STM32嵌入式开发：基于ESP8266的MQTT物联网远程监控系统

文章目录

• • 一、项目概述
  • • 1.1 硬件清单
    • 1.2 软件环境
    • 1.3 系统整体流程
  • 二、硬件连接步骤
  • • 2.1 STM32与ESP8266连接
    • 2.2 STM32与DHT11连接
    • 2.3 STM32与LED连接
    • 2.4 下载电路连接
  • 三、ESP8266 AT指令配置（MQTT连接）
  • • 3.1 前期准备
    • 3.2 逐行发送AT指令配置MQTT
  • 四、STM32程序开发（Keil MDK）
  • • 4.1 新建Keil工程
    • 4.2 工程文件结构
    • 4.3 核心代码实现
    • • 4.3.1 文件1：usart.c（串口驱动，用于和ESP8266通信）
      • 4.3.2 文件2：usart.h（串口头文件）
      • 4.3.3 文件3：dht11.c（DHT11温湿度传感器驱动）
      • 4.3.4 文件4：dht11.h（DHT11头文件）
      • 4.3.5 文件5：led.c（LED驱动）
      • 4.3.6 文件6：led.h（LED头文件）
      • 4.3.7 文件7：esp8266.c（ESP8266 MQTT通信驱动）
      • 4.3.8 文件8：esp8266.h（ESP8266头文件）
      • 4.3.9 文件9：main.c（主函数）
    • 4.4 编译下载程序
  • 五、MQTT服务器部署与测试
  • • 5.1 本地部署EMQ X服务器
    • 5.2 测试MQTT通信
  • 六、故障排查
  • • 6.1 ESP8266无法连接WiFi
    • 6.2 DHT11读取数据失败
    • 6.3 MQTT发布数据失败
  • 七、功能扩展建议
  • • 总结

一、项目概述

本项目实现基于STM32F103C8T6单片机+ESP8266模块的MQTT物联网远程监控系统，STM32采集温湿度（DHT11）数据，通过ESP8266接入MQTT服务器，实现数据的远程上传；同时可通过MQTT下发指令，控制STM32外接的LED灯，完成双向的物联网交互。

1.1 硬件清单

1.2 软件环境

• 开发工具：Keil MDK-ARM V5.38
• STM32固件库：STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0
• MQTT服务器：EMQ X（本地部署或使用公共服务器）
• 串口调试工具：SSCOM V5.13.1
• ESP8266固件：AT固件（支持MQTT指令，版本推荐AT_V1.7.4）

1.3 系统整体流程

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STM32初始化

DHT11采集温湿度

串口发送数据到ESP8266

ESP8266通过AT指令连接MQTT服务器

ESP8266发布温湿度数据到MQTT主题

MQTT客户端（手机/电脑）

订阅温湿度主题接收数据

发布控制指令到MQTT主题

ESP8266订阅控制主题

ESP8266接收指令并通过串口发送到STM32

STM32解析指令控制LED

二、硬件连接步骤

2.1 STM32与ESP8266连接

2.2 STM32与DHT11连接

2.3 STM32与LED连接

2.4 下载电路连接

三、ESP8266 AT指令配置（MQTT连接）

3.1 前期准备

3.2 逐行发送AT指令配置MQTT

// 1. 测试ESP8266是否正常
AT
// 响应：OK 表示正常

// 2. 恢复出厂设置
AT+RESTORE
// 响应：OK

// 3. 设置STA模式（连接路由器）
AT+CWMODE=1
// 响应：OK

// 4. 连接WiFi（替换为自己的WiFi名称和密码）
AT+CWJAP="WiFi名称","WiFi密码"
// 响应：WIFI CONNECTED + WIFI GOT IP 表示连接成功

// 5. 开启多连接模式
AT+CIPMUX=1
// 响应：OK

// 6. 设置MQTT服务器（替换为自己的MQTT服务器IP和端口，默认1883）
AT+MQTTUSERCFG=0,1,"NULL","用户名","密码",0,0,""
// 说明：0为连接号，1为MQTT版本，NULL为客户端ID，后接用户名密码（无则填""）

// 7. 连接MQTT服务器（替换为服务器IP）
AT+MQTTCONN=0,"MQTT服务器IP",1883,1
// 响应：MQTTCONN:0,1 表示连接成功

