# 电气量测控平台系统需求分析与架构设计技术方案 **适配平台:RK3568 嵌入式平台(ubuntu 22.04系统)** **技术栈:FastAPI + HTTP + WebSocket + Python + Web前端** ## 一、文档概述 ### 1.1 文档目的 本文档基于《电气量测控平台显示界面设计和数据接口说明》、`gui.h`头文件及项目功能描述,明确**RK3568嵌入式平台**上Python编写、Web界面展示的电气量测控配置软件的功能、性能、接口、数据存储需求,完成系统架构设计,为软件开发、测试及交付提供技术依据。 ### 1.2 适用范围 本文档适用于**RK3568嵌入式硬件**,以Python为开发语言、FastAPI为服务框架、Web为交互界面的电气量测控配置软件,涵盖参数配置、实时数据交互、状态监测、报警管理等全流程功能设计。 ### 1.3 参考资料 1. 《电气量测控平台显示界面设计和数据接口说明》 2. `gui.h`嵌入式程序头文件 3. 项目功能需求描述 ## 二、系统需求分析 ### 2.1 运行环境需求 - **硬件环境**:RK3568嵌入式开发板(支持Linux系统、文件系统、SQLite数据库) - **软件环境**:Linux操作系统、Python 3.8、**FastAPI**、Uvicorn ASGI服务、SQLite数据库、JSON文件存储支持 - **交互环境**:Web浏览器(支持WebSocket、动态数据渲染、按钮交互、表格/波形展示) ### 2.2 功能需求 #### 2.2.1 参数配置管理功能 实现测控设备全维度参数配置,配置项支持**JSON文件本地存储**,关键参数通过接口下发至C语言嵌入式程序,具体配置项如下: 1. **基础设备配置** - 设备软件版本信息展示与配置 - 通讯参数设置:串口、网口参数配置 - 操作密码设置:支持密码修改、本地JSON文件存储 2. **装置通道配置** - AI通道设置:模拟量输入配置、信号类型、所属线路、数据阈值 - AO通道设置:模拟量输出配置 - 定值设置:电压/电流/功率等超限限值、检测延时、报警输出配置 3. **系统管理配置** - 对时设置:参数实时下发嵌入式程序 - 灯光设置:屏幕亮度、屏保时间,参数实时下发嵌入式程序 4. **配置回显要求** - 设备网络配置、通道配置、报警设置、系统设置页面在打开时需先读取已保存参数 - 已保存配置从本地JSON文件读取,并通过HTTP查询接口返回给Web界面显示 #### 2.2.2 实时数据动态显示功能 1. **数据读取周期**:间隔**0.5秒**从C语言控制系统读取实时数据 2. **数据类型**:模拟量、开关量、AI采集数据 3. **推送方式**:**WebSocket主动推送**至Web界面,动态刷新展示 4. **存储规则**:动态数据仅内存缓存,**不保存到本地** #### 2.2.3 设备状态实时监测功能 从嵌入式系统动态读取设备状态,Web界面实时展示: - 装置自检状态(正常/异常) - 网络1状态、网络2状态 - 串口1状态、串口2状态 #### 2.2.4 报警事件管理功能 1. **报警数据采集**:实时获取嵌入式设备报警事件 2. **数据存储**:报警事件保存至**SQLite数据库** 3. **展示方式**:**WebSocket实时推送**报警至Web界面,支持弹窗提醒+历史查询 ### 2.3 数据交互需求 #### 2.3.1 上行数据(嵌入式系统→Python服务) - 实时数据:0.5秒/次,模拟量、开关量、AI采集数据 - 状态数据:装置自检、网络、串口状态 - 报警数据:实时报警事件数据 #### 2.3.2 下行数据(Python服务→嵌入式系统) - 配置数据:设备参数、通道配置、定值、对时、灯光参数 - 控制指令:开关量分/合控制信号 ### 2.4 数据存储需求 1. **JSON文件存储**:设备版本、通讯参数、密码、AI/AO配置、定值配置等**非实时参数** 2. **SQLite数据库**:报警事件数据(支持历史查询) 3. **动态数据**:仅内存缓存,不持久化存储 ### 2.5 性能需求 1. **数据刷新率**:实时数据读取与WebSocket推送间隔≤0.5秒 2. **响应速度**:参数配置下发、开关控制指令响应时间≤1秒 3. **稳定性**:7×24小时连续运行 4. **兼容性**:适配RK3568硬件,兼容嵌入式C程序接口 ### 2.6 通信服务需求 1. **HTTP服务**:基于FastAPI提供**RESTful API**,用于参数配置、状态查询、报警查询、控制指令 2. **WebSocket服务**:基于FastAPI提供双工通信,用于**实时数据、报警数据主动推送**至Web界面 ## 三、系统架构设计 ### 3.1 总体架构 系统采用**分层架构 + 前后端分离**设计,从下到上分为: **硬件层 → 嵌入式C程序层 → Python FastAPI服务层 → Web界面层** ``` Web界面层(HTML/CSS/JS) ↓↑(HTTP + WebSocket) Python FastAPI服务层(RESTful接口 + WebSocket推送 + 数据处理) ↓↑(内部进程/核间通讯) 嵌入式C程序层(数据采集 + 控制执行) ↓ 硬件层(RK3568 + 测控硬件 + 通讯模块) ``` ### 3.2 分层详细设计 #### 3.2.1 硬件层 - 核心硬件:RK3568嵌入式开发板 - 