【香橙派系列教程】(十八) 视觉垃圾桶-网络线程

橘猫0.o2024-09-03 21:21

【十八】视觉垃圾桶-网络线程

文章目录

一、增加网络控制功能

1.实现需求：

Socket网络编程，通过Socket远程接入控制垃圾识别功能。

2.TCP 心跳机制解决Soket异常断开问题

Socket客户端断开有两种情况：

第一种：客户端能够发送状态给服务器；正常断开，强制关闭客户端等，客户端能够做出反应。

第二种：客户端不能发送状态给服务器；突然断网，断电，客户端卡死等，客户端根本没机会做出反应，服务器更不了解客户端状态，导致服务器异常等待。

为了解决上述问题，引入TCP心跳包机制：

心跳包的实现，心跳包就是服务器定时向客户端发送查询信息，如果客户端有回应就代表连接正常，类似于linux系统的看门狗机制。心跳包的机制有一种方法就是采用TCP_KEEPALIVE机制，它是一种用于检测TCP连接是否存活的机制，它的原理是在一定时间内没有数据往来时，发送探测包给对方，如果对方没有响应，就认为连接已经断开。TCP_KEEPALIVE机制可以通过设置一些参数来调整，如探测时间间隔、探测次数等。

二、Linux内核提供了通过sysctl命令查看和配置TCP KeepAlive参数的方法。

在 Linux 内核中，可以通过 sysctl 命令来查看和配置 TCP KeepAlive 参数。TCP KeepAlive 是一种机制，用于在两个端点之间的连接空闲时检测连接的活跃性。

以下是一些与 TCP KeepAlive 相关的 sysctl 参数以及它们的含义：

  1. tcp_keepalive_time:
  • 含义：TCP KeepAlive 的开始时间。表示连接空闲的时间，超过这个时间，内核开始发送 KeepAlive 消息。
  • 默认值：7200 秒（2 小时）
apl 复制代码 
//查看当前系统的TCP KeepAlive参数
sysctl net.ipv4.tcp_keepalive_time
  1. tcp_keepalive_intvl:
  • 含义：两次 KeepAlive 消息之间的时间间隔。
  • 默认值：75 秒
apl 复制代码 
//查看当前系统的TCP KeepAlive参数
sysctl net.ipv4.tcp_keepalive_intvl
  1. tcp_keepalive_probes:
  • 含义：在放弃连接之前发送的 KeepAlive 消息的次数。
  • 默认值：9 次
apl 复制代码 
//查看当前系统的TCP KeepAlive参数
sysctl net.ipv4.tcp_keepalive_probes

这些参数的配置可以通过修改 /etc/sysctl.conf 文件来实现。例如，要将 tcp_keepalive_time 设置为 600 秒，可以在 /etc/sysctl.conf 中添加如下行：

c 复制代码 
net.ipv4.tcp_keepalive_time = 600

然后，可以运行以下命令使更改生效：

c 复制代码 
sysctl -p

请注意，修改这些参数可能会对系统的整体性能产生影响，因此在进行更改之前，请仔细了解每个参数的含义以及它们的默认值。一般我们通过函数调用来实现修改他的默认值，而不是直接将系统配置文件给修改掉。

修改TCP KeepAlive参数

慎用：别用就行了。

c++ 复制代码 
sysctl net.ipv4.tcp_keepalive_time=3600
c++ 复制代码 
ls /proc/sys/net/ipv4/

三、C语言实现TCP KeepAlive功能

setsockopt 是一个在 socket 编程中用于设置套接字选项的函数。它允许你配置 socket 的行为，例如设置 socket 的类型、控制选项、状态选项等。这个函数是 POSIX 标准的一部分，广泛应用于 UNIX 和类 UNIX 系统。

