综合实现：产品框架（保姆级讲解）

你好！我是你的学习助手。今天我们来一起学习"综合实现"课程中的产品框架部分。我们将通过三张图片，逐步理解整个产品的硬件组成、设计思路、软件结构以及上位机界面。我会用最通俗的语言，把你当成零基础来讲解，确保你完全明白。每一部分我都会告诉你对应的图片放在哪里，方便你复习时对照。

1. 整体概述

在一个典型的物联网或工业控制系统中，通常有以下几个角色：

上位机：就是电脑或者平板上的控制软件，用来给人操作和查看数据。
中控：一个中间设备（比如智能网关），负责连接上位机和各种传感器，并处理通信。
传感器：实际测量温度、湿度、压力等的设备，它们可能通过不同的通信协议连接。

今天我们要讲的这个产品框架，就是围绕"上位机---中控---传感器"这三层来设计的。下面我们分别从硬件、设计思路、软件和界面四个角度来学习。

2. 9.1.1 硬件框架

这张图展示了整个系统的硬件连接关系。我们把它拆解开来解释：

2.1 图中的元素

上位机：最上方的"上位机"方块，它通过两个串口（com1 和 com2）连接到下面的中控。
中控：中间有两个"中控"方块，分别是"中控1"和"中控2"。每个中控有自己的通道（channel1 和 channel2），用来连接不同的传感器。
传感器：底部有很多传感器，分为两类：
- 非Modbus传感器：比如传感器1（非Modbus）和传感器m，它们可能使用自定义协议，不遵循Modbus标准。
- Modbus传感器：大量的传感器（传感器1、2、3、n、k、x、y等）都标有"Modbus"，表示它们支持Modbus通信协议。

2.2 连接关系

上位机通过 com1 连接到中控1，通过 com2 连接到中控2。
中控1通过 channel1 连接多个Modbus传感器（传感器1、2、3...n），同时还可能连接一个非Modbus传感器（传感器1非Modbus）。注意：这里"传感器1"出现了两次，可能是为了区分不同接口，实际中同一个传感器只能有一种连接方式。
中控2通过 channel2 连接另一组Modbus传感器（传感器k、x、y）以及一个非Modbus传感器（传感器m）。

2.3 为什么要这样设计？

中控的作用是协议转换和集中管理。它把来自不同传感器的数据统一起来，让上位机只需要跟中控通信，而不需要关心底下有多少种传感器。
通道（channel）可以理解为中控上的不同物理接口（比如RS485总线），每个通道可以挂载多个Modbus设备（通过不同的设备地址区分）。
非Modbus传感器可能需要额外的电路或协议转换，所以单独列出。

这样，硬件框架就构成了一个树形结构：上位机 → 中控 → 通道 → 传感器。

硬件框架的生活例子

[请对照上图：硬件框架]

上位机 → 物业总控制室的大屏幕电脑

物业管理员在这台电脑上查看整栋楼的设备状态、下发指令。它只跟下一级的"楼层管理员"打交道，不直接管每个房间的设备。
中控1、中控2 → 1楼和2楼的楼层管理员

每个楼层有一个管理员（中控），他们手里有两部对讲机（channel1 和 channel2），分别负责不同的区域。
- 中控1（1楼管理员）用对讲机1（channel1）联系1楼东区的各个房间设备；用对讲机2（channel2）联系1楼西区的设备。
- 中控2（2楼管理员）类似，用对讲机1（channel1）联系2楼东区，对讲机2（channel2）联系2楼西区。
Modbus传感器 → 支持标准对讲协议的智能设备

比如智能灯泡、智能插座，它们都听得懂楼层管理员用标准指令（Modbus协议）说的话。每个设备有一个唯一的编号（设备地址），管理员喊"设备5，打开灯光"，设备5就会执行。
非Modbus传感器 → 老式设备或特殊设备

比如一台老式空调，它只听得懂红外遥控指令（非Modbus），不能直接用对讲机控制。这时楼层管理员需要用一个红外转发器（特殊接口）来转换指令，所以图上单独列出"非Modbus传感器"。
串口（com1、com2） → 总控制室到楼层管理员的专用电话线

物业管理员通过电话线 com1 直接呼叫 1楼管理员，通过 com2 呼叫 2楼管理员。电话线是物理连接。

生活场景模拟 ：

物业管理员想查看 1楼东区 3号房间的智能灯泡是否亮着。他拿起电话 com1 打给 1楼管理员（中控1），说："请帮我查一下 channel1 上设备地址5 的灯泡状态。" 1楼管理员马上用对讲机1（channel1）呼叫设备5，获取状态，再通过电话告诉物业管理员。

