项目参考源码及可执行文件：https://gitee.com/www_91arm/phytiumpi_iot_ia1_sf1

一、通信协议设计

1、协议消息格式

消息采用固定长度的帧结构，具体如下：

字段名称	长度（字节）	描述
帧头	2	固定值 0xAA 0x55，用于标识消息的起始。
消息类型	1	区分不同类型的消息，如数据上传、控制命令、参数设置等。
节点编号	1	标识消息的来源或目标节点，0x01 表示节点 1，0x02 表示节点 2。
数据长度	1	指示消息体中数据的字节数。
消息体	可变	根据消息类型和节点编号包含不同的数据内容。
校验和	1	对帧头之后的所有字节进行异或运算得到的结果，用于数据校验。

2、协议消息类型定义

消息类型值	描述
0x01	节点向网关上传数据（节点 1：温度、湿度、光照度；节点 2：气体浓度）
0x02	网关向节点发送控制命令（节点 1：灯光开关；节点 2：蜂鸣器开关）
0x03	网关向节点设置参数（节点 1：灯光自动开关上限值；节点 2：气体自动开关上限值）

3、协议命令说明

节点1数据查询命令：（网关-->节点）网关要求节点1返回传感器数据

帧头	消息类型	节点编号	数据长度	消息内容	校验和
0xAA 0x55	0x01	0x01	0x01	0xFF	0x01

节点2数据查询命令：（网关-->节点）网关要求节点1返回传感器数据

帧头	消息类型	节点编号	数据长度	消息内容	校验和
0xAA 0x55	0x01	0x02	0x01	0xFF	0x02

节点1设备控制命令：（网关-->节点）网关要求节点1打开控制设备

帧头	消息类型	节点编号	数据长度	消息内容	校验和
0xAA 0x55	0x02	0x01	0x01	0x01	0xFC

节点1设备控制命令：（网关-->节点）网关要求节点1关闭控制设备

帧头	消息类型	节点编号	数据长度	消息内容	校验和
0xAA 0x55	0x02	0x01	0x01	0x00	0xFD

节点1设备设置命令：（网关-->节点）网关设置节点1设备控制上限值

帧头	消息类型	节点编号	数据长度	消息内容	校验和
0xAA 0x55	0x03	0x01	0x02	0x00 0x41	0xBE

节点1数据上传命令：（网关-->节点）网关设置节点1设备控制上限值

帧头	消息类型	节点编号	数据长度	消息内容	校验和
0xAA 0x55	0x01	0x01	0x04	0x20 0x3F 0x02 0x26	0xC0

节点2网络通信服务程序协议处理调试信息：

[send]
type:1, node_id:1
0xAA 0x55 0x01 0x01 0x01 0xFF 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x01  end...
[send]
type:2, node_id:1
0xAA 0x55 0x02 0x01 0x01 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0xFC  end...
[send]
type:2, node_id:1
0xAA 0x55 0x02 0x01 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0xFD  end...
[send]
type:3, node_id:1
0xAA 0x55 0x03 0x01 0x02 0x00 0x41 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0xBE  end...
[recv]
0xAA 0x55 0x01 0x01 0x04 0x20 0x3F 0x02 0x26 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0xC0  end...

节点2网络通信服务程序协议处理调试信息：

[send]
type:1, node_id:2
0xAA 0x55 0x01 0x02 0x01 0xFF 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x02  end...

[send]
type:2, node_id:2
0xAA 0x55 0x02 0x02 0x01 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0xFF  end...


[send]
type:2, node_id:2
0xAA 0x55 0x02 0x02 0x01 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0xFE  end...

[send]
type:3, node_id:2
0xAA 0x55 0x03 0x02 0x02 0x00 0x80 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x7C  end...


[recv]
0xAA 0x55 0x01 0x02 0x02 0x00 0x02 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0xFC  end...

