MQTT发布与订阅

概述

本节涵盖 ESP32 与 Node-RED 之间的双向 MQTT 通信模式。学完本节后，你将能够：

从 ESP32 发布传感器数据到 MQTT 主题
订阅来自 Node-RED 的控制命令
实现双向通信（ESP32 → Node-RED、Node-RED → ESP32）
为你的项目设计有效的 MQTT 主题结构

前置条件

已在 ESP32 上配置 MQTT 客户端（01-11）
基础草图架构（01-12）
已配置 Node-RED MQTT 节点（或使用 MQTT Explorer 进行测试）

关键概念

发布-订阅模式

MQTT 通信有两个方向：

ESP32 → MQTT Broker → Node-RED：  "我有新的传感器数据"
       （ESP32 发布，Node-RED 订阅）

Node-RED → MQTT Broker → ESP32：  "打开 LED"
       （Node-RED 发布，ESP32 订阅）

这种模式将发送方和接收方解耦——它们无需知道彼此的地址，甚至无需同时在线。

ESP32 作为发布者

ESP32 发布其状态或传感器读取数据。MQTT 主题反映数据内容并遵循层级结构：

主题	载荷	频率
`factory/room01/temperature`	25.5	每 30 秒
`factory/room01/humidity`	65%	每 30 秒
`factory/device01/status`	”online”/“offline”	变化时
`factory/device01/button`	”pressed”	事件触发

ESP32 作为订阅者

ESP32 订阅携带命令或配置的主题：

主题	载荷（示例）	效果
`esp32/led/command`	”ON” / “OFF”	控制 LED 状态
`esp32/sensor/interval`	”10000”	更改传感器间隔
`esp32/config`	`{"threshold": 30}`	更新配置

实现步骤

步骤 1：ESP32 发布数据到 Node-RED

这是最常见的模式——ESP32 定期发送数据：

#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>

WiFiClient wifiClient;
PubSubClient client(wifiClient);

// 用于发布的 MQTT 主题
const char* dataTopic = "esp32/sensor/data";

void publishTemperature(float temperature) {
  char payload[50];
  snprintf(payload, sizeof(payload), "{\"temperature\": %.1f}", temperature);

  if (client.publish(dataTopic, payload)) {
    Serial.print("已发布到 ");
    Serial.print(dataTopic);
    Serial.print(": ");
    Serial.println(payload);
  } else {
    Serial.println("发布失败！");
  }
}

在 Node-RED 端，添加一个 MQTT In 节点，配置为订阅 esp32/sensor/data。将其连接到一个 Debug 节点以查看传入数据。

步骤 2：ESP32 订阅 Node-RED 命令

ESP32 在 setup() 中订阅命令主题：

void setup() {
  // ... Wi-Fi 连接 ...
  client.setServer(mqttServer, 1883);
  client.setCallback(callback);
  client.connect("esp32-device");

  // 订阅命令主题
  client.subscribe("esp32/control/led");
  client.subscribe("esp32/control/config");

  Serial.println("已订阅控制主题");
}

void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  String message = "";
  for (int i = 0; i < length; i++) {
    message += (char)payload[i];
  }

  String topicStr = String(topic);

  if (topicStr == "esp32/control/led") {
    if (message == "ON") {
      digitalWrite(2, HIGH);
      client.publish("esp32/status/led", "ON");
    } else if (message == "OFF") {
      digitalWrite(2, LOW);
      client.publish("esp32/status/led", "OFF");
    }
  }

  if (topicStr == "esp32/control/config") {
    // 解析 JSON 配置
    // 参见 01-13 JSON 解析
  }
}

步骤 3：双向通信示例

包含两个方向的完整示例：

#include <WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>

// 主题
const char* topicFromESP   = "esp32/sensor/data";    // ESP32 → Node-RED
const char* topicToESP     = "esp32/control/led";     // Node-RED → ESP32
const char* topicFeedback  = "esp32/status/led";      // ESP32 → Node-RED（确认）

WiFiClient wifiClient;
PubSubClient client(wifiClient);

// LED 状态
int ledPin = 2;
bool ledState = false;

// 定时
unsigned long lastPublish = 0;
const unsigned long PUBLISH_INTERVAL = 5000;

void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
  String message = "";
  for (int i = 0; i < length; i++) message += (char)payload[i];

  Serial.printf("收到 [%s]: %s\n", topic, message.c_str());

  if (String(topic) == topicToESP) {
    if (message == "ON") {
      ledState = true;
      digitalWrite(ledPin, HIGH);
      client.publish(topicFeedback, "LED_ON");
    } else if (message == "OFF") {
      ledState = false;
      digitalWrite(ledPin, LOW);
      client.publish(topicFeedback, "LED_OFF");
    }
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(ledPin, OUTPUT);