3. 9.1.2 设计思路

这部分虽然没有图片，但它是整个系统的灵魂，解释了"上位机如何找到传感器"以及"数据如何流动"。我们结合硬件框架来理解。

3.1 上位机如何定位到传感器？

站在上位机的角度，它要读写某个传感器（比如"Modbus传感器2"），需要知道以下5个参数：

串口：使用com1 还是 com2？因为上位机通过不同的串口连接不同的中控。
通道：使用channel1 还是 channel2？因为中控可能有多个通道，每个通道下挂载不同的传感器。
Modbus设备地址：在同一个通道上，每个Modbus传感器有一个唯一的地址（比如1~247）。
寄存器类别：Modbus协议中有多种寄存器，比如线圈（Coils）、离散输入（Discrete Inputs）、保持寄存器（Holding Registers）、输入寄存器（Input Registers）。上位机需要指定要读哪一类。
寄存器地址：该类寄存器内的具体地址（比如0x0001）。

所以，当用户在上位机界面上添加一个"点"（即一个监控对象）时，就需要填写这5个参数。

3.2 上位机如何读写传感器？

为了简化上位机的设计，我们让上位机只跟中控通信。也就是说，上位机根本不知道下面有那么多传感器，它只认为中控就是一个大设备，中控内部有很多寄存器。这些寄存器被映射到实际传感器的数据。

映射关系：上位机把用户填写的5个参数打包成一个"映射规则"，然后发送给中控。中控收到后，就会建立一张映射表：比如"中控的寄存器A"对应"通道1上的设备地址2的保持寄存器0x0010"。
读操作：当中控需要读取某个传感器的数值时，它主动轮询（不断读取）这些传感器，并把最新值保存到自己的寄存器中。上位机要读数据时，直接读中控的对应寄存器即可，非常快。
写操作：如果上位机要控制某个设备（比如写线圈），它会发送写命令给中控，中控再根据映射表转发给对应的传感器。

3.3 中控如何读写传感器？

中控内部运行着一个后台程序，它负责：

根据映射表，定时通过Modbus协议读取传感器的数据（轮询）。
接收上位机的写命令，并立即去写传感器。
维护与上位机的通信（比如通过串口或网络）。

3.4 上位机如何发送映射关系、传输固件？

当用户在上位机界面上配置好所有"点"之后，需要把映射关系下发给中控。另外，有时还需要升级中控的固件。这里用到Modbus的一个特殊功能：Write File Record（写文件记录）。这个功能允许通过Modbus协议传输大块数据，甚至整个文件。所以上位机可以把映射关系表（一个文件）或者固件文件，用这个功能发送给中控，中控再写入自己的Flash存储器中。

4. 9.1.3 软件框架

这张图展示了各个设备上的软件层次和通信方式。我们从上到下解读：

4.1 上位机

上位机软件分为两部分：

LVGL（前台程序）：这是一个流行的嵌入式图形库，用来绘制漂亮的用户界面。用户看到的按钮、图表等都是它渲染的。
后台程序（控制中心）：负责处理业务逻辑，比如与中控通信、管理映射关系、处理升级等。前台和后台之间通过某种内部通信（比如JSON RPC）交换数据。

4.2 中控

中控的软件也分层：

APP（应用程序） 和 Bootloader：Bootloader是启动加载程序，负责启动APP或升级固件。APP就是实际运行的控制程序。
libmodbus：一个开源的Modbus协议库，用来封装Modbus报文，方便与传感器通信。
串口API：操作系统提供的串口操作接口。
UART HAL：硬件抽象层，屏蔽不同芯片的UART差异。
Flash驱动：用来读写中控内部的Flash存储器，用于保存配置信息和固件。

4.3 传感器

传感器同样有 APP/Bootloader ，以及 libmodbus 、UART HAL 、Flash驱动。对于非Modbus传感器，可能没有libmodbus，而是使用自定义协议。

4.4 通信方式

上位机与中控 ：通过 JSON RPC远程调用 进行通信。JSON是一种轻量级数据格式，RPC（远程过程调用）让上位机可以像调用本地函数一样调用中控的功能。比如上位机发送一个JSON命令："读取寄存器0x100"，中控执行后返回结果。
中控与传感器 ：通过 Modbus协议（基于串口）通信。中控使用libmodbus库构造Modbus请求，通过串口发送给传感器，传感器解析并回复。

4.5 数据流向

用户操作LVGL界面 → 后台程序 → JSON RPC → 中控后台 → libmodbus → 串口 → 传感器。
传感器数据返回路径相反。

这样分层设计的好处是每一层职责清晰，易于维护和扩展。

软件框架的生活例子

[请对照上图：软件框架]