二、程序分析与设计

1、程序流程分析与设计

程序通过网络与服务器进行通信，接收和发送消息，并使用共享内存与其他进程进行数据交互。它使用多线程来提高程序的并发性能，同时对网络连接和消息接收进行了错误处理，确保程序的稳定性。

1. 程序启动：检查命令行参数，初始化随机数种子。

2. 初始化共享内存：创建或获取共享内存段，并将其附加到当前进程的地址空间。

3. 初始化全局数据：设置全局数据结构体 g_data 的初始值，并将其写入共享内存。

4. 连接服务器：创建套接字，初始化服务器地址，尝试连接服务器，若失败则重试。

5. 创建接收线程：启动一个线程用于接收节点消息。

6. 主循环：

   • 检查共享内存中的更新标志 ，若大于 0 则处理网页命令。

   • 接收节点消息，若接收成功且消息解析通过，则将消息写入共享内存。

7. 程序结束：关闭套接字。

2、程序数据结构设计

• 宏定义

#define PORT 8888
#define BUFFER_SIZE 16
#define MAX_CLIENTS 10
#define MAX_RETRIES 3

#define CMD_DATA 0x01 //数据命令
#define CMD_CTL 0x02  //控制命令
#define CMD_SET 0x03  //设置命令

#define E53_IA1 0x01 //节点1编号
#define E53_SF1 0x02 //节点2编号

定义了端口号、缓冲区大小、最大重试次数、命令类型和节点 ID 等常量。

• 结构体定义

// 共享内存数据结构
struct st_sys {
    unsigned char temp_val;  // 温度值
    unsigned char humi_val;  // 湿度值
    unsigned char light_sw;  // 灯光开关状态
    unsigned char buzz_sw;   // 蜂鸣器开关状态
    unsigned int ill_val;    // 光照强度值
    unsigned int gas_val;    // 气体浓度值
    unsigned int ill_max;    // 光照强度最大值
    unsigned int gas_max;    // 气体浓度最大值
    unsigned char msg_type; //请求类型
    unsigned char node_id; //节点ID
    unsigned char data_flag;//数据更新标记 
    unsigned char control_flag;//控制更新标记
    unsigned char set_flag;//设置更新标记     
};

// 消息结构体
typedef struct {
    unsigned char frame_header[2];
    unsigned char msg_type;
    unsigned char node_id;
    unsigned char data_len;
    unsigned char data[10];
    unsigned char checksum;
} Message;

st_sys 结构体用于存储共享内存中的系统数据，Message 结构体用于封装和解析网络消息。

• 全局变量

//连接的socket文件
int g_net_fd;
//共享内存地址指针
struct st_sys* shm_dev;
struct st_sys g_data;
//接网络上传消息
Message g_response;
int recv_err_count = 0;

这些全局变量用于存储网络连接的文件描述符、共享内存地址、接收到的消息和接收错误计数。

3、 函数功能设计

序号	函数名称	函数功能	函数说明
1	set_web_shm	设置共享内存	该函数用于创建或获取共享内存段，并将其附加到当前进程的地址空间。
2	signal_handler	信号处理函数	当接收到 SIGINT 信号（通常是用户按下 Ctrl+C）时，该函数会分离共享内存并退出程序。
3	init_shm	初始化共享内存	该函数初始化随机数种子，调用 set_web_shm 函数设置共享内存，并注册信号处理函数。
4	init_g_data	初始化全局数据	函数初始化全局数据结构体 g_data 的各个成员。
5	msg_to_shm	网络数据写入共享内存	该函数根据接收到的消息更新全局数据结构体 g_data，并将更新后的数据写入共享内存。
6	connect_with_retry	带重试的连接函数	该函数尝试连接到服务器，如果连接失败，会进行最多 MAX_RETRIES 次重试。
7	calculate_checksum	计算校验和	该函数计算消息的校验和，用于验证消息的完整性。
8	pack_message	封装消息	该函数根据给定的消息类型、节点 ID、数据长度和数据内容，封装一个消息结构体。
9	print_message	调试输出消息	该函数用于打印消息的详细信息，方便调试。
10	parse_message	解析消息	函数检查消息的帧头和校验和，如果都正确，则返回 0，表示解析成功。
11	send_cmd_msg	发送命令消息	该函数封装一个命令消息，并将其发送到服务器。
12	connt_server	连接服务器	该函数创建一个套接字，初始化服务器地址，并调用 connect_with_retry 函数连接到服务器。
13	recv_err_proc	接收错误处理	当接收消息出现错误或服务器断开连接时，该函数会初始化全局数据并将其写入共享内存。
14	recv_node_msg	接收节点消息	该函数从服务器接收消息，并将其存储到全局变量 g_response 中。如果接收失败，会增加错误计数，当错误计数达到 5 次时，调用 recv_err_proc 函数进行错误处理。
15	web_cmd_proc	网页命令处理	该函数根据共享内存中的消息类型，封装并发送不同类型的命令消息到服务器。
16	receive_msg	接收线程函数	该函数是一个线程函数，在一个无限循环中，每隔 1 秒尝试接收消息，解析消息并将其写入共享内存。

