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嵌入式操作系统 | 网关维护状态表 + 每 2 秒上报（含设备在线判定）

本课程开源地址（Gitee）：https://gitee.com/fujianxinxi/qianrushixitongyingyongkaifa.git
课件、示例代码与验收脚本都在该仓库，可直接git clone或下载 ZIP 使用。

模块七 · 2 学时 · 环境：Ubuntu（gcc + libubox）+ socat 虚拟串口

一句话概述：网关不再"收到就转发"，而是把设备状态记进一张表，然后每 2 秒自己组一帧0x81（帧尾多一个"在线"字节）UDP 上报给固定目标；设备超过 3 秒没上报就标成离线。下课时你能看到：灯 亮 | 风扇 2 档 | 25.0 ℃ | 在线→ 关掉设备 →离线→ 设备回来 →在线。

本节目标

1. 会定义"设备状态表"结构体（灯/风扇/温度/最后收到时间/在线标志），并在收到帧时更新它
2. 会用uloop_timeout做周期上报（回调里再排一次），会自己组帧（build_frame+ CRC16）
3. 会做在线判定（用单调时间比较），并说清"为什么要把上报目标固定下来"（对比课时 27 的坑）
4. 能复现全过程：上线 → 掉线 → 恢复

一、讲解内容

1.1 知识讲解

本节在课时 28 的基础上加什么。上一节的网关只是"把设备帧广播出去"；这一节它开始记住设备的当前状态，并主动、定期地对外汇报：

设备面板 ──0x80 状态帧（每秒）──▶ 网关 ├── ① 更新"设备状态表"（灯/风扇/温度/最后收到时间） ├── ② 广播给已连接的 TCP 客户端（课时 28 已有） └── ③ 每 2 秒自己组一帧 0x81 ──UDP──▶ 监听端/界面/上位机 （表里的值 + online 标志）

为什么要"状态表"？三个现实原因，学生要能说出来：

帧格式加了一版（v1.1）：网关对外发的是0x81，比设备的0x80多一个"在线"字节：

在线判定怎么做？关键是用单调时间（CLOCK_MONOTONIC），不是墙上时钟（date那种会被手动/校时改动）：

staticlongnow_ms(void)/* 单调时间的毫秒数 */{structtimespects;clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC,&ts);return(long)ts.tv_sec*1000+(long)(ts.tv_nsec/1000000);}/* 收到设备状态帧时： */state.last_seen_ms=now_ms();/* 记下"最后一次见到" */state.online=1;/* 每 2 秒上报时先判一次： */if(state.online&&now_ms()-state.last_seen_ms>OFFLINE_MS){state.online=0;/* 3 秒没消息 → 掉线 */}

阈值怎么定？要比设备的上报周期宽 2~3 倍：设备 1 秒一帧 → 3 秒判掉线（本课）。太紧会"抖动"（设备只是慢了半拍就报掉线），太松则掉线发现慢。

"上报目标固定"是本节特意改的设计（对比课时 27）：

1.2 操作步骤（一条命令一步，看现象）

第 0 步：环境检查（gcc、libubox、socat、pyserial；完整清单见课时 24 附录 F）

gcc--version|head-1ls/usr/local/include/libubox/uloop.hwhichsocat python3-c"import serial; print('pyserial OK')"

第 1 步：编译（本节的网关是从课时 28 复制过来改的）

cd~/lab/课时29-网关状态表与上报ls# 应看到 gateway_full.c、state_listener.pygcc-Wall-Wextra-ogateway_full gateway_full.c-lubox

现象（实测）：[OK] gateway_full 编译无警告。

第 2 步：四个终端准备好（A 串口 / B 设备面板 / C 网关 / D 监听端）

# 终端 A：虚拟串口socat-d-dpty,raw,echo=0,link=/tmp/ttyV0 pty,raw,echo=0,link=/tmp/ttyV1# 终端 B：设备面板（课时 26 的程序）cd~/lab/课时26-设备面板接串口&&python3 device_panel_serial.py# 终端 C：网关（参数：串口 / TCP端口 / 上报目标IP / 上报端口）cd~/lab/课时29-网关状态表与上报 ./gateway_full /tmp/ttyV09000127.0.0.19100# 终端 D：监听上报（只看，不发命令）python3-ustate_listener.py9100