1.函数原型

c 复制代码 
#include <netinet/tcp.h>
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname,const void *optval, socklen_t optlen);
  • sockfd：要设置选项的套接字文件描述符。
  • level：指定选项定义的协议层。常见的层级有 SOL_SOCKET（针对 socket 层），或者特定的协议层如 IPPROTO_TCP（针对 TCP 协议层）。
  • optname：要设置的选项的名称。
  • optval：指向包含选项值的缓冲区的指针。
  • optlen：optval 指向的缓冲区的长度。

2.返回值

  • 成功时，返回 0。
  • 失败时，返回 -1，并设置 errno 以指示错误。

3.常见选项示例

  • SO_REUSEADDR：允许重新使用本地地址和端口号，即使之前的连接尚未完全关闭。
  • SO_KEEPALIVE（SOL_SOCKET）：启用 TCP 保活机制，定期发送数据以检测连接状态。
  • SO_LINGER：设置 socket 的逗留时间，决定 socket 关闭时的行为。
  • SO_RCVBUF 和 SO_SNDBUF：分别设置接收和发送缓冲区的大小。
  • TCP_KEEPIDLE（SOL_TCP）：指定连接在 TCP 开始发送保持活动探测之前必须空闲的时间（以秒为单位）。
  • TCP_KEEPCNT（SOL_TCP）：指定在将连接视为中断之前 TCP 应发送的最大保持活动探测次数。
  • TCP_KEEPINTVL（SOL_TCP）：指定个别保持活动探测之间的时间（以秒为单位）。
  • IPPROTO_TCP：TCP（传输控制协议）的协议级别。用于设置特定于 TCP 的套接字选项。

4.使用示例

c 复制代码 
int keepalive = 1; // 开启TCP KeepAlive功能
int keepidle = 5; // tcp_keepalive_time 3s内没收到数据开始发送心跳包
int keepcnt = 3; // tcp_keepalive_probes 每次发送心跳包的时间间隔,单位秒
int keepintvl = 3; // tcp_keepalive_intvl 每3s发送一次心跳包

setsockopt(client_socketfd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, (void *)&keepalive, sizeof(keepalive));
setsockopt(client_socketfd, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, (void *)&keepidle, sizeof(keepidle));
setsockopt(client_socketfd, SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, (void *)&keepcnt, sizeof(keepcnt));
setsockopt(client_socketfd, SOL_TCP, TCP_KEEPINTVL, (void *)&keepintvl, sizeof(keepintvl));

对于Socket而言，可以在程序中通过socket选项开启TCP KeepAlive功能，并配置参数。

对应的Socket选项分别为 SO_KEEPALIVE 、TCP_KEEPIDLE 、 TCP_KEEPCNT 、 TCP_KEEPINTVL 。

关于 setsockopt 函数的参数和相应的套接字选项以及协议的对应关系，以及对应的描述。

setsockopt 参数 对应的 Socket Level 对应的协议 描述
SO_KEEPALIVE SOL_SOCKET IPPROTO_TCP 启用或禁用在套接字上发送保持活动消息，用于检测连接是否仍然活动。
TCP_KEEPIDLE SOL_TCP IPPROTO_TCP 指定连接在TCP开始发送保持活动探测之前必须空闲的时间（秒）。
TCP_KEEPCNT SOL_TCP IPPROTO_TCP 指定在将连接视为中断之前TCP应发送的最大保持活动探测次数。
TCP_KEEPINTVL SOL_TCP IPPROTO_TCP 指定个别保持活动探测之间的时间间隔（秒）。
IPPROTO_TCP N/A IPPROTO_TCP 表示TCP（传输控制协议）的协议级别，用于设置特定于TCP的套接字选项。

四、代码实现

mysocket.h

c 复制代码 
#ifndef __MYSOCKET__H
#define __MYSOCKET__H

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>          /* See NOTES */
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>

#define IPADDR "192.168.0.110" //填写自己实际的ip地址
#define IPPORT "8192"
#define BUF_SIZE 6

int socket_init(const char *ipaddr, const char *port);