4、主函数流程设计

int main(int argc,char* argv[]) {
    // ...
}

主函数的主要流程如下：

1. 检查命令行参数，确保用户提供了服务器的 IP 地址。

2. 初始化随机数种子。

3. 初始化共享内存和全局数据，并将全局数据写入共享内存。

4. 连接到服务器。

5. 创建一个接收线程，用于在后台接收和处理消息。

6. 在一个无限循环中，检查共享内存中的更新标记，如果标记为真，则调用 web_cmd_proc 函数处理网页命令，并更新标记。

7. 每隔 2 秒尝试接收消息，解析消息并将其写入共享内存。

三、通信协议调用关系分析

1. 用户浏览器打开数据显示界面data_show.html，其中ajax函数会定时调用node_data.cgi程序。

2. node_data.cgi程序会修改共享内存的数据。

3. node_ser.c程序中的web_cmd_proc函数会根据共享内存的命令类型、更新标记，发送协议命令给指定节点。

data_show.html

 $.ajax({
            cache: false,
            async: true,
            dataType: 'json',
            type: 'get',
            url: "cgi-bin/node_data.cgi",
            success: function (data) {
                temp_val = data.temp;
                humi_val = data.humi;
                light_val = data.light;
                gas_val = data.gas;

node_data.cgi程序会向共享内存更新协议命令类型、节点类型及更新标记数据。

node_data.cgi

    // 从共享内存中读取数据
    memcpy(g_dev, shm_dev, sizeof(struct st_sys));

    shm_dev->msg_type = CMD_DATA;//命令类型
    shm_dev->node_id = E53_IA1;//节点类型
    shm_dev->update_flag++;//更新次数加1

node_ser.c程序中的web_cmd_proc函数会根据共享内存的命令类型、更新。

node_ser.c协议处理关键代码：

void web_cmd_proc(void)
{
    int data_len = 0;
    char web_data[8]={0};

    DBG_PRINT("[Send]@@@msg_type:%d\n",shm_dev->msg_type);

    switch (shm_dev->msg_type) {
        case CMD_DATA: // 节点上传数据
            data_len = 1;
            web_data[0] = 0xff;           
            send_cmd_msg(g_net_fd,CMD_DATA,E53_IA1,web_data,data_len);//节点1上传数据
            send_cmd_msg(g_net_fd,CMD_DATA,E53_SF1,web_data,data_len);//节点2上传数据
            break;
        case CMD_CTL: // 控制命令类型
            data_len = 1;
            if(shm_dev->node_id == E53_IA1){
                web_data[0] = shm_dev->light_sw;
                send_cmd_msg(g_net_fd,CMD_CTL,E53_IA1,web_data,data_len);
            }
            if(g_data.node_id == E53_SF1){
                web_data[0] = shm_dev->buzz_sw;    
                send_cmd_msg(g_net_fd,CMD_CTL,E53_SF1,web_data,data_len);
            }  
            break;
        case CMD_SET: // 参数设置类型