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电子秤利用Websocket做为Client向MES系统推送数据

news 2025/8/6 12:54:00

从整体架构、关键技术、客户端实现、数据触发机制、安全和可靠性等角度，分模块详细介绍“电子秤作为 WebSocket 客户端向 MES 系统推送数据，点击秤上键盘触发发送”的内容与技术方案。

一、系统架构概览

电子秤端
- 硬件：内置称重传感器、主控 CPU（或 MCU）、以太网/Wi-Fi 通信模块、按键扫描电路、LCD/LED 显示屏。
- 软件：嵌入式操作系统（如 Linux、RTOS），运行 WebSocket 客户端模块、键盘扫描和业务逻辑程序。
网络层
- 电子秤通过有线以太网或 Wi-Fi 与 MES 服务器网络交换机互联。
- 使用 TCP/IP 协议栈承载 WebSocket（基于 TCP）。
MES 系统端
- 提供 WebSocket 服务端接口，接收各电子秤客户端的连接与消息。
- 负责校验数据、持久化、下发后续指令或反馈。
运维及监控
- 网络监控：设备连通性、带宽、丢包。
- 应用监控：WebSocket 连接状态、心跳、消息异常统计。

┌───────────┐    WebSocket    ┌───────────┐
│  电子秤A  │ ───────────────►│   MES    │
│ (Client)  │◄─────────────── │ (Server) │
└───────────┘    双向通道     └───────────┘↑     ↑│     └──– 键盘触发“发送”按钮└──– 称重传感器采样

二、关键技术选型

模块	技术/协议	说明
操作系统	Embedded Linux / RTOS	支持 TCP/IP、线程调度
编程语言	C/C++ / Python / JavaScript (Node.js on Linux)	嵌入式性能 vs. 开发效率
通信协议	WebSocket (RFC 6455)	持久双向通道、低延迟
数据格式	JSON / Protobuf / CBOR	可读性 vs. 传输效率
按键扫描	GPIO 中断 / 扫描矩阵	硬件中断触发按键事件
安全	WSS（TLS 加密）	保证传输机密性与完整性
心跳与重连机制	自定义 Ping/Pong	检测断线并自动重连

三、WebSocket 客户端实现

连接建立
- 在秤启动或网络恢复后，启动 WebSocket 客户端，向 MES 提供的 URI 发起握手：
```
ws://mes.example.com:8080/scale  
// 若启用加密： wss://mes.example.com:8443/scale  
```
- 握手成功后，保持长连接。
心跳维护与重连
- 定期（如每 30s）发送 ping 帧，等待 server 的 pong，若超过超时未收到，则认定连接断开。
- 断开后按照指数退避策略（1s→2s→4s…）重连，直到成功。
消息发送接口
- 提供一个线程安全的消息队列，将待发消息入队。
- WebSocket 发送线程从队列取出，调用底层 send API 输出二进制或文本帧。
接收与处理
- 若 MES 需要下发配置或确认指令，可监听 onmessage 回调，解析并执行。

四、数据推送触发机制

按键扫描
- 键盘采用矩阵或单按键 GPIO 方式扫描，典型流程：
  - 轮询或中断检测到“发送”键按下。
  - 消抖处理（10–30ms），确认后触发应用层事件。
称重采样
- 平时不断采集传感器原始数据，做滤波（如卡尔曼或均值滤波），获得稳定重量读数。
- 点击发送时，读取最近一次稳定值作为此次数据。

数据封装

建议使用 JSON，例如：

{"scaleId": "SCALE-001","timestamp": "2025-08-05T14:30:22+09:00","weight": 12.345,"unit": "kg","operator": "OP-1001"
}

若带宽或处理性能受限，可改用 Protobuf 或 CBOR 二进制协议。

发送流程（伪码）

onKeyPress(“SEND”):weight = getLatestWeight()msg = formatMessage(scaleId, timestamp(), weight, unit)wsClient.send(msg)

五、MES 系统接口及验签

连接 URI
- wss://mes.example.com/scale/{scaleId}，可将 scaleId 放在路径中，便于路由。
认证与授权
- 在 WebSocket 握手时，通过 HTTP Header 或 query string 传递 token。
- 后端校验 JWT 或 HMAC 签名，确保数据来源可信。
消息确认
- MES 在收到数据后，可发送 ACK：
```
{ "code": 200, "message": "OK", "receivedId": "UUID-xxx" }
```
- 客户端可收到 ACK 后，在本地日志标记为“已送达”；若超时未收到，再次入队重发。

六、异常处理与日志

发送失败
- 当 send() 调用抛出异常或回调返回错误，需将消息重入待发队列，并记录错误原因。
连接断开
- 清理旧连接，按照心跳机制自动重连。连接过程中临时缓存待发送消息（可设置大小上限，防止内存暴涨）。
日志管理
- 本地存储：轮询保存关键事件（连接建/断、发送异常、重连次数）到循环日志文件。
- 可选：定时将日志推送到集中日志系统（如 ELK）。

七、安全与性能优化

TLS 加密
- 使用 WSS，将证书部署到秤设备：
  - 可使用 Let’s Encrypt 或企业内部 CA。
  - 定期自动更新证书。
带宽与延迟
- JSON 文本可压缩（gzip），兼容 WebSocket permessage-deflate 扩展。
- 对重量数据做合批：若短时间内多次按键发送，合并 N 条一起发。
资源占用
- 控制心跳频率与重连次数，防止 CPU/网络抖动。
- 对高并发秤端（数百台）可统一走负载均衡，分布到多台 MES 实例。