#endif

mysocket.c

c 复制代码 
#include "mysocket.h"

int socket_init(const char *ipaddr, const char *port)
{
	int server_fd = -1;
	struct sockaddr_in server_addr;

	memset(&server_addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));

	// 创建服务器套接字
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    if (server_fd == -1) {
        perror("Socket creation failed");
        return -1;
    }

    // 设置服务器地址结构
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(port);
//  server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    inet_aton(ipaddr, &server_addr.sin_addr);

    // 绑定服务器套接字
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("Binding failed");
        return -1;
    }

    // 监听传入的连接请求
    if (listen(server_fd, 1) == 0) {	//只监听1个连接，排队扔垃圾
        printf("Listening for incoming connections...\n");
    } else {
        perror("Listening failed");
        return -1;
    }

	return server_fd;
}

main.c

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <wiringPi.h>
#include <pthread.h>

#include "uartTool.h"
#include "garbage.h"
#include "pwm.h"
#include "myoled.h"
int serial_fd = -1; // 串口文件描述符
pthread_cond_t cond; // 条件变量，用于线程之间的条件同步
pthread_mutex_t mutex; // 互斥锁，用于线程之间的互斥访问

 // 判断进程是否在运行
static int detect_process(const char * process_name)
{
	int n = -1; // 存储进程PID，默认为-1
	FILE *strm;
	char buf[128] = {0}; // 缓冲区
	
	// 构造命令字符串，通过ps命令查找进程
	sprintf(buf, "ps -ax | grep %s|grep -v grep", process_name);
	// 使用popen执行命令并读取输出
	if ((strm = popen(buf, "r")) != NULL) {
		if (fgets(buf, sizeof(buf), strm) != NULL) {
			printf("buf = %s\n", buf); 	//打印缓存区的内容
			n = atoi(buf); 				// 将进程ID字符串转换为整数
			printf("n = %d\n", n); 		// 打印下进程的PID
		}
	}
	else {
		return -1; // popen失败
	}	
	pclose(strm); // 关闭popen打开的文件流

	return n;
}
// 发送语音线程
void *psend_voice(void *arg)
{
	pthread_detach(pthread_self());
	unsigned char *buffer = (unsigned char *)arg;

	// 串口未打开，退出线程
	if (-1 == serial_fd) {
		printf("%s|%s|%d: open serial failed\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
		pthread_exit(0);
	}

	// buffer不为空时，通过串口发送数据(分类结果)
	if (NULL != buffer) {
		my_serialSendstring(serial_fd, buffer, 6);
	}
	pthread_exit(0);
}

// 控制垃圾桶线程
void *popen_trash_can(void *arg)
{
	pthread_detach(pthread_self());
	unsigned char *buffer = (unsigned char *)arg;

	// 根据垃圾类型控制PWM
	if (buffer[2] == 0x43|buffer[2] == 0x42|buffer[2] == 0x44) {		// 可回收垃圾,湿垃圾,有害垃圾
		//printf("%s|%s|%d: buffer[2] = 0x%x\n", __FILE__, __func__, __LINE__, buffer[2]);
		pwm_write(PWM_RECOVERABLE_GARBAGE);
		delay(2000);
		pwm_stop(PWM_RECOVERABLE_GARBAGE);
	}
	else if (buffer[2] == 0x41) {	// 干垃圾
		//printf("%s|%s|%d: buffer[2] = 0x%x\n", __FILE__, __func__, __LINE__, buffer[2]);
		pwm_write(PWM_GARBAGE);
		delay(2000);
		pwm_stop(PWM_GARBAGE);
	}

	pthread_exit(0);
}
void *popen_trash_can(void *arg)
{
   	pthread_detach(pthread_self());
    // 初始化 OLED
	myoled_init();
	// 在 OLED 上显示垃圾分类结果
	oled_show(arg);
	pthread_exit(0);   
}
// 获取语音线程
void *pget_voice(void *arg)
{
	unsigned char buffer[6] = {0xAA, 0x55, 0x00, 0x00, 0X55, 0xAA};
	int len = 0;

