监控系统的一般架构

几年以来，个人对监控系统的接触比较多，像电力scada系统，自动化设备的上位机系统，无人机地面站等，到后来独立开发监控系统，慢慢的形成了自己对监控系统通用实现的一种理解。其实做这行软件开发的也都有一个架构上的共识。这篇文字总结一下监控系统的通用实现，也可以说得上是架构吧。

 

监控系统首先需要设计的就是通信规约，通信规约定义设备和监控系统的对话方式。设备和系统的通信是以一包包数据为最小单元来通信的，这一包数据也叫做“帧”，定义通讯规约首先就要定义“帧”的基本格式，下面是一个帧格式的简单例子

 

接着就要定义各种指令内容，像下面我定义的一个和stm32通信监控电机的指令集，里面包含两条指令，#1号指令用来从系统往下面发，用来控制电机转速；#2号指令由下面以给定间隔连续的往系统发，用来反馈电机转速和码盘值。 

 

 

规约定好了，软件怎么写？假如我们的系统是有一个简单的界面，上面有个控制转速的按钮，和显示电机转速的标签。考虑到以后可能会扩充指令，进行运行报警、历史数据存储，数据回放，甚至系统可能会分布式。我们代码怎么写才会bug少，具备良好的扩充性同时又很优雅？

基本架构

1、协议公共包

协议公共包用来定义帧常量、指令id及其结构体及用到的各种枚举。像上面的协议，我们可以在这个包里定义 帧头1、帧头2常量，定义消息集枚举、分别定义#1号消息结构体和#2号消息结构体等，凡是用到的公共定义都写到这里面，避免后面封包解包直接硬编码。

2、数据流

这里的数据流其实是一个通信接口，他是串口、tcp、udp等各种通信方式的一个抽象，程序上表现为一个接口或者抽象类，包含基本的读、写方法，在具体的应用上进行实现就可以了。数据流的一个基本特点就是不可以多个组件同时读，或者多个组件同时写，但是读写可以同时进行。

如果你使用的是异步socket通信方式，这时候还是可以适用的，实现上设置一个接收和发送缓冲区，每次有socket通知有数据的时候，将数据放到接收缓冲区，发送数据的时候放到发送缓冲区，同时循环发送就可以了。通过这种方式转换成了上面的串行数据流的形式。

 

3、协议接口

这个包用来封包、解包，提供协议上的一些公共方法，比方说上面的协议，提供一个设置电机速度的方法setSpeed，这个设置速度的接口内部实现首先进行封包，发送。有些协议可能还需要回复，这时候就需要读包，等待确认指令再返回。我们将这一个基本的通信对话叫做事物。

事物的基本要求是要对信道的独占使用，比方我发送一个电机速度控制指令，这时候我就需要等待回复。在这段时间内，系统内其他组件不能够写也不能够读，收到的所有包如果不是我需要的确认指令，要么丢弃，或做其他处理（存起来）

因此，需要在这个包里面有一个对对数据流资源的一个控制，需要拥有一个读互斥锁、写互斥锁和独占标志。

读互斥锁：用来安排多个线程同时读包的请求

写互斥锁：用来安排多个线程同时发送包的请求

独占标志：用来标志是否当前正在进行一个事物。

 

如果一个数据流上有很多个设备同时通信，每个设备通过一个id来区分。这可以通过修改上面的协议的帧格式，在里面加一个id字段就可以实现。考虑到这种情况，因此协议接口包还包含着多个会话状态，每个会话状态相当于一个设备，保存着通信和设备的相关状态信息。

 

4、会话状态

每个会话状态对应于一个设备，会话状态里面包括设备状体实时库，像上面的例子，设备的状态就就包括电机的转速、码盘值等。还包括一个包存储器和其他的一些消息存储器。考虑到有一些主动上送的协议，设备会定时将自己的状态上送过来，但是实时库可能还没有达到刷新周期，这时候可以先将这些包存起来到一个字典中，键为消息id,值为消息体。当实时库刷新周期到了以后，自动取这里存放的包就可以了，如果需要发送召唤就直接发送就可以了。这样实时库的刷新就无需进行等待。

5、设备状态库

设备状态库简单上说，就是一个类，对设备进行建模，包含设备的各种状态数据。也叫实时库。有时候系统可能会分布式，有服务器有客户端，各个节点都要共享设备的数据，这时候实时库也需要支持分布式，因此比简单的类建模要复杂很多，这要是将设备状态库叫做实时库的一个原因吧。

6、包存储器

这个主要用于实现实时库的高效刷新。实时库的的刷新可以设置成以固定频率进行，实现上设置一个刷新线程，以固定的周期读取包存储器里面的包，解析，将数据刷往实时库；如果需要召唤，直接调用协议接口包进行发召唤。但如果采用常规的方式，先独占数据流，发送召唤，等待，读数据，解包，刷新，释放数据流的方式，这样通信效率会很低。

 

7、驱动线程

现在整个基本架构已经有了，但还需要一个总的线程来进行驱动。在这个线程循环里面，轮询设备，定时发送心跳包（如果协议有要求）、刷新实时库，

 

8、设备报警

如果设备某个状态位发生改变，实时库需要发出通知，可以在通过设置回调，在刷新方法内判断并进行调用。

 

9、历史数据保存

编写一个历史存储器，注册实时库的刷新回调，将数据刷新到存储器的缓冲区，达到一定数据后，触发保存操作。所有的保存操作在自己的线程里面执行，不要阻塞实时库的刷新线程。