STM32 FreeRTOS + LwIP 集成实践：基于 MQTT 的通信示例

STM32 FreeRTOS + LwIP 集成实践：基于 MQTT 的通信示例 - 实践

news/2025/9/22 9:57:43/文章来源:https://www.cnblogs.com/yfceshi/p/19104621

1. LWIP简介

一个轻量级 TCP/IP 协议栈搭建，最初由 Adam Dunkels 在瑞典计算机科学研究所（CNA 实验室）编写，目前由 Simon Goldschmidt 和 Dirk Ziegelmeier 领导的全球编写团队持续维护就是LWIP（Lightweight IP）

1.1 重要特点

轻量级设计：优化 RAM 占用（可在几十 KB 内存中运行），代码占用约 40 KB ROM。
开源免费：采用 BSD 风格许可，C 源码形式提供。
多平台承受：可移植到多种 MCU、嵌入式平台，也可在有或无操作系统的环境下运行。
协议完整：支持 IP、ICMP、IGMP、UDP（含 UDP-lite）、TCP（含拥塞控制、RTT 估算、快速恢复/快速重传）、ARP、PPP 等。
网络服务帮助：可选 DNS、DHCP、AUTOIP、SNMP 等功能。
接口灵活：供应原生 Raw API、可选 Berkeley-style Socket API，兼顾性能和易用性。

1.2 应用场景

IoT 设备（智能家居、传感器网关）
工业控制系统
网络摄像头、音视频传输设备
车载信息娱乐系统

2. 在 FreeRTOS 中集成 LwIP 并完成 MQTT 通信

2.1 工具准备

MQTTX：桌面版 MQTT 客户端，操作方便，适合测试。
MQTT Broker：使用 broker.emqx.io (EMQX 团队提供的一个公共 MQTT Broker 服务，主要用于学习、测试和验证 MQTT 协议的功能)。

2.2 目标

经过 STM32 开发板发送 MQTT 消息到 Broker，并使用桌面客户端接收消息。

2.3 工程配置

1. 开始参考这篇博文创建一个 FreeRTOS 工程：STM32 FreeRTOS工程创建

在此基础上进行以下修改：

接口选择
- 原工程接口为 CMSIS_V2，这里改为 CMSIS_V1。
- 测试发现，在 STM32F746 板子上选择 CMSIS_V1 时，LwIP 初始化才能正常运行。
启用 Counting Semaphore
- 打开 USE_COUNTING_SEMAPHORES，后续在代码中配置信号量时应该用到。