网关启动的现象（实测）：

网关已启动：串口 /tmp/ttyV0 @ 9600 ⇄ TCP 0.0.0.0:9000（Ctrl+C 退出） 上位机发命令：先发 2 字节长度（大端），再发那一帧 设备状态：① 广播给已连接的 TCP 客户端；② 每 2000 毫秒 UDP 上报到 127.0.0.1:9100

终端 D 的现象（网关每 2 秒上报一次，注意最后那个"在线"）：

监听 UDP 9100，等网关每 2 秒上报一次（Ctrl+C 退出） 收到 55 AA 81 05 00 00 00 F1 01 0E 0D → 灯 灭 | 风扇 0 档 | 24.1 ℃ | 在线 收到 55 AA 81 05 00 00 00 F3 01 0F 6D → 灯 灭 | 风扇 0 档 | 24.3 ℃ | 在线

帧里的81 05= TYPE 0x81、LEN 5，最后那个字节01就是"在线"。

第 3 步：用 TCP 命令控制设备，看上报跟着变（课时 28 的客户端就能用）

cd~/lab/课时29-网关状态表与上报 python3-u../课时28-网关TCP命令通道/tcp_client.py led on python3-u../课时28-网关TCP命令通道/tcp_client.py fan2

现象（实测，终端 D）：

收到 55 AA 81 05 01 02 00 F2 01 32 85 → 灯 亮 | 风扇 2 档 | 24.2 ℃ | 在线 收到 55 AA 81 05 01 02 00 F4 01 31 25 → 灯 亮 | 风扇 2 档 | 24.4 ℃ | 在线

命令走 TCP（时长 28），状态走 UDP 上报（本节）——控制与数据分开，这也是真实工控系统的常见做法。

第 4 步：★掉线实验——把设备"拔掉"

pkill-f'device_panel_seria[l]'# 杀掉设备面板（相当于把设备断电/拔线）

等 5~6 秒，终端 D 的现象（实测，先保持"最后已知值"，再把在线位变成 00）：

收到 55 AA 81 05 01 02 00 F3 01 33 15 → 灯 亮 | 风扇 2 档 | 24.3 ℃ | 在线 收到 55 AA 81 05 01 02 00 F1 01 32 75 → 灯 亮 | 风扇 2 档 | 24.1 ℃ | 在线 收到 55 AA 81 05 01 02 00 F1 00 F3 B5 → 灯 亮 | 风扇 2 档 | 24.1 ℃ | 离线 ← online 变 0

网关那边同时打印（实测）：

★ 设备掉线了（超过 3000 毫秒没收到状态帧） 网关上报状态(0x81)（11 字节）：55 AA 81 05 01 02 00 F1 00 F3 B5 → 灯 亮 | 风扇 2 档 | 24.1 ℃ | 离线（第 7 次上报）

第 5 步：★设备回来了

cd~/lab/课时26-设备面板接串口 python3 device_panel_serial.py

现象（实测，几秒内自动恢复"在线"）：

★ 设备上线了（灯 灭，风扇 0 档，24.9 ℃） ← 网关日志 收到 55 AA 81 05 00 00 00 F7 01 0D AD → 灯 灭 | 风扇 0 档 | 24.7 ℃ | 在线

第 6 步：停网关看统计

Ctrl+C停网关（终端 C），现象（实测）：

网关退出。统计：串口收 18 帧、TCP 广播 4 次；TCP 收 2 帧、转给串口 2 帧；状态上报 11 次

三个数字对照着看：18 帧是从设备收到的、11 次是每 2 秒上报的次数、2 帧是客户端下发的命令。

第 7 步：收工。依次 Ctrl+C：监听端 → 网关 → 设备面板 → socat。

1.3 常见错误与排查

二、学生练习

本节命令速查表：

三、作业

• 必做：交 3 张截图（监听端"在线"的一行 / 掉线后"离线"的一行 + 网关"设备掉线了" / 恢复后"在线"），并回答：① 网关为什么要维护"设备状态表"？不维护行不行？② 在线判定的阈值应该怎么定？定太小/太大分别会怎样？③ 为什么要用CLOCK_MONOTONIC（单调时间）而不是date那种时间？④ 本节把上报目标改成了"固定地址"，比课时 27 的"谁说话听谁的"好在哪？
• 选做：① 在0x81帧里再加一个"最后更新时间"（比如"距离上次收到设备帧多少秒"，1 字节），监听端也翻译它；② 给网关加一条"设备连续离线超过 10 秒就打印一条告警"的日志（提示：在send_state_report里加个计数器）
• 提交：截图 + 文字回答，命名课时29-作业截图.png

