MQTT协议深度应用：Air780E模组AT指令的创新实践

今天我讲解的是关于4G模组AT指令之MQTT应用，有兴趣的朋友可以阅读本文深度学习。

一、MQTT 协议简介

1.1 MQTT 概述

MQTT 是一种轻量级的消息传输协议，旨在在物联网（IoT）应用中实现设备间的可靠通信。它使用发布-订阅模式，其中包括一个 MQTT 服务端（代理或服务器）和多个 MQTT 客户端之间的通信。

MQTT 协议具有以下特点：

轻量级：MQTT 协议设计简单，协议头部开销小，适用于资源受限的设备和网络。

低带宽消耗：MQTT 采用二进制编码，有效地利用网络带宽。

异步通信：客户端可以随时发布和订阅消息，无需等待对方的响应。

发布-订阅模式：消息发布者将消息发布到特定的主题，而订阅者则订阅感兴趣的主题。这种模式支持松耦合的通信和灵活的消息传递。

1.2 MQTT 协议中重要名词

username用户名，password 密码，clientid 用户标识，mqtt 可以通过前两个参数保证连接的安全，通过 clientid 确保设备唯一性。

qos 消息质量，分为 0，1，2 三个等级，分别表示只发一次，至少收到一次和只收到一次，通过 qos 可以根据数据的重要性灵活选择发送方式以节省带宽和保证数据可靠。例如不重要的数据采集可使用 qos0 只发一次不关心服务器是否收到，重要的消息通过 qos1 确保能收到，付款信息危险设备开关等场景使用 qos2 保证数据到达的同时且不重复。

host 主机，port 端口，mqtt 需要连接的服务器参数。host 可以说 ip 或者域名。

topic 主题，根据主题区别消息类型和来源，主要用来分类数据。同时 mqtt 是发布订阅模型，topic 是发布和订阅者通信的重要通道。

payload 消息内容，发布和订阅的具体数据。

retain 保留消息，保留消息是一条将保留标志（retained flag）置为 true 的普通 MQTT 消息。broker 会针对主题依照 QoS 级别保留最后一条保留消息，当订阅者订阅主题时会立即收到保留消息。broker 仅为每个主题保留一条保留消息。

二、本教程实现的功能概述

本文教你4G 模组使用 AT 命令连接 MQTT 服务器，实现模组和服务器之间数据的双向传输！

本教程实现的功能定义是：

1、准备一个 MQTT 服务器;

2、4G 模组插卡开机后，连接上 MQTT 服务器,订阅一个消息/mqtt/pub;

3、使用 MQTT 协议的 PC 工具（本篇演示时使用的是 mqttx），用工具连接 mqtt 服务器,同时订阅消息/mqtt/sub;

4、4G 模组向工具订阅的消息/mqtt/sub 发布消息 data from 4G module，工具可以接收到并显示出来；

5、工具向 4G 模组订阅的消息/mqtt/pub发布消息data from tcp server，模组可以接收到数据并通过串口输出显示

6、演示加密 mqtt 通信流程7、演示专网卡和设置 apn 等特殊情况连接 mqtt 服务器

三、准备硬件环境

在正式介绍本功能示例之前，需要先准备好以下硬件环境。

3.1 Air780E开发板

使用的开发板是 Air780E 核心板，

此核心板的详细使用说明参考：

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

此核心板的详细使用说明参考：Air780E 产品手册公用产品资料 - 模组资料中心 (openluat.com)中的 << 开发板 Core_Air780E 使用说明 VX.X.X.pdf>>，写这篇文章时最新版本的使用说明为：20240419155721583_开发板Core_Air780E使用说明V1.0.5.pdf (vue2.cn)；核心板使用过程中遇到任何问题，可以直接参考这份使用说明 pdf 文档。

3.2 SIM卡

准备一张可以上网的 SIM 卡，可以是物联网卡，也可以是自己的手机卡；注意：SIM 卡不能欠费，可以正常上网！！！

3.3 PC电脑

准备一台电脑；注意：电脑有 USB 口，并且可以正常上网！！！

3.4 数据通信线

准备一根数据线，此数据线的作用是，连接 Air780E 开发板和 PC 电脑，通过 AT 命令完成业务逻辑的控制和交互；有两种数据线可以使用，二选一即可；第一种数据线是 USB 数据线（连接 Air780E 开板的一段是 Type-C 接口），一般来说这种数据线如下图所示：