外设模块:AI/AO采集模块、开关量模块、网络/串口模块、显示屏 #### 3.2.2 嵌入式C程序层 - 数据采集模块:20ms周期采集模拟量、开关量、AI数据 - 控制执行模块:接收参数与指令,执行配置、对时、灯光、开关控制 - 状态监测模块:自检、网口、串口状态实时上报 - 报警生成模块:异常事件生成并上传 - 通讯模块:与Python服务双向数据交互 #### 3.2.3 Python FastAPI服务层(核心) 采用**FastAPI + Uvicorn**搭建,提供**HTTP接口**和**WebSocket推送**双服务: 1. **RESTful API模块**:处理配置提交、状态查询、报警查询、控制指令 2. **WebSocket推送模块**:0.5秒推送实时数据、实时报警数据到Web端 3. **参数配置模块**:JSON文件读写、配置下发C程序 4. **实时数据模块**:定时读取C程序数据,缓存并通过WebSocket推送 5. **报警管理模块**:接收报警→存储SQLite→WebSocket推送前端 6. **设备状态模块**:采集并缓存设备运行状态 #### 3.2.4 Web界面层 - 菜单区:配置、状态、数据、报警、控制入口 - 状态区:自检、网络、串口实时状态 - 主显示区:实时数据表格、配置表单、控制按钮、报警列表 - 报警区:WebSocket实时弹窗+滚动显示 ### 3.3 数据流向设计 1. **实时/报警数据流向** 嵌入式C程序 → Python → WebSocket主动推送 → Web界面(0.5秒刷新) 2. **参数配置流向** Web界面 → HTTP POST → Python → JSON存储 + 下发C程序 3. **状态/查询流向** Web界面 → HTTP GET → Python → 返回数据展示 4. **配置回显流向** Web界面进入设置页 → HTTP GET配置查询接口 → Python读取JSON配置 → 返回当前配置数据 → Web界面显示 ## 四、接口详细设计(RESTful + WebSocket) ### 4.1 RESTful API 接口详情(完整参数+返回值) 所有接口统一返回格式: ```json { "code": 200, // 200=成功,400=参数错误,500=服务异常 "msg": "操作成功", "data": {} // 业务数据 } ``` *** #### 1. GET /api/real-time-data **作用**:获取最新一次实时数据(备用,主用WebSocket) **参数**:无 **返回data**: ```json { "code": 200, "msg": "获取实时数据成功", "data": { "line_list": [ { "line_no": 1, "pri_val": { "Ua": 6000.0, "Ub": 6002.5, "Uc": 5998.3, "Ia": 150.2, "Ib": 148.9, "Ic": 151.6, "Pa": 820.5, "Pb": 815.3, "Pc": 825.7, "Pt": 2461.5, "Qa": 120.3, "Qb": 118.6, "Qc": 122.9, "Qt": 361.8, "Sa": 835.2, "Sb": 829.7, "Sc": 840.3, "St": 2505.2, "PFa": 0.98, "PFb": 0.97, "PFc": 0.99, "PFt": 0.98, "Uab": 10400.1, "Ubc": 10395.6, "Uca": 10398.2, "frq": 50.00 }, "sec_val": { "Ua": 57.6, "Ub": 57.7, "Uc": 57.5, "Ia": 1.2, "Ib": 1.18, "Ic": 1.22, "Pa": 68.2, "Pb": 67.8, "Pc": 68.6, "Pt": 204.6, "Qa": 9.8, "Qb": 9.6, "Qc": 10.1, "Qt": 29.5, "Sa": 69.5, "Sb": 68.9, "Sc": 70.1, "St": 208.5, "PFa": 0.98, "PFb": 0.97, "PFc": 0.99, "PFt": 0.98, "Uab": 100.0, "Ubc": 99.8, "Uca": 99.9, "frq": 50.00 } }, { "line_no": 2, "pri_val": {}, "sec_val": {} }, { "line_no": 3, "pri_val": {}, "sec_val": {} }, { "line_no": 4, "pri_val": {}, "sec_val": {} } ], "switch": { "di1": 1, "di2": 0, "di3": 1, "di4": 0, "di5": 1, "di6": 0, "di7": 1, "di8": 0, "di9": 1, "di10": 0, "di11": 1, "di12": 0, "do1": 1, "do2": 0, "do3": 1, "do4": 0, "do5": 1, "do6": 0, "do7": 1, "do8": 0, "do9": 1, "do10": 0, "do11": 1, "do12": 0 }, "ai_collect": { "ai1": 4.52, "ai2": 3.86, "ai3": 5.21, "ai4": 