2.启用LWIP。

网络配置
- DHCP 默认可保持启用，这里为了测试网络连接，改用静态地址。
- 启用DNS模块。
- 配置 Ethernet PHY 驱动。

3. 配置 Ethernet 接口（参考开发板手册）。

4. 生成工程，并在 STM32CubeIDE 中打开。

2.4 添加MQTT任务

1. 在 main() 中删除自动生成的任务，改为调用 mqtt_setup()。

#include "lwip.h"
#include "mqtt.h"
#define HOST  "broker.emqx.io"              // MQTT 服务器域名
#define PORT  1883                          // MQTT 服务器端口
#define TOPIC "stm32f746g-disco/mqtt/test"  // 发布的主题
#define SIGNAL_CONNECTED 0x01               // MQTT 连接成功信号
#define SIGNAL_HOST_RESOLVED 0x02           // DNS 解析完成信号
// 定义并声明一个信号量，用于发布消息控制
osSemaphoreDef (publish_semaphore);
osSemaphoreId  (publish_semaphore_id);
static osThreadId mqtt_thread_id;
static ip_addr_t host_ip;
// MQTT 任务入口函数
void start_mqtt_task(void *argument);
// DNS 解析完成后的回调函数
void dns_found_callback(const char *name, ip_addr_t *ipaddr, void *arg)
{
if (ipaddr)
{
// 保存解析到的 IP 地址
host_ip = *ipaddr;
// 发送 DNS 解析完成信号，唤醒 MQTT 线程
osSignalSet(mqtt_thread_id, SIGNAL_HOST_RESOLVED);
}
}
// 创建 MQTT 任务
void mqtt_setup(){
osThreadDef(mqtt_task, start_mqtt_task, osPriorityNormal, 0, 1025);
mqtt_thread_id = osThreadCreate(osThread(mqtt_task), NULL);
}
// MQTT 连接回调函数
static void mqtt_connection_cb(mqtt_client_t *client, void *arg, mqtt_connection_status_t status)
{
if(status == MQTT_CONNECT_ACCEPTED) {
// 连接成功，发送信号通知任务
osSignalSet(mqtt_thread_id, SIGNAL_CONNECTED);
}
}
/* 发布消息完成后的回调（成功或失败都会调用） */
static void mqtt_pub_request_cb(void *arg, err_t result)
{
// 释放信号量，允许下一条消息发布
osSemaphoreRelease(publish_semaphore_id);
}
// MQTT 任务主体函数
void start_mqtt_task(void *argument)
{
/* 初始化 LwIP 网络协议栈 */
MX_LWIP_Init();
ip_addr_t dnsserver;
// 设置 DNS 服务器为 8.8.8.8
IP4_ADDR(&dnsserver,8,8,8,8);
dns_setserver(0, &dnsserver);
// 异步解析 MQTT 服务器域名
err_t result = dns_gethostbyname(HOST, &host_ip, dns_found_callback, NULL);
if(result == ERR_OK){
// 主机名已存在于本地缓存，解析立即成功
} else if (result == ERR_INPROGRESS){
// 向 DNS 服务器发送请求，等待解析完成信号
osSignalWait(SIGNAL_HOST_RESOLVED, osWaitForever);
} else{
// 解析失败，直接返回
return;
}
// 创建 MQTT 客户端对象
mqtt_client_t *client = mqtt_client_new();
// 配置 MQTT 客户端连接信息
struct mqtt_connect_client_info_t ci;
memset(&ci, 0, sizeof(ci));
ci.client_id = "lwip_mqtt_test"; // 客户端 ID
// 创建发布信号量，控制同时发布的消息数
publish_semaphore_id = osSemaphoreCreate(osSemaphore(publish_semaphore), MQTT_REQ_MAX_IN_FLIGHT);
// 建立与 MQTT 服务器的连接
mqtt_client_connect(client, &host_ip, PORT, mqtt_connection_cb, NULL, &ci);
char payload[100];
u8_t qos = 1; /* 0 1 or 2, see MQTT specification */
u8_t retain = 0; /* No don't retain such crappy payload... */
// 等待mqtt连接建立
osSignalWait(SIGNAL_CONNECTED, osWaitForever);
// 无限循环，持续发布消息
for(int i = 0; ;i++)
{
osSemaphoreWait(publish_semaphore_id, osWaitForever);
sprintf(payload, "Hello Woirld %d", i);
mqtt_publish(client, TOPIC, payload, strlen(payload), qos, retain, mqtt_pub_request_cb, NULL);
}
}

2. 整体逻辑概括

初始化网络栈 (LWIP)

调用 MX_LWIP_Init()，让 STM32 的网络功能（以太网 + TCP/IP 协议栈）启动。

DNS 域名解析
- 使用 dns_gethostbyname() 异步解析 broker.emqx.io 域名。
- 假如立即解析成功 (ERR_OK)，直接得到 IP 地址。
- 如果需要等待 (ERR_INPROGRESS)，就阻塞在 osSignalWait(SIGNAL_HOST_RESOLVED, osWaitForever)，等回调函数 - dns_found_callback 通知完毕。
MQTT 客户端连接
- 创建 MQTT 客户端 mqtt_client_new()。
- 配置客户端信息（如 client_id）。
- 调用 mqtt_client_connect() 发起连接，成功后由 mqtt_connection_cb() 回调函数通知。
- 任务里会等待 SIGNAL_CONNECTED 信号，确保连接成功后才进入发布循环。
发布消息循环
- 创建信号量 publish_semaphore，用于控制消息发布并发数量。
- 每次发布消息前，先 osSemaphoreWait()（等待可用 slot）。
- 调用 mqtt_publish() 发送消息。
- 消息发布结束后，回调函数 mqtt_pub_request_cb() 释放信号量 (osSemaphoreRelease())，允许下一条消息发送。
- 循环构造 "Hello World X" 消息并持续发布。

3. 关键同步机制

信号 (osSignal)
- SIGNAL_HOST_RESOLVED：DNS 解析做完后由回调设置 → 唤醒 MQTT 线程继续执行。
- SIGNAL_CONNECTED：MQTT 连接建立成功时设置 → 唤醒 MQTT 线程开始发布消息。
信号量 (osSemaphore)
- 控制并发的 MQTT 消息发布数（受 MQTT_REQ_MAX_IN_FLIGHT 限制）。
- 每次发布需要先 wait，完成后在回调里 release。
- 避免发送过快、超过协议栈处理能力。