else {                           
    digitalWrite(BUILTIN_LED, HIGH); // 否则熄灭LED。
  }
}
 
// 订阅指定主题
void subscribeTopic(){
 
  // 建立订阅主题。主题名称以Taichi-Maker-Sub为前缀，后面添加设备的MAC地址。
  // 这么做是为确保不同设备使用同一个MQTT服务器测试消息订阅时，所订阅的主题名称不同
  String topicString = "Taichi-Maker-Sub-" + WiFi.macAddress()+"/sensor/#";
  char subTopic[topicString.length() + 1];  
  strcpy(subTopic, topicString.c_str());
  
  // 通过串口监视器输出是否成功订阅主题以及订阅的主题名称
  if(mqttClient.subscribe(subTopic)){
    Serial.println("Subscrib Topic:");
    Serial.println(subTopic);
  } else {
    Serial.print("Subscribe Fail...");
  }  
}
 
// ESP8266连接wifi
void connectWifi(){
 
  WiFi.begin(ssid, password);
 
  //等待WiFi连接,成功连接后输出成功信息
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(1000);
    Serial.print(".");
  }
  Serial.println("");
  Serial.println("WiFi Connected!");  
  Serial.println(""); 
}