Mushroom Introduction

本文主要是介绍Mushroom Introduction，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

Mushroom Introduction

前言：本文主要介绍Mushroom系统底层各个模块，帮助读者尽快熟悉本系统。

1. 系统概述

main函数的设计思路是，一个main函数的主线程负责传感器数值的采集以及发送，同时单开一个用于控制器的控制线程。

在控制线程中，接收上层数据中心发送的指令，这个指令包含了控制器号以及即将修改的控制器状态。我们使用controller_set()来设置控制器状态，同时返回执行后的结果，成功则为1，失败则为0。这个返回的结果同样是通过TCP/IP进行传输的。同时我们刚刚修改的控制器进行状态读取，确保设置是成功的。

fx-serial.* 文件，主要涉及到的是优先队列，以及串口通信读写等功能，都预留了相应的API。以后的扩展无需涉及到这里面的代码。

2. 数据采集模块

数据采集模块位于fx-serial文件中。

2.1 硬件介绍

本系统的数据读取是通过PLC来实现的。在实际操作时需要使用串口线连接PLC，并对串口进行读写，从而实现数据的获取。本系统采用RS-422标准。连接PLC时所使用的串口线是SGI 8孔引脚。

由于FT232R USB转串口芯片符合RS-422标准，因此可以转换成使用FT232R USB转串口与SGI插针相互连接。

2.2 PLC编程口协议

数据采集需要对PLC的D寄存器进行读写控制。三菱的fx-2n系列的PLC拥有自己的一套可编程口协议。而对其读写的前提是设置好对应的参数：

int open_serial_source(char *device){struct termios newtio;int fd;fd = open(device, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY/* | O_NONBLOCK*/);if (fd < 0) {printf("serial open error:%s\n", strerror(errno));return -1;}memset(&newtio, 0, sizeof(newtio)); /* Serial port setting */tcgetattr(fd, &newtio);newtio.c_cflag = CLOCAL | CREAD;newtio.c_cflag |= PARENB;newtio.c_cflag &= ~PARODD;newtio.c_cflag &= ~CSTOPB;newtio.c_cflag &= ~CSIZE;newtio.c_cflag |= CS7;newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);cfsetispeed(&newtio, B9600);cfsetospeed(&newtio, B9600);/* Raw output_file */newtio.c_oflag = 0;if (tcflush(fd, TCIFLUSH) >= 0 && tcsetattr(fd, TCSANOW, &newtio) >= 0) {printf("fd ok\n");return fd;}close(fd);return -1;
}

这些串口参数可以参考这篇文章。

2.3 通信帧

帧结构的介绍文件在svn中可寻，在这里不在介绍。
读命令的请求帧的实现：

static int getReadCommandFrame (char *buf, int *sz, int address, int num)
{if (buf == NULL || sz == NULL ||  (address < 0 || address > 255) || num < 0)  return -1; buf[0] = 0x02;buf[1] = '0';_getAddressAscii(address, &buf[2]);num = num *2;buf[6] = _getAscii(num/10);buf[7] = _getAscii(num%10);buf[8] = 0x03;int i, sum = 0;for (i = 1; i <= 8; i++)sum += buf[i];i = sum&0xFF;buf[9]  = _getAscii(i/16);buf[10] = _getAscii(i%16);*sz = 11;return 0;
}

与之类似，对于写命令而言，需要将写入的DATA部分要明确给出：

static int getWriteCommandFrame(char *buf, int *sz, int address, int num, char *data)
{if (buf == NULL || sz == NULL ||  (address < 0 || address > 255) || num < 0)  return -1; buf[0] = 0x02;buf[1] = '1';_getAddressAscii(address, &buf[2]);num = num*2;buf[6] = _getAscii(num/10);buf[7] = _getAscii(num%10);int i;for (i = 0; i < num*2; i+=4) {buf[8+i]   = data[i+2];buf[8+i+1] = data[i+3];buf[8+i+2] = data[i];buf[8+i+3] = data[i+1];}buf[8+num*2] = 0x03;int sum = 0;for (i = 1; i <= 8+num*2; i++)sum += buf[i];i = sum&0xFF;buf[8+num*2+1]  = _getAscii(i/16);buf[8+num*2+2]  = _getAscii(i%16);*sz = 8+num*2+3;return 0;
}