普通的手机 USB 数据线一般都可以直接使用；第二种数据线是 USB 转 TTL 串口线，一般来说这种数据线如下图所示：

在本教程中，使用的是第一种 USB 数据线。

3.5 组装硬件环境

按照 SIM 卡槽上的插入方向，插入 SIM 卡，注意不要插反！如下图所示，将 SIM 卡用力推入卡槽，听到咔嚓声音后即可。

USB 数据线，连接电脑和 Air780E 开发板，如下图所示

：

四、准备软件环境

在正式使用之前，需要安装装备好以下软件。

4.1 Luatools 工具

要想烧录 AT 固件到4G模组中，需要用到的调试工具：Luatools详细使用说明参考：

Luatools 工具使用说明：
https://docs.openluat.com/Luatools/

4.2 AT 固件

4G 模组中必须烧录正确的 AT 固件才能支持 AT 命令功能；通过 Luatools 可以烧录 AT 固件；有两种方式可以获取到 Air780E 模组的最新 AT 固件，二选一即可。

第一种方式是通过 Luatools 获取：
如下图所示，可以直接选中最新版本的 AT 固件：

第二种方式是访问：

Air780E 固件版本，找到最新版本的固件即可。

4.3 MQTT 测试服务器

为了方便测试，提供了免费的不可商用的 MQTT 测试服务器；

ssl 加密链接所需要的证书文件：mqttcerts.zip

4.4 PC 端串口工具

在量产的项目硬件设计中，一般都是由主控 MCU 通过 UART 给 4G 模组发送命令实现具体的业务逻辑；在本教程中，为了测试方便，没有使用主控 MCU；而是使用了 PC 电脑上的一个串口工具 SSCOM 给 4G 模组发送命令来实现演示功能。

4.5 mqttx 工具下载

MQTTX 是一款功能强大的 MQTT 客户端应用，专为物联网 (IoT) 和消息传递设计。它提供了直观的用户界面，支持多种连接配置，方便用户进行设备的快速连接、消息发布与订阅，以及数据监控与管理。安装教程可参考这篇文章：MQTTX 下载使用详解

五、MQTT 相关指令

复制链接查看4G模组MQTT指令：https://docs.openluat.com/air780e/at/app/at_command/#mqtt

六、使用方法举例

6.1 确认开发板正常开机并联网正常

本次教程所用固件版本是 v1169，通过 luatools 烧录过固件后可以通过打印来判断设备情况，具体参考下图：

6.2 普通不带证书使用流程举例

下面演示及普通连接流程，并进行收发测试。查看流程时需要注意指令后面注释的内容，有助于理解指令具体作用

可以通过工具看到模组正常上报了数据，服务器下发模组也能正常收到并通过串口打印出来：

6.3 SSL 带证书单向认证流程举例

MQTT 单向认证加密是指，在 MQTT 通信中仅服务端验证客户端身份，以此确保通信数据的安全传输。下面演示单向认证加密连接的流程，并进行收发测试本次测试需要准备好单向认证的加密证书，如果使用的是合宙测试服务器的话需要下载上面服务器信息除的加密证书文件。如图所示：

工具选择加密端口，同时配置 ca 证书文件，具体如图所示：

单向认证测试流程如下：

模组与服务器交互过程通过工具监控如图：

6.4 SSL 带证书双向认证流程举例

MQTT 协议双向认证加密是指客户端和服务器在通信时都使用数字证书进行身份验证，并使用 TLS 协议对通信数据进行加密，确保数据的机密性和完整性。下面演示双向认证加密连接的流程，并进行收发测试所需证书文件如图所示：

工具配置加密证书如图：

双向认证测试流程：

交互日志如下：

七、APN 设置与专网卡

用户根据自己使用的网络类型来区分，sim 卡可以分为公网卡和专网卡两种；对于如何判断自己手里的 sim 卡是公网卡还是专网卡可以通过下面两种办法区分：

咨询sim卡供应商；

如果有apn账号、或者有密码、或者有加密类型，则可以认为是专网卡。

对于公网卡和专网卡设置和查询有不同的指令，合宙 780E 4G 模组设置和查询 APN 相关指令可以参考下图：

APN 及专网卡常见问题1、模块如何设置 APN

1）如果是公网SIM卡，不需要用户主动设置APN，软件自动去网络端查询APN进行设置。

2）如果是专网SIM卡，首先咨询SIM卡提供商APN参数，然后通过AT+CPNETAPN=mode,“apnname”,“user”,“pwd”,authmoded进行专网卡的参数设置。