// 8. 订阅控制主题（用于接收STM32控制指令）
AT+MQTTSUB=0,"stm32/control",1
// 说明：0为连接号，stm32/control为订阅主题，1为QoS等级

// 9. 发布测试数据（验证发布功能）
AT+MQTTPUB=0,"stm32/data","test",0,0
// 说明：0为连接号，stm32/data为发布主题，test为数据，0为QoS，0为保留位

四、STM32程序开发（Keil MDK）

4.1 新建Keil工程

4.2 工程文件结构

STM32_MQTT_Project/
├── Core/
│ ├── startup_stm32f10x_md.s
│ ├── stm32f10x_conf.h
│ ├── stm32f10x_it.c
│ ├── stm32f10x_it.h
├── Drivers/
│ ├── DHT11/
│ │ ├── dht11.c
│ │ ├── dht11.h
│ ├── ESP8266/
│ │ ├── esp8266.c
│ │ ├── esp8266.h
│ ├── LED/
│ │ ├── led.c
│ │ ├── led.h
│ ├── USART/
│ │ ├── usart.c
│ │ ├── usart.h
├── main.c
├── main.h
└── STM32F10x_StdPeriph_Driver/（固件库文件）

4.3 核心代码实现

4.3.1 文件1：usart.c（串口驱动，用于和ESP8266通信）

#include "usart.h"
#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>

// 串口接收缓冲区
u8 USART1_RX_BUF[USART1_REC_LEN];
// 接收状态标记
u16 USART1_RX_STA = 0;

/**
* @brief 初始化USART1串口
* @param bound: 波特率
* @retval 无
*/
void USART1_Init(u32 bound)
{
// 1. 开启时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

// 2. 配置GPIO引脚
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
// TX引脚（PA9）推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

// RX引脚（PA10）浮空输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

// 3. 配置USART参数
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound;
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);

// 4. 配置串口中断
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

// 5. 开启串口和接收中断
USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);
USART_Cmd(USART1, ENABLE);
}

/**
* @brief USART1中断服务函数
* @param 无
* @retval 无
*/
void USART1_IRQHandler(void)
{
u8 res;
if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
{
res = USART_ReceiveData(USART1); // 读取接收到的数据

// 接收状态判断：未完成接收且未溢出
if((USART1_RX_STA & 0x8000) == 0)
{
// 接收到第一个字节
if(USART1_RX_STA & 0x4000)
{
if(res != 0x0A) // 不是换行符
{
USART1_RX_BUF[USART1_RX_STA & 0x3FFF] = res;
USART1_RX_STA++;
// 接收缓冲区溢出保护
if(USART1_RX_STA > (USART1_REC_LEN – 1))
{
USART1_RX_STA = 0; // 重置接收状态
}
}
else // 接收到换行符，接收完成
{
USART1_RX_STA |= 0x8000; // 标记接收完成
}
}
else // 等待接收回车符
{
if(res == 0x0D)
{
USART1_RX_STA |= 0x4000; // 标记接收到回车符
}
}
}
USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE); // 清除中断标志
}
}

/**
* @brief 串口发送一个字节
* @param data: 要发送的字节
* @retval 无
*/
void USART1_SendByte(u8 data)
{
USART_SendData(USART1, data);
// 等待发送完成
while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

/**
* @brief 串口发送字符串
* @param str: 要发送的字符串
* @retval 无
*/
void USART1_SendString(u8 *str)
{
while(*str != '\\0')
{
USART1_SendByte(*str);
str++;
}
// 等待所有数据发送完成
while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);
}

// 重定向printf到USART1
int fputc(int ch, FILE *f)
{
USART_SendData(USART1, (u8)ch);
while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);
return ch;
}

4.3.2 文件2：usart.h（串口头文件）

#ifndef __USART_H
#define __USART_H

#include "stm32f10x.h"

// 串口接收缓冲区长度
#define USART1_REC_LEN 200

// 类型定义
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned short u16;
typedef unsigned int u32;

// 全局变量声明
extern u8 USART1_RX_BUF[USART1_REC_LEN];
extern u16 USART1_RX_STA;

// 函数声明
void USART1_Init(u32 bound);
void USART1_SendByte(u8 data);
void USART1_SendString(u8 *str);