四、本节小结与下节预告

本节网关"长脑子"了：一张设备状态表（灯/风扇/温度/最后收到时间/在线）、每 2 秒自己组帧0x81上报（含在线字节）、超过 3 秒就判掉线，并且把上报目标固定下来（不再受"谁说话"影响）。你还亲手做了"在线 → 掉线 → 恢复"的全过程实验。

下节课（课时 30）做上位机界面：用 Flask 起一个网页，页面上显示灯/风扇/温度/在线（收网关的 UDP 上报），并放控制按钮（走 TCP 发命令）——做完之后，用鼠标就能控制那个"串口设备"，而且在 Windows 宿主机浏览器里也能操作。

附录：怎么运行 + 完整代码

两个文件在代码/课时29-网关状态表与上报/：gateway_full.c（网关，从课时 28 复制后加功能）和state_listener.py（上报监听端）。完整代码以仓库文件为准，下面摘本节新增的代码。

附录 A｜环境准备 + 怎么运行

# ===== ⓿ 环境准备（缺哪个装哪个；完整清单见课时 24 附录 F）=====sudoaptupdatesudoaptinstall-ybuild-essential cmake pkg-config socatsudoaptinstall-ypython3-pyqt5 python3-serial xvfb# ===== 终端 A：虚拟串口 =====socat-d-dpty,raw,echo=0,link=/tmp/ttyV0 pty,raw,echo=0,link=/tmp/ttyV1# ===== 终端 B：设备面板 =====cd~/lab/课时26-设备面板接串口&&python3 device_panel_serial.py# ===== 终端 C：本节网关（每 2 秒上报）=====cd~/lab/课时29-网关状态表与上报 gcc-Wall-Wextra-ogateway_full gateway_full.c-lubox./gateway_full /tmp/ttyV09000127.0.0.19100# ===== 终端 D：监听上报 =====python3-ustate_listener.py9100# ===== 掉线 / 恢复实验 =====pkill-f'device_panel_seria[l]'# 掉线：上报变"离线"cd~/lab/课时26-设备面板接串口&&python3 device_panel_serial.py# 恢复："在线"

附录 B｜本节新增的代码（从课时 28 复制后加的部分）

B-1 状态表 + 单调时间（文件开头）

/* ===== 课时 29 新增的常量 ===== */#defineT_STATUS0x80/* 设备 → 网关：状态上报（灯 / 风扇 / 温度） */#defineT_STATE_REPORT0x81/* 网关 → 上位机：网关状态（多一个"在线"字节） */#defineREPORT_MS2000/* 每 2 秒上报一次 */#defineOFFLINE_MS3000/* 超过 3 秒没收到设备状态帧 → 判定离线 */#defineSTATE_PORT_DEF9100/* 上报目标端口（课时 31 会改成从 uci 读） */#defineSTATE_HOST_DEF"127.0.0.1"/* ===== 课时 29 新增：设备状态表 + 上报定时器 ===== */structdevice_state{intled;/* 灯：0 灭 / 1 亮 */intfan;/* 风扇：0~3 档 */inttemp_x10;/* 温度 ×10（250 = 25.0 ℃） */longlast_seen_ms;/* 最近一次收到设备状态帧的时间（毫秒） */intonline;/* 1 在线 / 0 离线 */};staticstructdevice_statestate={0,0,250,0,0};/* 初值：灯灭、风扇停、25.0℃、离线 */staticstructuloop_timeoutt_report;/* 周期上报定时器 */staticintudp_fd=-1;/* 只用来发上报（sendto） */staticstructsockaddr_instate_peer;/* 上报目标（固定） */staticintreport_cnt;/* 上报了多少次 *//* 单调时间的毫秒数（用 clock_gettime，不受系统时间被改的影响） */staticlongnow_ms(void){structtimespects;clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC,&ts);return(long)ts.tv_sec*1000+(long)(ts.tv_nsec/1000000);}