  WiFi.begin("SSID", "PASSWORD");
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) delay(500);

  client.setServer("192.168.1.100", 1883);
  client.setCallback(callback);

  while (!client.connect("esp32-bidirectional")) delay(1000);
  client.subscribe(topicToESP);

  Serial.println("MQTT 双向通信就绪");
}

void loop() {
  if (!client.connected()) {
    // 重连逻辑
  }
  client.loop();

  // 定期发布传感器数据（ESP32 → Node-RED）
  if (millis() - lastPublish >= PUBLISH_INTERVAL) {
    lastPublish = millis();

    // 模拟传感器数据
    char json[100];
    snprintf(json, sizeof(json),
      "{\"led\":%s,\"uptime\":%lu,\"rssi\":%ld}",
      ledState ? "true" : "false",
      millis() / 1000,
      WiFi.RSSI());

    client.publish(topicFromESP, json);
  }
}

步骤 4：Node-RED 端 — 接收数据

在 Node-RED 中，创建一个接收 ESP32 数据的流程：

[MQTT In: esp32/sensor/data] → [Function: 解析 JSON] → [Debug]
                               → [Function: 显示在仪表板]

MQTT In 节点配置：

服务器：你的 Mosquitto 代理
主题：esp32/sensor/data
输出：auto-detect 或 JSON

Function 节点提取值：

// msg.payload 来自 ESP32 的 JSON
let data = msg.payload;
node.warn(`温度: ${data.temperature}°C`);
node.warn(`湿度: ${data.humidity}%`);

// 转发到仪表板
return msg;

步骤 5：Node-RED 端 — 发送命令

向 ESP32 发送命令：

[Inject: ON] → [MQTT Out: esp32/control/led]
[Inject: OFF] → [MQTT Out: esp32/control/led]

或发送 JSON 命令：

[Inject: {"command":"LED_ON","value":1}] → [MQTT Out: esp32/control/config]

步骤 6：使用 MQTT Explorer 测试

在设置 Node-RED 之前，先用 MQTT Explorer 测试双向通信：

打开 MQTT Explorer
连接到代理（与 ESP32 相同的 IP）
在 esp32/sensor/data 上观察 ESP32 发布的数据
手动向 esp32/control/led 发布载荷 ON
观察 ESP32 LED 点亮
检查 esp32/status/led 上的确认消息

验证清单

ESP32 定期向 MQTT 主题发布数据
MQTT Explorer 显示已发布的消息
向控制主题发布 “ON” 点亮 LED
向控制主题发布 “OFF” 熄灭 LED
ESP32 发布反馈确认
Node-RED 接收并处理 ESP32 数据
Node-RED 命令被 ESP32 接收并执行

故障排查

ESP32 发布了但 Node-RED 未收到

原因：

ESP32 发布与 Node-RED 订阅的主题不匹配
Node-RED MQTT In 节点配置了错误的代理

解决方案：

验证主题字符串完全一致（区分大小写）
检查 Node-RED MQTT In 节点是否连接到相同的代理
使用 MQTT Explorer 作为独立验证工具

ESP32 已订阅但未响应命令

原因：

client.loop() 调用频率不足
未通过 setCallback() 注册回调函数
主题字符串比较失败

解决方案：

确保在每次 loop() 迭代中调用 client.loop()（不要在长延时内部）
验证已在 setup() 中调用 client.setCallback(callback)
将两个主题字符串打印到 Serial 以比较确切值
使用 String(topic) == "your/topic" 进行区分大小写的比较

ESP32 与 Node-RED 之间 LED 状态不同步

原因：Node-RED 不知道 ESP32 的初始 LED 状态。

解决方案：在 MQTT 连接时立即发布当前状态：

void connectToMQTT() {
  if (client.connect("esp32-device")) {
    // 发布当前状态
    client.publish("esp32/status/led", ledState ? "ON" : "OFF", true);
    client.subscribe("esp32/control/led");
  }
}

true 参数使其成为保留消息。

最佳实践

层级化设计主题：位置/设备/传感器 结构使过滤更容易
对状态使用保留消息：client.publish(topic, payload, true) — 代理保留最新值供后来订阅者使用
状态变更时发布确认：执行命令后，向状态主题发布新状态
包含状态心跳：定期发布运行时间或”仍在运行”消息
保持载荷小巧：JSON 没问题，但生产环境应避免不必要的空白
每个项目使用独特的主题结构：参见项目章节（02-14）了解特定主题设计

总结

双向 MQTT 涉及 ESP32 发布传感器数据和订阅命令
主题设计遵循层级结构：位置/设备/数据类型
ESP32 定期或事件触发时发布；启动时订阅命令主题
Node-RED 订阅 ESP32 数据主题并向 ESP32 命令主题发布
在设置 Node-RED 之前使用 MQTT Explorer 测试可简化调试
始终通过发布反馈消息来确认状态变更

MQTT发布与订阅