	//printf("%s|%s|%d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
	// 串口未打开，退出线程
	if (-1 == serial_fd) {
		printf("%s|%s|%d: open serial failed\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
		pthread_exit(0);
	}

	//printf("%s|%s|%d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
	// 循环读取串口数据
	while (1) {
		len = my_serialGetstring(serial_fd, buffer);

		//printf("%s|%s|%d, len = %d\n", __FILE__, __func__, __LINE__, len);
		// 检测到特定数据，发出信号唤醒其他线程
		if (len > 0 && buffer[2] == 0x46) {
			//printf("%s|%s|%d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
			pthread_mutex_lock(&mutex);
			buffer[2] = 0x00;
            // 在执行wget命令之前添加调试输出
            printf("Executing wget command...\n");
            // 使用系统命令拍照
            system(WGET_CMD);
            // 在执行wget命令之后添加调试输出
            printf("Wget command executed.\n");
			pthread_cond_signal(&cond);
			pthread_mutex_unlock(&mutex);			
		}
	}
	pthread_exit(0);
}
// 阿里云垃圾分类线程
void *pcategory(void *arg)
{
	unsigned char buffer[6] = {0xAA, 0x55, 0x00, 0x00, 0X55, 0xAA};
	char *category = NULL;
	pthread_t send_voice_tid, trash_tid,oled_tid;

	while (1) {
		//printf("%s|%s|%d: \n", __FILE__, __func__, __LINE__);
		pthread_mutex_lock(&mutex);
		pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
		pthread_mutex_unlock(&mutex);

		//printf("%s|%s|%d: \n", __FILE__, __func__, __LINE__);
		buffer[2] = 0x00;	
		// 判断垃圾种类
		if (0 == access(GARBAGE_FILE, F_OK)) {
			category = garbage_category(category);
			if (strstr(category, "干垃圾")) {
				buffer[2] = 0x41;
			}
			else if (strstr(category, "湿垃圾")) {
				buffer[2] = 0x42;
			}
			else if (strstr(category, "可回收垃圾")) {
				buffer[2] = 0x43;
			}
			else if (strstr(category, "有害垃圾")) {
				buffer[2] = 0x44;
			}
			else {
				buffer[2] = 0x45; // 未识别到垃圾类型
			}
		}
		else {
			buffer[2] = 0x45; // 识别失败
		}
		// 开垃圾桶开关
		pthread_create(&trash_tid, NULL, psend_voice, (void *)buffer);
		// 开语音播报线程
		pthread_create(&send_voice_tid, NULL, popen_trash_can, (void *)buffer);
        //开OLED屏幕线程
        pthread_create(&oled_tid, NULL, popen_trash_can, (void *)buffer);
		// 删除拍照文件
		remove(GARBAGE_FILE); 
	}
	pthread_exit(0);
}

void *pget_socket(void *arg)
{
	int server_fd = -1;				// 服务器 socket 文件描述符
	int client_fd = -1;				// 客户端 socket 文件描述符
	char buffer[6];					// 用于存储接收到的数据的缓冲区
	int nread = -1;					// 接收到的数据长度
	struct sockaddr_in client_addr;	// 客户端地址信息结构体
	int clen = sizeof(struct sockaddr_in);

	memset(&client_addr, 0, sizeof(struct sockaddr_in));

	// 初始化服务器 socket
	server_fd = socket_init(IPADDR, IPPORT);
	printf("%s|%s|%d:server_fd = %d\n", __FILE__, __func__, __LINE__, server_fd);

	if (-1 == server_fd) {
		pthread_exit(0); // 初始化失败，退出线程
	}
	sleep(3); // 等待 socket 初始化完成

	while (1) {
		// 接受客户端连接
		client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &clen);