B-2 收到设备状态帧 → 记进状态表（顺便判"上线"）

/* 收到设备的 0x80 帧：把它的值记到状态表里（这才是"网关"该干的事） */staticvoidupdate_state_from(constuint8_t*frame,inttotal){uint8_ttype=frame[2];intplen=frame[3];constuint8_t*payload=frame+4;(void)total;if(type!=T_STATUS||plen!=4){printf("（这一帧不是设备状态帧，不进状态表：TYPE=0x%02X LEN=%d）\n",type,plen);return;}state.led=payload[0];state.fan=payload[1];state.temp_x10=(payload[2]<<8)|payload[3];state.last_seen_ms=now_ms();if(!state.online){state.online=1;printf("★ 设备上线了（灯 %s，风扇 %d 档，%.1f ℃）\n",state.led?"亮":"灭",state.fan,state.temp_x10/10.0);fflush(stdout);}}

B-3 周期上报：先判在线 → 组 0x81 → sendto → 再排下一次

/* 每 2 秒：判在线 → 组一帧 0x81 → 发给固定上报目标 → 再排下一次 */staticvoidsend_state_report(structuloop_timeout*t){uint8_tframe[32];uint8_tpayload[5];intlen;/* ① 在线判定：太久没收到设备状态帧，就算离线（值保留，界面还能显示"最后已知值"） */if(state.online&&state.last_seen_ms!=0&&now_ms()-state.last_seen_ms>OFFLINE_MS){printf("★ 设备掉线了（超过 %d 毫秒没收到状态帧）\n",OFFLINE_MS);fflush(stdout);state.online=0;}/* ② 组 0x81：灯 风扇 温度高 温度低 在线 */payload[0]=(uint8_t)state.led;payload[1]=(uint8_t)state.fan;payload[2]=(uint8_t)((state.temp_x10>>8)&0xFF);payload[3]=(uint8_t)(state.temp_x10&0xFF);payload[4]=(uint8_t)state.online;len=build_frame(frame,T_STATE_REPORT,payload,5);/* ③ 发出去 */if(sendto(udp_fd,frame,(size_t)len,0,(structsockaddr*)&state_peer,sizeof(state_peer))!=len){perror("sendto(state)");}else{report_cnt++;dump("网关上报状态(0x81)",frame,len);printf(" → 灯 %s | 风扇 %d 档 | %.1f ℃ | %s（第 %d 次上报）\n",state.led?"亮":"灭",state.fan,state.temp_x10/10.0,state.online?"在线":"离线",report_cnt);fflush(stdout);}uloop_timeout_set(t,REPORT_MS);/* 周期任务的写法：回调里再排一次 */}

B-4 main() 里注册定时器和"上报目标"

constchar*dev=(argc>=2)?argv[1]:DEV_DEFAULT;intport=(argc>=3)?atoi(argv[2]):TCP_PORT;constchar*state_host=(argc>=4)?argv[3]:STATE_HOST_DEF;/* 课时 29 新增 */intstate_port=(argc>=5)?atoi(argv[4]):STATE_PORT_DEF;.../* ===== 课时 29 新增：UDP socket（只用来上报）+ 上报定时器 ===== */udp_fd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);if(udp_fd<0){perror("socket(udp)");close(ser_fd);close(listen_fd);uloop_done();return1;}memset(&state_peer,0,sizeof(state_peer));state_peer.sin_family=AF_INET;state_peer.sin_port=htons((uint16_t)state_port);inet_aton(state_host,&state_peer.sin_addr);t_report.cb=send_state_report;uloop_timeout_set(&t_report,REPORT_MS);/* 2 秒后开始第一次上报 */

另外，serial_handle_frames()里在广播那一行前面加了一句update_state_from(ser_rxbuf, total);——
设备帧既广播给 TCP 客户端，也记进状态表，两条路互不影响。