#endif

4.3.3 文件3：dht11.c（DHT11温湿度传感器驱动）

#include "dht11.h"
#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h" // 需要自行添加延时函数库

// 定义DHT11数据引脚
#define DHT11_PIN GPIO_Pin_0
#define DHT11_PORT GPIOB

/**
* @brief DHT11引脚初始化（输出模式）
* @param 无
* @retval 无
*/
void DHT11_Mode_Out_PP(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DHT11_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(DHT11_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

/**
* @brief DHT11引脚初始化（输入模式）
* @param 无
* @retval 无
*/
void DHT11_Mode_IN_FLOATING(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DHT11_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(DHT11_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

/**
* @brief 复位DHT11传感器
* @param 无
* @retval 无
*/
void DHT11_Rst(void)
{
DHT11_Mode_Out_PP(); // 设置为输出模式
DHT11_DQ_OUT=0; // 拉低引脚
delay_ms(20); // 拉低至少18ms
DHT11_DQ_OUT=1; // 释放引脚
delay_us(30); // 拉高20-40us
}

/**
* @brief 等待DHT11响应
* @param 无
* @retval 0: 响应成功 1: 响应失败
*/
u8 DHT11_Check(void)
{
u8 retry=0;
DHT11_Mode_IN_FLOATING(); // 设置为输入模式
while(DHT11_DQ_IN && retry<100) // 等待DHT11拉低
{
retry++;
delay_us(1);
}
if(retry>=100) return 1; // 无响应
else retry=0;

while(!DHT11_DQ_IN && retry<100) // 等待DHT11拉高
{
retry++;
delay_us(1);
}
if(retry>=100) return 1; // 响应超时
return 0; // 响应成功
}

/**
* @brief 从DHT11读取一个位
* @param 无
* @retval 读取到的位值
*/
u8 DHT11_Read_Bit(void)
{
u8 retry=0;
while(DHT11_DQ_IN && retry<100) // 等待引脚拉低
{
retry++;
delay_us(1);
}
retry=0;
while(!DHT11_DQ_IN && retry<100) // 等待引脚拉高
{
retry++;
delay_us(1);
}
delay_us(40); // 等待40us
if(DHT11_DQ_IN) return 1; // 高电平表示1
else return 0; // 低电平表示0
}

/**
* @brief 从DHT11读取一个字节
* @param 无
* @retval 读取到的字节值
*/
u8 DHT11_Read_Byte(void)
{
u8 i,dat=0;
for(i=0;i<8;i++)
{
dat<<=1;
dat|=DHT11_Read_Bit();
}
return dat;
}

/**
* @brief 读取DHT11温湿度数据
* @param temp: 温度值指针
* @param humi: 湿度值指针
* @retval 0: 读取成功 1: 读取失败
*/
u8 DHT11_Read_Data(u8 *temp, u8 *humi)
{
u8 buf[5];
u8 i;
DHT11_Rst(); // 复位传感器
if(DHT11_Check()==0) // 响应成功
{
for(i=0;i<5;i++) // 读取40位数据
{
buf[i]=DHT11_Read_Byte();
}
// 校验数据
if((buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3])==buf[4])
{
*humi=buf[0]; // 湿度整数部分
*temp=buf[2]; // 温度整数部分
}
return 0;
}
else
{
return 1; // 读取失败
}
}

/**
* @brief DHT11初始化
* @param 无
* @retval 0: 初始化成功 1: 初始化失败
*/
u8 DHT11_Init(void)
{
DHT11_Rst();
return DHT11_Check();
}

4.3.4 文件4：dht11.h（DHT11头文件）

#ifndef __DHT11_H
#define __DHT11_H

#include "stm32f10x.h"

// 引脚操作宏定义
#define DHT11_DQ_OUT PBout(0) // 输出
#define DHT11_DQ_IN PBin(0) // 输入

// 函数声明
u8 DHT11_Init(void);
u8 DHT11_Read_Data(u8 *temp, u8 *humi);
u8 DHT11_Read_Byte(void);
u8 DHT11_Read_Bit(void);
void DHT11_Rst(void);
u8 DHT11_Check(void);

#endif

4.3.5 文件5：led.c（LED驱动）

#include "led.h"
#include "stm32f10x.h"