2.99, "ai5": 6.10, "ai6": 1.75, "ai7": 3.22, "ai8": 4.91, "ai9": 2.18, "ai10": 5.47, "ai11": 3.06, "ai12": 4.33 } } } ``` *** #### 2. GET /api/device-status **作用**:获取设备当前运行状态 **参数**:无 **返回data**: ```json { "self_check": "正常", "net1": "正常", "net2": "正常", "uart1": "正常", "uart2": "断开" } ``` *** #### 3. GET /api/config/device **作用**:读取设备基础配置,用于设备/网络配置界面打开时回显当前参数 **参数**:无 **返回data**: ```json { "password": "", "hardware_version": { "board_version": "B001.001.001", "display_version": "S001.001.001", "other_version": "Y001.001.001" }, "software_version": { "display_program": "001.001.001", "communication_program": "001.001.001", "measurement_program": "001.001.001" }, "net": [ { "nic": "网卡一", "ip": "192.168.1.10", "mask": "255.255.255.0", "gateway": "192.168.1.1", "protocol": "Modbus TCP" } ], "uart": [ { "port": "COM1", "baud": 9600, "parity": "NONE", "data_bits": 8, "stop_bits": 1, "protocol": "Modbus RTU" } ] } ``` 说明: - `net` 按 `nic` 标识各网卡配置 - `uart` 按 `port` 标识各串口配置 - 界面如需按单个网卡或单个串口精确读取,可调用后续独立查询接口 *** #### 4. POST /api/config/device **作用**:提交设备基础配置(版本、通讯、密码) **请求body参数**: ```json { "password": "123456", "hardware_version": { "board_version": "B001.001.001", "display_version": "S001.001.001", "other_version": "Y001.001.001" }, "software_version": { "display_program": "001.001.001", "communication_program": "001.001.001", "measurement_program": "001.001.001" }, "net": [ { "nic": "网卡一", "ip": "", "mask": "", "gateway": "", "protocol": "" }, { "nic": "网卡二", "ip": "192.168.1.56", "mask": "255.255.255.255", "gateway": "192.168.1.56", "protocol": "Modbus TCP" } ], "uart": [ { "port": "COM1", "baud": 0, "parity": "", "data_bits": 0, "stop_bits": 0, "protocol": "" }, { "port": "COM2", "baud": 115200, "parity": "NONE", "data_bits": 8, "stop_bits": 1, "protocol": "Modbus RTU" } ] } ``` **返回data**:`{"save_path":"/config/device.json","send_status":"成功"}` 说明: - 设备整体保存时,网卡配置按 `nic` 合并更新 - 串口配置按 `port` 合并更新 - 未出现在本次提交中的其他网卡或串口配置会保留,不会因数组顺序变化被误覆盖 *** #### 5. GET /api/config/device/net **作用**:按网卡标识读取单个网卡配置 **参数**: - `nic=网卡一`:按 `nic` 查询对应网卡信息 **返回data**: ```json { "nic": "网卡一", "ip": "192.168.1.10", "mask": "255.255.255.0", "gateway": "192.168.1.1", "protocol": "Modbus TCP" } ``` *** #### 6. POST /api/config/device/net **作用**:按网卡标识保存单个网卡配置 **请求body参数**: ```json { "nic": "网卡一", "ip": "192.168.1.10", "mask": "255.255.255.0", "gateway": "192.168.1.1", "protocol": "Modbus