2、专网卡连接服务器失败

1）有的专网卡没设置APN的情况下也能激活PDP，但是不能连专网卡指定的服务器，或者开机后模块没自动激活PDP，这个时候参考1，检查APN参数是否设置正确。

2）如果有其他厂家的模块，对比测试下是否连接正常。

3）如果无法百分百保证服务器配置没问题，最好在服务器端用wireshark抓包，或者在服务器上安装一个第三方工具，开启一个服务器端口来对比测试。

4）用定向Ip的物联网卡，需要把域名或IP加入白名单才能使用。

3、专网卡访问白名单 用定向 IP 的物联网卡，需要把域名或 IP 加入白名单才能使用，下面列出模块会访问的域名或 IP 服务器。

八、常见问题和注意事项

8.1 注意事项

1、发送 MIPSTART 命令后，收到 OK 仅仅表示 4G 模块开始处理这条命令，并不表示 TCP 已经连接成功；只有收到 CONNECT OK 才是成功的应答；2、发送 MCONNECT 命令后，收到 OK 仅仅表示 4G 模块开始处理这条命令，并不表示 MQTT 已经连接成功；只有收到 CONNACK OK 才是成功的应答；3、发送 MSUB 命令后，收到 OK 仅仅表示 4G 模块开始处理这条命令，并不表示 MQTT 已经订阅成功；只有收到 SUBACK 才是成功的应答；4、发送 MPUB 命令后，如果 QOS 不是 0，则收到 OK 仅仅表示 4G 模块开始处理这条命令，并不表示 MQTT 已经发布成功；只有收到 PUBACK（QOS 为 1 时）或者 PUBCOMP（QOS 为 2 时）才是成功的应答；

8.2 常见问题

1、780E 支持的 MQTT 版本

MQTT3.1.1

2、连接服务器失败

1、检查下模块信号、网络注册、网络附着、PDP激活状态。

2、检查下SIM卡是否欠费【4G模块有一种欠费表现：无法注册4G网络，可以注册2G网络】。

3、使用mqtt.fx，连接服务器确认一下是否可以连接成功，排除服务器故障。

4、部分国外的开源项目提供免费的MQTT代理服务器，因为网络的原因，国内存在严重的延迟或者丢包现象，导致程序运行出现问题。

5、确认是不是域名解析失败导致，可以通过AT+CDNSGIP=确认一下域名是否能正常解析（注意：该命令只有在执行完at+cstt、at+ciicr、at+cifsr后才能正常工作），不能正常解析，可以通过AT+CDNSCFG=ip1,ip2设置域名解析服务器。

6、在 MIPSTART /SSLMIPSTART返 回 CONNECT OK后 才 能 发 MCONNECT命令，而且要立即发，否则会被服务器踢掉。

3、频繁掉线是什么原因

1、检查下是否存在代码逻辑错误，导致异常。

2、检查下是否不断重启，导致异常。

3、检查下服务器网络是否稳定，不要用内网穿透方式搭建服务器。

4、检查下使用环境是否网络覆盖不好，例如车库、地下、电梯、山区等。

5、检查下模块信号、网络注册、网络附着、PDP激活状态。

6、排查是否为设备天线问题：发出来设备的天线调试指标参数给合宙技术支持人员；曾经有一个客户天线指标明显有问题，导致10几个小时出现30次左右掉线；后来重新调试天线之后，40个小时出现几次掉线。7、如果经常出现连接被动断开：

1) 检查下mqtt keep alive的时间，一般建议使用2分钟【如果每2分钟内都有应用数据收发，则可以把mqtt keep alive的时间设置的长一点儿】，除非有强制要求，否则不能太长，也不能太短。不建议超过4分钟，基站策略会关闭长时间没有数据传输的连接，太长时间可能会导致连接被基站关闭；不建议少于1分钟，太短时间可能会因为网络环境波动导致上行数据发送超时，可能超过1.5倍的心跳时间，从而被服务器主动断开连接。