/**
* @brief LED初始化
* @param 无
* @retval 无
*/
void LED_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
// 开启GPIOB时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

// 配置PB1引脚为推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

// 初始状态：LED熄灭
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1);
}

/**
* @brief LED亮
* @param 无
* @retval 无
*/
void LED_ON(void)
{
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1);
}

/**
* @brief LED灭
* @param 无
* @retval 无
*/
void LED_OFF(void)
{
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1);
}

/**
* @brief LED状态翻转
* @param 无
* @retval 无
*/
void LED_Toggle(void)
{
if(GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0)
{
LED_OFF();
}
else
{
LED_ON();
}
}

4.3.6 文件6：led.h（LED头文件）

#ifndef __LED_H
#define __LED_H

#include "stm32f10x.h"

// 函数声明
void LED_Init(void);
void LED_ON(void);
void LED_OFF(void);
void LED_Toggle(void);

#endif

4.3.7 文件7：esp8266.c（ESP8266 MQTT通信驱动）

#include "esp8266.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include <string.h>

// MQTT配置参数（替换为自己的参数）
#define MQTT_SERVER "192.168.1.100" // MQTT服务器IP
#define MQTT_PORT "1883" // MQTT端口
#define WIFI_SSID "YourWiFiName" // WiFi名称
#define WIFI_PWD "YourWiFiPassword" // WiFi密码
#define MQTT_TOPIC_DATA "stm32/data" // 发布数据主题
#define MQTT_TOPIC_CTRL "stm32/control" // 订阅控制主题

/**
* @brief 向ESP8266发送AT指令并等待响应
* @param cmd: 要发送的指令
* @param res: 期望的响应
* @param time: 等待时间（ms）
* @retval 0: 响应成功 1: 响应失败
*/
u8 ESP8266_SendATCmd(u8 *cmd, u8 *res, u16 time)
{
u8 flag = 0;
USART1_RX_STA = 0; // 清空接收状态
USART1_SendString(cmd); // 发送指令
delay_ms(time); // 等待响应

// 查找响应字符串
if(strstr((char*)USART1_RX_BUF, (char*)res) != NULL)
{
flag = 0;
}
else
{
flag = 1;
}
return flag;
}

/**
* @brief ESP8266初始化（连接WiFi和MQTT服务器）
* @param 无
* @retval 0: 初始化成功 1: 初始化失败
*/
u8 ESP8266_Init(void)
{
delay_ms(1000); // 等待ESP8266上电稳定

// 1. 测试AT指令
if(ESP8266_SendATCmd("AT\\r\\n", "OK", 500))
{
return 1; // AT指令测试失败
}
delay_ms(200);

// 2. 恢复出厂设置
ESP8266_SendATCmd("AT+RESTORE\\r\\n", "OK", 1000);
delay_ms(1000);

// 3. 设置STA模式
if(ESP8266_SendATCmd("AT+CWMODE=1\\r\\n", "OK", 500))
{
return 1; // 设置模式失败
}
delay_ms(200);

// 4. 连接WiFi
u8 cmd[64];
sprintf((char*)cmd, "AT+CWJAP=\\"%s\\",\\"%s\\"\\r\\n", WIFI_SSID, WIFI_PWD);
if(ESP8266_SendATCmd(cmd, "GOT IP", 5000))
{
return 1; // WiFi连接失败
}
delay_ms(1000);

// 5. 开启多连接
if(ESP8266_SendATCmd("AT+CIPMUX=1\\r\\n", "OK", 500))
{
return 1;
}
delay_ms(200);

// 6. 配置MQTT用户参数
if(ESP8266_SendATCmd("AT+MQTTUSERCFG=0,1,\\"NULL\\",\\"\\",\\"\\",0,0,\\"\\"\\r\\n", "OK", 1000))
{
return 1;
}
delay_ms(200);

// 7. 连接MQTT服务器
sprintf((char*)cmd, "AT+MQTTCONN=0,\\"%s\\",%s,1\\r\\n", MQTT_SERVER, MQTT_PORT);
if(ESP8266_SendATCmd(cmd, "CONN", 2000))
{
return 1; // MQTT连接失败
}
delay_ms(200);