这两个命令帧的差别在于有无数据写入，以及CMD类型。

响应帧的解析。首先需要检验读命令的响应帧的完整性，若完整，则需解析出该响应帧的第二部分。然后将这一部分转换为ascii码值，并将字节序调整，重新计算即可。

3. 网络通信模块

网络通信模块位于main文件中，作用是将经过采集、处理后的数据发送给数据中心。

本系统充当的是客户端角色，负责发送数据给数据中心，同时接收上层的命令。因此采取多线程的模式，让系统协调的运转起来。

3.1 构建出客户端

使用Linux上的网络编程接口：

sockfd = socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0);//创建套接字描述符
bzero(&servaddr,sizeof(servaddr));//清空地址结构体
servaddr.sin_family = AF_INET;//指定协议
servaddr.sin_port=htons(port);//绑定端口
inet_pton(AF_INET,ip,&servaddr.sin_addr);//绑定ip地址//连接服务器
for(nsec = 1;nsec <= MAXSLEEP;nsec <<= 1)
{if(connect(sockfd,servaddr,addrlen) == 0)return 0;if(nsec <= MAXSLEEP/2)//sleep nesc,then connect retrysleep(nsec);
}

3.2 包裹函数

这里用到一个connect的包裹函数，作用是实现超时重连，如果连接失败，则每次等待1、2、4、8……秒后继续尝试重新连接，直到MAXSLEEP为止。

int my_connect(int sockfd,const struct sockaddr *servaddr,socklen_t addrlen)
{int nsec;for(nsec = 1;nsec <= MAXSLEEP;nsec <<= 1){if(connect(sockfd,servaddr,addrlen) == 0)return 0;//connection acceptedif(nsec <= MAXSLEEP/2)//sleep nesc,then connect retrysleep(nsec);}return -1;
}

具体可以参考:
connect的包裹函数
listen的包裹函数

3.3 心跳机制

因为在实际使用中，会遇到很多问题，比如：网络接口松开，服务器死机，服务器重启等这一类的常见问题。所以需要心跳机制来控制这些问题。

网络传输使用的是TCP/IP协议，它是通过发送应答通信包来判断网络是否连通。客户端和服务器任一端给另一端发送了FIN分节时，表示断开连接。因此我们可以用发送心跳包的方式来检测网络是否通畅。恰好在Linux网络编程中，提供了SO_KEEPALIVE的参数。这个参数的基本原理是在idle的时间段内如果没有数据来往，则发送一个心跳包，如果没有应答，则将在intv时间间隔后重新发送心跳包。如果还无应答，则继续发送心跳包cnt次。如此往复，如果依然失败，则判定此时网络无法连通，表明网络确实有问题。相关处理由实际情况而定。
下面是保持心跳长连的核心代码：

int my_heartbeat(int fd)
{int alive,error,idle,cnt,intv;/** open keepalive on fd*/Restart:alive = 1;//set keepalive openret=setsockopt(fd,SOL_SOCKET,SO_KEEPALIVE,&alive,sizeof(alive));if(ret < 0){DEBUG("set socket option error.\n");goto Restart;}/** 60S without data,send heartbeat package*/idle = 30;ret = setsockopt(fd,SOL_TCP,TCP_KEEPIDLE,&idle,sizeof(idle));if(ret < 0){DEBUG("set keepalive idle error.\n");return -1;}/** without any respond,3m later resend package*/intv = 180;ret = setsockopt(fd,SOL_TCP,TCP_KEEPINTVL,&intv,sizeof(intv));if(ret < 0){DEBUG("set keepalive intv error.\n");return -2;}/** send 5 times,without any response,mean connect lose */cnt = 5;ret = setsockopt(fd,SOL_TCP,TCP_KEEPCNT,&cnt,sizeof(cnt));if(ret < 0){DEBUG("set keepalive cnt error.\n");return -3;}
}

3.4 安全读写

网络通信的另一个关键点在于数据传送的完整性。使用系统提供的read/write函数时，往往会有读写不全的情况。有时一般读写错误发生，在正常的文件I/O情况下认为这是一个错误，但在网路传输中是可以忽略的。

本系统主要需要面对的是写完整的问题，所以只需要使用安全写函数。

因此需要重新构造出几个相对安全且可重入的读写函数：

/** 安全读写函数*/ssize_t safe_write(int fd, const void *vptr, size_t n)
{size_t  nleft;ssize_t nwritten;const char *ptr;ptr = vptr;nleft = n;while(nleft > 0){if((nwritten = write(fd, ptr, nleft)) <= 0){if(nwritten < 0 && errno == EINTR) //被信号中断，重写nwritten = 0;else //errorreturn -1;}nleft -= nwritten;ptr   += nwritten;}return(n);
}ssize_t safe_read(int fd,void *vptr,size_t n)
{size_t nleft;ssize_t nread;char *ptr;ptr=vptr;nleft=n;while(nleft > 0){if((nread = read(fd,ptr,nleft)) < 0){if(errno == EINTR) //被信号中断，重读nread = 0;else //出错return -1;}else if(nread == 0) //EOFbreak;nleft -= nread;ptr += nread;}return (n-nleft);
}