		// 配置 TCP KeepAlive 参数
		int keepalive = 1; 			// 开启TCP KeepAlive功能
		int keepidle = 5; 			// tcp_keepalive_time 3s内没收到数据开始发送心跳包
		int keepcnt = 3; 			// tcp_keepalive_probes 每次发送心跳包的时间间隔,单位秒
		int keepintvl = 3;			// tcp_keepalive_intvl 每3s发送一次心跳包

		setsockopt(client_fd, SOL_SOCKET, SO_KEEPALIVE, (void *)&keepalive, sizeof(keepalive));
		setsockopt(client_fd, SOL_TCP, TCP_KEEPIDLE, (void *)&keepidle, sizeof(keepidle));
		setsockopt(client_fd, SOL_TCP, TCP_KEEPCNT, (void *)&keepcnt, sizeof(keepcnt));
		setsockopt(client_fd, SOL_TCP, TCP_KEEPINTVL, (void *)&keepintvl, sizeof(keepintvl));
		
		printf("%s|%s|%d: Accept a connection from %s:%d\n", __FILE__, __func__, __LINE__, inet_ntoa(client_addr.sin_addr), ntohs(client_addr.sin_port));

		if (client_fd == -1) {
			perror("accept");
			continue; // 如果接受连接失败，继续下一次循环
		}

		while (1) 
		{
			memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
			 // 从客户端接收数据
			nread = recv(client_fd, buffer, sizeof(buffer), 0); //n_read = read(c_fd, buffer, sizeof(buffer));
			printf("%s|%s|%d:nread = %d, buffer = %s\n", __FILE__, __func__, __LINE__, nread, buffer);

			// 根据接收到的数据执行相应的操作
			if (nread > 0) 
			{
				if (strstr(buffer, "open")) {
					pthread_mutex_lock(&mutex);
					pthread_cond_signal(&cond);
					pthread_mutex_unlock(&mutex);
				}
				if (strstr(buffer, "k1")) {
                    pwm_write(PWM_GARBAGE);
                    delay(2000);
                    pwm_stop(PWM_GARBAGE);
                }

			}
			else if (0 == nread || -1 == nread) {
				break; // 如果接收到的数据长度为 0 或者出错，跳出循环
			}
		}
		close(client_fd); // 关闭客户端连接
	}
	pthread_exit(0); // 退出线程
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	int ret = -1;
	int len = 0;
	char *category = NULL;
	pthread_t get_voice_tid, category_tid,get_socket_tid;

	wiringPiSetup();
	// 初始化串口和垃圾分类模块
	garbage_init ();

	// 用于判断mjpg_streamer服务是否已经启动
	ret = detect_process ("mjpg_streamer");
	if (-1 == ret) {
		printf("detect process failed\n");
        goto END;
	}
	
	// 打开串口
	serial_fd = my_serialOpen (SERIAL_DEV, BAUD);
	if (-1 == serial_fd) {
		printf("open serial failed\n");
		goto END;
	}

	// 开语音线程
	//printf("%s|%s|%d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
	pthread_create(&get_voice_tid, NULL, pget_voice, NULL);

	// 开阿里云交互线程
	//printf("%s|%s|%d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
	pthread_create(&category_tid, NULL, pcategory, NULL);

    // 开网络线程
	//printf("%s|%s|%d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
	pthread_create(&get_socket_tid, NULL, pget_socket, NULL);
    
    //等待线程终止并获取返回值
	pthread_join(get_voice_tid, NULL);
	pthread_join(category_tid, NULL);
	pthread_join(get_socket_tid, NULL);
	// 销毁互斥锁和条件变量
	pthread_mutex_destroy(&mutex);
	pthread_cond_destroy(&cond);


END:
    // 关闭串口
	close(serial_fd);
	// 释放垃圾分类资源
	garbage_final();

	return 0;
}
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