现在我们把人物换成他们手里的工具和软件，看看数据是怎么流动的。

上位机（物业总控制室电脑）：
- LVGL（前台程序） → 大屏幕上的可视化界面，显示整栋楼的平面图，每个房间的灯、空调图标，还有实时温度数字。物业管理员点点图标就能下发指令。
- 后台程序（控制中心） → 电脑后台运行的"指令处理系统" ，它接收前台的点按事件，转换成具体的任务（比如"查设备5状态"），然后通过 JSON RPC远程调用 把任务打包成标准指令，发送给对应的楼层管理员。
中控（楼层管理员的智能平板）：
- APP（应用程序） → 平板上的管理软件，负责处理物业发来的任务，调度底层通信。
- Bootloader → 平板的启动引导程序，平时隐藏，只有在升级管理软件时才出现，保证升级失败还能恢复。
- libmodbus → 对讲机里的"标准指令手册"，APP要跟设备说话时，就调用 libmodbus 把"查状态"翻译成设备能听懂的 Modbus 报文（比如一串数字：设备地址+功能码+寄存器地址）。
- 串口API → 平板的操作系统提供的"拨号接口"，APP通过它调用硬件发送数据。
- UART HAL → 平板的硬件驱动层，把数字信号转换成电信号，从对讲机天线发出去。
- Flash驱动 → 平板的存储卡读写工具，用来保存"映射表"（哪个房间对应哪个设备地址）和 APP 的升级文件。
传感器（智能灯泡）：
- 也有自己的 APP/Bootloader （灯泡内置的固件和启动程序），以及 libmodbus （听懂标准指令）、UART HAL （接收电信号）、Flash驱动（保存自己的配置，比如亮度记忆）。
通信过程：
1. 物业管理员在 LVGL 界面上点击"查询 1楼东区灯泡5"。
2. 后台程序收到，用 JSON RPC 打包成一条消息："中控1，请读 channel1 设备5 的线圈0x0001"。
3. 消息通过电话线（串口）传到 1楼管理员的平板。
4. 平板的 APP 解析消息，调用 libmodbus 生成 Modbus 查询报文：[设备地址5] [功能码01] [寄存器地址0x0001] [数据长度1] [校验]。
5. 串口API 和 UART HAL 把报文变成电信号，从对讲机1（channel1）发射出去。
6. 灯泡5 的 UART HAL 收到信号，libmodbus 解析出"查询线圈"，APP 读取自己的状态，原路返回数据。
7. 数据层层返回，最终显示在 LVGL 界面上。

5. 5. 上位机界面

最后我们来看上位机界面长什么样，用户如何操作。这张图可能有点乱，我们整理出关键区域：

5.1 顶部按钮

Upgrade：升级按钮，点击后可以上传固件文件给中控升级。
MQTT Setting：MQTT设置，可能用于将数据上传到云平台。
Advanced Settings：高级设置，比如网络参数、日志级别等。

5.2 左侧区域 ------ 参数配置区

这里是添加/编辑"点"的地方，对应我们之前说的5个参数。注意图中标注了"1.点击"可能是指点击某个按钮后弹出配置界面。具体参数：

RTU / TCP：选择Modbus通信方式是RTU（串口）还是TCP（网络）。这里我们主要是RTU。
Period：轮询周期，比如100ms。
COM/IP：选择串口号或IP地址（如果是TCP）。
Device addr (0x)：设备地址，十六进制。
Register addr (0x)：寄存器地址，十六进制。
Function：功能码，比如读线圈（01）、读保持寄存器（03）等。
Coils (0x)：可能是指线圈数量或具体值。

图中还标注了"①参数1："、"②参数2："等，应该对应：

①：设备地址
②：寄存器地址
③：寄存器类别（比如线圈、保持寄存器等）
④⑤可能是其他参数，比如通道号、数据格式等。

5.3 右侧区域 ------ 串口/网络设置

这里配置与中控连接的物理参数：

COMPORT：串口号，比如COM1、COM2。
Baudrate：波特率，比如9600、115200。
Data bits：数据位，通常8。
Stop bits：停止位，通常1。
Parity：校验位，无、奇校验、偶校验。
Remote IP：如果使用TCP模式，这里填中控的IP。
Remote Port：端口号。
Channel：中控的通道号（1或2）。

5.4 右侧下方大量参数列表

图中列出了从"①参数1："一直到"㊿参数51："等许多行，但很多都是重复的"127.0.0.1"。这可能是一个占位符，实际界面中可能是一个表格，用于显示已配置的多个"点"的映射关系，或者显示传感器采集到的实时数据。127.0.0.1是本地回环地址，只是示例。

5.5 操作流程

首先在右侧配置好串口参数，连接中控。
然后在左侧填写5个参数，点击"添加"或类似按钮，创建一个点。
可以配置多个点，每个点对应一个传感器数据。
配置完成后，点击"Upgrade"或"应用"将映射关系下发给中控。
之后界面就会开始显示各个点的实时数值。

6. 总结

通过今天的学习，我们掌握了整个产品的框架：

硬件：上位机通过串口连接中控，中控通过通道连接各种传感器。
设计思路：上位机只需跟中控交互，通过5个参数定位传感器，中控负责映射和轮询。
软件：分层设计，使用JSON RPC和Modbus协议通信，界面用LVGL。
界面：用户可配置参数，下发映射，查看数据。

这三张图片分别对应硬件、软件和界面，是理解整个系统的关键。希望你以后复习时，能对照这些图片回忆起今天的内容。如果有任何疑问，欢迎随时提问！