3.5 数据处理

3.5.1 转化处理

在设计数据采集的时候，主要是通过房间号进行的一个采集，每个传感器的号直接注册到了几个数组中，因此通过遍历数组进行采集，同时把采集到的数据保存的同一个数组中room_info[]。由于同一类型的传感比较多，比如房间一的温度传感器有五个。此时我们发送出去的温度只需要一个，因此需要对数据做一个整合。

有一点需要注意的是，我们实际读取到的raw数据是没有经过转换的，需要使用对应的公式进行线性变换。大概有如下的五个公式：

T 1 = r a w \times 12 1000

$T1 = \frac{{raw} \times {12}}{1000}$

H = r a w 10

$H = \frac{raw} {10}$

C O 2 = r a w \times 10

$CO2 = {raw} \times {10}$

L = r a w \times 10

$L = {raw} \times {10}$

T 2 = ( r a w - 30000 110 ) \times 110 1000

$T2 = \frac{{(raw - \frac{30000} {110})} \times {110}}{1000}$

这五个公式是用于进行线性变换的，基本每个公式对应一个函数，其中T有两个，这是因为有一个房间的温度值有所不同，具体的可以参看PLC每个寄存器对应的类别（svn上可寻）。

3.5.2 序列化与反序列化

本系统目前采用的第三方的Protobuf-c(详细见系统部署章节)序列化库。而数据中心使用的是Protobuf-.net库，因此消息序列化格式能够统一。

为了保证数据可以被正确的解析，设计了一个简单的格式帧如下：

DATALENGTH	MUSHROOM	MSG_HEADER	DATA

每条消息的开始是DATALENGTH,表示整个消息的长度，用于消息的完整接收的首要条件；第二部分是消息标识“MUSHROOM”，如果消息不包含这个标识则忽略；第三部分是MSG_HEADER头部消息，用来表示消息以及请求的类型，第四部分是传送的数据DATA。实际操作中的使用memmove将一条消息按照上述格式进行流的拼接。

由于这部分正在进行重构，所以不再详细介绍。如果对protobuf的部分有兴趣了解，可以参考这篇文章。

3.5.3 打包处理

我们需要对数据进行打包，利用相关的字符串操作函数对消息进行打包拼接：

  len = 8+2+mh_length+si_length;slen = 8+mh_length+si_length;buf = malloc(len);index = buf;sprintf(buf,"%d%s",slen,"MUSHROOM");index += strlen(buf); //move to the endmemmove((void *)index,buf_mh,mh_length);index += mh_length;memmove((void *)index,buf_si,si_length);printf("%d\n",len);free(buf_si);

4. 日志记录模块

本系统的日志记录分为三个部分：系统运行时的记录、程序warning记录，以及程序error的记录。

4.1 文件记录

文件记录是目前版本中使用的，大致可以抽象出的日志记录模块如下：

FILE* LOG = NULL;
LOG = fopen(filename,"a+");
if(LOG == NULL)fprintf(stderr,"Open logfile error\n");fprintf(LOG,"%s","data");

4.2 数据库记录

数据库记录使用的是sqlite，这是一个轻量级的文件数据库，相当小巧。其语法和sql是类似的，且提供C语言编程接口。
由于已不再使用，所以不再赘述。如果你感兴趣，可以参考这篇文章

5. 调试模块

实际在软件开发的时候可以在代码中设置一些调试宏，用于debug调试。
DEBUG宏：

/** 反斜线把这个定义延续到下一行；*_ _func__和_Function_一样的；* 使用do{...}while(0)构造后的宏定义不会受到大括号、分号等的影响，而且可以定义空宏而不受警告。*//* * __LINE__：在源代码中插入当前源代码行号；* __FILE__：在源文件中插入当前源文件名；* __DATE__：在源文件中插入当前的编译日期* __TIME__：在源文件中插入当前编译时间；* __func__：输出函数名称。*/#include<stdio.h>
#define DEBUG_PRINT do{}while(0)#if defined(DEBUG_PRINT)
#define DEBUG(...)\do{\fprintf(stderr,"-----DEBUG-----\n");\fprintf(stderr,"%s %s\n",__TIME__,__DATE__);\fprintf(stderr,"%s:%d:%s():",__FILE__,__LINE__,__func__);\fprintf(stderr,__VA_ARGS__);\}while(0)
#endifint main(void)
{DEBUG("Debug successfully!\n");return 0;
}