// 8. 订阅控制主题
sprintf((char*)cmd, "AT+MQTTSUB=0,\\"%s\\",1\\r\\n", MQTT_TOPIC_CTRL);
if(ESP8266_SendATCmd(cmd, "SUB", 1000))
{
return 1; // 订阅失败
}
delay_ms(200);

return 0; // 初始化成功
}

/**
* @brief 通过MQTT发布温湿度数据
* @param temp: 温度值
* @param humi: 湿度值
* @retval 0: 发布成功 1: 发布失败
*/
u8 ESP8266_MQTT_Publish(u8 temp, u8 humi)
{
u8 cmd[128];
u8 data[32];

// 格式化温湿度数据
sprintf((char*)data, "Temp:%d°C,Humi:%d%%", temp, humi);

// 构建发布指令
sprintf((char*)cmd, "AT+MQTTPUB=0,\\"%s\\",\\"%s\\",0,0\\r\\n", MQTT_TOPIC_DATA, data);

// 发送发布指令
if(ESP8266_SendATCmd(cmd, "PUB", 1000))
{
return 1; // 发布失败
}
return 0;
}

/**
* @brief 解析ESP8266接收到的MQTT控制指令
* @param 无
* @retval 0: 无指令 1: 开灯指令 2: 关灯指令
*/
u8 ESP8266_Parse_Cmd(void)
{
u8 cmd = 0;
// 检查是否接收到控制指令
if(USART1_RX_STA & 0x8000) // 接收完成
{
// 查找开灯指令
if(strstr((char*)USART1_RX_BUF, "ON") != NULL)
{
cmd = 1;
}
// 查找关灯指令
else if(strstr((char*)USART1_RX_BUF, "OFF") != NULL)
{
cmd = 2;
}
USART1_RX_STA = 0; // 清空接收状态
}
return cmd;
}

4.3.8 文件8：esp8266.h（ESP8266头文件）

#ifndef __ESP8266_H
#define __ESP8266_H

#include "usart.h"

// 函数声明
u8 ESP8266_Init(void);
u8 ESP8266_SendATCmd(u8 *cmd, u8 *res, u16 time);
u8 ESP8266_MQTT_Publish(u8 temp, u8 humi);
u8 ESP8266_Parse_Cmd(void);

#endif

4.3.9 文件9：main.c（主函数）

#include "stm32f10x.h"
#include "usart.h"
#include "dht11.h"
#include "led.h"
#include "esp8266.h"
#include "delay.h"

int main(void)
{
u8 temp = 0; // 温度值
u8 humi = 0; // 湿度值
u8 esp_status = 0; // ESP8266状态
u8 cmd = 0; // 控制指令

// 1. 初始化外设
delay_init(); // 延时初始化
USART1_Init(115200); // 串口1初始化（115200波特率）
LED_Init(); // LED初始化
DHT11_Init(); // DHT11初始化

// 2. 初始化ESP8266（连接WiFi和MQTT服务器）
esp_status = ESP8266_Init();
if(esp_status == 0)
{
printf("ESP8266 MQTT Init OK!\\r\\n");
}
else
{
printf("ESP8266 MQTT Init Error!\\r\\n");
}

// 3. 主循环
while(1)
{
// 3.1 读取温湿度数据
if(DHT11_Read_Data(&temp, &humi) == 0)
{
printf("Temp: %d°C, Humi: %d%%\\r\\n", temp, humi);

// 3.2 发布温湿度数据到MQTT服务器
if(ESP8266_MQTT_Publish(temp, humi) == 0)
{
printf("MQTT Publish OK!\\r\\n");
}
else
{
printf("MQTT Publish Error!\\r\\n");
}
}
else
{
printf("DHT11 Read Error!\\r\\n");
}

// 3.3 解析MQTT控制指令
cmd = ESP8266_Parse_Cmd();
switch(cmd)
{
case 1: // 开灯指令
LED_ON();
printf("LED ON!\\r\\n");
break;
case 2: // 关灯指令
LED_OFF();
printf("LED OFF!\\r\\n");
break;
default:
break;
}

// 3.4 延时5秒
delay_ms(5000);
}
}

4.4 编译下载程序

五、MQTT服务器部署与测试

5.1 本地部署EMQ X服务器

5.2 测试MQTT通信

六、故障排查

6.1 ESP8266无法连接WiFi

6.2 DHT11读取数据失败

6.3 MQTT发布数据失败

七、功能扩展建议

总结