TCP" } ``` **返回data**:`{"save_path":"/config/device.json","target":"net","nic":"网卡一","send_status":"成功"}` 说明: - 服务端会根据 `nic` 更新对应网卡对象 - 若不存在相同 `nic`,则追加到 `net` 数组 *** #### 7. GET /api/config/device/uart **作用**:按串口标识读取单个串口配置 **参数**: - `port=COM1`:按 `port` 查询对应串口信息 **返回data**: ```json { "port": "COM1", "baud": 9600, "parity": "NONE", "data_bits": 8, "stop_bits": 1, "protocol": "Modbus RTU" } ``` *** #### 8. POST /api/config/device/uart **作用**:按串口标识保存单个串口配置 **请求body参数**: ```json { "port": "COM1", "baud": 9600, "parity": "NONE", "data_bits": 8, "stop_bits": 1, "protocol": "Modbus RTU" } ``` **返回data**:`{"save_path":"/config/device.json","target":"uart","port":"COM1","send_status":"成功"}` 说明: - 服务端会根据 `port` 更新对应串口对象 - 若不存在相同 `port`,则追加到 `uart` 数组 *** #### 9. GET /api/config/channel **作用**:读取通道配置,用于通道配置界面打开时回显当前参数 **参数**:无 **返回data**: ```json { "ai_channel": [{"ch":1,"singal_type":"4-20mA","line_no":1,"type":"UA","limit_low":0,"limit_high":20}], "ao_channel": [{"ch":1,"singal_type":"1-5v","line_no":2,"type":"UA","limit_low":0,"limit_high":20}] } ``` *** #### 10. POST /api/config/channel **作用**:提交AI/AO通道配置(AI:12通道,AO:12通道) **请求body参数**: ```json { "ai_channel": [{"ch":1,"singal_type":"4-20mA","line_no":1,"type":"UA","limit_low":0,"limit_high":20}], "ao_channel": [{"ch":1,"singal_type":"1-5v","line_no":2,"type":"UA","limit_low":0,"limit_high":20}] } ``` **返回data**:`{"save_path":"/config/channel.json","send_status":"成功"}` *** #### 11. GET /api/config/line\_alarm\_setting **作用**:读取线路报警设置,用于报警设置界面打开时回显当前线路参数 **参数**: - `line_no=1`:按线路号读取对应线路的报警设置 **返回data**: ```json { "line_no": 1, "over_limit_alarm": [ { "category": "电压", "limit": 180, "delay": 180, "output_node": "开出1", "enabled": true } ], "fault_alarm": [ { "category": "PT断线", "delay": 180, "output_node": "开出1", "enabled": true } ] } ``` *** #### 12. POST /api/config/line\_alarm\_setting **作用**:提交定值报警阈值配置 **请求body参数**: ```json { "line_no": 1, "over_limit_alarm": [ { "category": "电压", "limit": 180, "delay": 180, "output_node": "开出1", "enabled": true }, { "category": "电流", "limit": 180, "delay": 180, "output_node": "开出1", "enabled": true }, { "category": "差流", "limit": 180, "delay": 180, "output_node": "开出1", "enabled": false }, { "category": "功率", "limit": 180, "delay": 180, "output_node": "开出1", "enabled": true }, { "category": "频率", "limit": 180, "delay": 180, "output_node": "开出1", "enabled": false } ], "fault_alarm": [ { "category": "PT断线", "delay": 180, "output_node": "开出1", "enabled": true }, { "category": "CT断线", "delay": 180, "output_node": "开出1", "enabled": false } ] } ``` **返回data**:`{"save_path":"/config/setting.json","send_status":"成功"}` 说明: - `setting.json` 中的 `line_alarm_setting` 按数组对象存储 - 保存接口按单条线路配置提交 - 服务端会根据 `line_no` 对数组中的对应线路进行覆盖更新,不存在时追加 *** #### 13. GET /api/config/ai\_alarm\_setting **作用**:读取AI报警设置,用于报警设置界面打开时回显当前AI报警参数 **参数**:无 **返回data**: ```json [ { "channel_no": 1, "singal_type": "4-20mA", "limit_low": 0, "limit_high": 20, "delay": 180, "output_node": "开出1", "enabled": true } ] ``` *** #### 14. POST /api/config/ai\_alarm\_setting **作用**:提交AI报警设置 **请求body参数**: ```json [ { "channel_no": 1, "singal_type": "4-20mA", "limit_low":0, "limit_high":20, "delay": 180, "output_node": "开出1", "enabled": true }, { "channel_no": 2, "singal_type": "1-5v", "limit_low":0, "limit_high":20, "delay": 180, "output_node": "开出1", "enabled": true }, ] ``` **返回data**:`{"save_path":"/config/setting.json","send_status":"成功"}` #### 15. GET /api/config/system **作用**:读取系统设置,用于系统设置界面打开时回显当前参数 **参数**:无 **返回data**: ```json { "time_sync": "auto", "brightness": 80, "screen_saver": 60 } ``` *** #### 16. POST /api/config/system **作用**:提交系统对时、灯光配置 **请求body参数**: ```json { "time_sync": "auto", "brightness": 80, "screen_saver": 60 } ``` **返回data**:`{"send_status":"成功"}` *** #### 17. GET /api/alarm/list **作用**:分页查询历史报警 **参数**: - `page=1`:页码,从 `1` 开始 - `size=20`:每页条数,最大 `100` - `no=L1`:按线路号/通道号精确筛选 - `type=current`:按报警类型字段精确筛选 - `start_time=2026-05-16T10:30:00`:按报警开始时间筛选 - `end_time=2026-05-16T11:30:00`:按报警结束时间筛选 **示例请求**: ```text GET /api/alarm/list?page=1&size=20&no=L1&type=current&start_time=2026-05-16T10:30:00&end_time=2026-05-16T11:30:00 ``` 说明: - 所有筛选条件均为可选 - 未传筛选条件时,默认按分页查询全部历史报警 - `start_time` 和 `end_time` 使用日期时间格式 **返回data**: ```json [ { "id": 1, "alarm_type": "operate_alarm", "time": "2025-01-01 12:00:00", "no": "", "type": "", "content": "告警内容", "level": "告警等级" } ] ``` *** #### 18. POST /api/control/switch **作用**:下发开关量控制指令 **请求body参数**: ```json {"ch":1,"action":1} // 1=合,0=分 ``` **返回data**:`{"control_status":"执行成功"}` *** ### 4.2 WebSocket 接口(主动推送) #### 1. WebSocket 地址:`ws://ip:port/ws/real-time` **推送内容**:实时数据(0.5秒/次) ```json { "type": "real_time", "data": { "line_list": [ { "line_no": 1, "pri_val": { "Ua": 6000.0, "Ub": 6002.5, "Uc": 5998.3, "Ia": 