2) 检查下是否在1.5倍的mqtt keep alive的时间，没有成功发送数据到服务器，就会被被服务器主动断开，这种情况一般都是发送数据超时引起的。

8、如果要降低掉线率，可通过如下方式设置【注意：在网络环境不变的情况下，降低掉线率意味着会增加响应延时】A. mqtt keep alive的时间，一般建议使用2分钟【如果每2分钟内都有应用数据收发，则可以把mqtt keep alive的时间设置的长一点儿】，除非有强制要求，否则不能太长，也不能太短。不建议超过4分钟，基站策略会关闭长时间没有数据传输的连接，太长时间可能会导致连接被基站关闭；不建议少于1分钟，太短时间可能会因为网络环境波动导致上行数据发送超时，可能超过1.5倍的心跳时间，从而被服务器主动断开连接。

B. 减少Qos1和Qos2的publish使用，允许的话建议都使用Qos0。

4、有没有认证机制

有，每个设备有clientid、username、password。

5、client id 是否允许重复

不允许重复，重复的话，服务器会踢掉上一个相同id的设备。

6、Qos0、1、2 如何选择

应用允许的情况下，建议使用Qos0，Qos1和Qos2会加重网络负担，在网络拥堵和较差的情况下，数据传输的次数越多，掉线的概率就会越高。

7、是否支持 ssl

支持证书配置，支持单向认证和双向认证

支持如下六种加密套件：

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

参考上面流程或者翻阅AT手册，如果SSL的参数配置不变，则每次开机运行过程中，仅设置一次即可

9、为什么 mqtt ssl 访问失败

1、检查服务器是否支持模块支持的加密套件。

2、发日志文件给合宙技术支持人员分析。

10、MQTT 支持多连接吗

目前MQTT仅支持单连接，不支持多连接。

11、MQTT 的遗嘱如何使用

通过AT+MCONFIG命令可以设置遗嘱的qos、retain标志、topic、payload；在如下几种（包含但是又不仅限于如下情况）情况下，服务器会主动发布遗嘱消息到订阅的客户端：1、模块和服务器通信异常（例如模块突然关机、模块进入了一个没有网络信号的环境等）超过1.5倍（一般是1.5倍，但不排除服务器可以修改这个时间）的 keep alive时间（可以通过AT+MCONNECT设置keep alive时间）。2、模块主动执行AT+MDISCONNECT或者AT+MIPCLOSE。

12、MPUB 命令中，payload 包含"如何发送？

1、消息中内嵌的双引号请用22 表达；控制字符回车r(0x0D) 请用D 表达；；控制字符换行n（0x0A ）请用A 表达 ；控制字符反斜杠 （0x5C ） 请用5C表达。2、如果是 MCU 发消息，可能需要用\22 ，\0D ，\0A ，\5C 来表达，即 需要转义成\ 。

13、重试多次 PDP，MQTT 应用一直连接失败

如果重试多次PDP激活，PDP一直激活失败，或者MQTT一直连接失败，则尝试使用如下手段恢复：1、使用RESET引脚复位模块。2、极端情况下，直接给模块断电，再上电，POWER KEY引脚拉低开机。

14、数据接收缓存问题

可通过AT+MQTTMSGSET命令设置是否缓存，详情参考AT手册。1、不缓存：通过AT+MQTTMSGSET=0设置；收到订阅的publish报文后，立即通过AT口输出主题、payload长度、payload内容，每个报文中支持的payload内容最长1360字节。2、内存缓存：通过AT+MQTTMSGSET=1设置；内存中有一个缓存表，最多支持缓存4条publish报文；收到订阅的publish报文后，插入缓冲表中的空闲位置，然后通过AT口输出存储位置；缓存表满之后，新收到的publish报文会覆盖最旧的publish报文。

注意：缓存表位于内存中，断电或者重启后，缓存表中的数据会被清空；建议收到数据时，通过AT+MQTTMSGGET及时读取出来，以防缓冲区满覆盖丢失数据。

15、数据发送问题

AT+MPUB最大publish 2384字节，AT+MPUBEX长度取值范围1-4100。

审核编辑 黄宇