150.2, "Ib": 148.9, "Ic": 151.6, "Pa": 820.5, "Pb": 815.3, "Pc": 825.7, "Pt": 2461.5, "Qa": 120.3, "Qb": 118.6, "Qc": 122.9, "Qt": 361.8, "Sa": 835.2, "Sb": 829.7, "Sc": 840.3, "St": 2505.2, "PFa": 0.98, "PFb": 0.97, "PFc": 0.99, "PFt": 0.98, "Uab": 10400.1, "Ubc": 10395.6, "Uca": 10398.2, "frq": 50.00 }, "sec_val": { "Ua": 57.6, "Ub": 57.7, "Uc": 57.5, "Ia": 1.2, "Ib": 1.18, "Ic": 1.22, "Pa": 68.2, "Pb": 67.8, "Pc": 68.6, "Pt": 204.6, "Qa": 9.8, "Qb": 9.6, "Qc": 10.1, "Qt": 29.5, "Sa": 69.5, "Sb": 68.9, "Sc": 70.1, "St": 208.5, "PFa": 0.98, "PFb": 0.97, "PFc": 0.99, "PFt": 0.98, "Uab": 100.0, "Ubc": 99.8, "Uca": 99.9, "frq": 50.00 } }, { "line_no": 2, "pri_val": {}, "sec_val": {} }, { "line_no": 3, "pri_val": {}, "sec_val": {} }, { "line_no": 4, "pri_val": {}, "sec_val": {} } ], "switch": { "di1": 1, "di2": 0, "di3": 1, "di4": 0, "di5": 1, "di6": 0, "di7": 1, "di8": 0, "di9": 1, "di10": 0, "di11": 1, "di12": 0, "do1": 1, "do2": 0, "do3": 1, "do4": 0, "do5": 1, "do6": 0, "do7": 1, "do8": 0, "do9": 1, "do10": 0, "do11": 1, "do12": 0 }, "ai_collect": { "ai1": 4.52, "ai2": 3.86, "ai3": 5.21, "ai4": 2.99, "ai5": 6.10, "ai6": 1.75, "ai7": 3.22, "ai8": 4.91, "ai9": 2.18, "ai10": 5.47, "ai11": 3.06, "ai12": 4.33 } } } ``` #### 2. WebSocket 地址:`ws://ip:port/ws/alarm` **推送内容**:实时报警事件(触发即推) ```json { "alarm_type": "line_alarm", "time": "2025-01-01 12:00:00", "no": "1", "type": "", "content": "告警内容", "level": "告警等级" }, { "alarm_type": "ai_alarm", "time": "2025-01-01 12:00:00", "no": "2", "type": "", "content": "告警内容", "level": "告警等级" }, { "alarm_type": "operate_alarm", "time": "2025-01-01 12:00:00", "no": "3", "type": "", "content": "告警内容", "level": "告警等级" } ``` ## 五、数据存储设计 ### 5.1 JSON配置文件 - 路径:`/config/` - 文件:`device.json`、`channel.json`、`setting.json` ### 5.2 SQLite报警数据库 表:`alarm_event` | 字段 | 类型 | 说明 | | ----------- | -------- | ------------------------------------------ | | id | INTEGER | 主键 | | alarm\_type | TEXT | 告警类型(line\_alarm,ai\_alarm,operate\_alarm) | | time | DATETIME | 事件发生时间 | | no | TEXT | 线路号/通道号 | | type | TEXT | 类型 | | content | TEXT | 告警详情 | | level | TEXT | 告警等级 | ## 六、安全与可靠性设计 1. **密码加密存储**,接口权限校验 2. WebSocket断线自动重连 3. 配置文件修改自动备份 4. 服务异常自动重启 ## 七、总结 本方案基于**RK3568平台**,采用**FastAPI + HTTP + WebSocket**架构,满足电气量测控平台全部需求: - RESTful API 负责配置、查询、控制 - WebSocket 负责实时数据、报警数据主动推送 - JSON 存储配置,SQLite 存储报警 - 0.5秒实时刷新,界面无卡顿、数据不丢失 系统架构轻量化、高性能,完全适配嵌入式平台运行。 ***