TCP/IP与UDP双协议选型：元器件车间温湿度传感器组网调试经验分享

高干扰区（回流焊/波峰焊/大功率设备旁）：
  → 优先UDP定时上报 + 越限即时推送
  → TCP作为备用通道，周期拉长到30-60s做兜底校验
  → 原因：UDP无连接，不怕瞬时干扰打断会话

低干扰区（办公区/检验区/仓储区）：
  → TCP轮询为主，周期10-15s
  → UDP告警推送为辅
  → 原因：环境干净，TCP稳定，数据完整有保障

过渡区（缓冲区/通道）：
  → TCP+UDP混合，比例按实际干扰测试决定

车间传感器布线四层防护：
  第1层：与动力电缆隔离≥30cm，分桥架敷设
  第2层：屏蔽双绞线（Cat6 S/FTP），屏蔽层单点接地
  第3层：磁环（每个传感器网线入口处绕2-3匝，抑制高频共模）
  第4层：TVS管（网口侧加IEC 61000-4-2 ESD ±8kV防护）

注意：磁环不是万能的，但对VFD产生的高频谐波（MHz级）有效。

车间环境建议的PHY参数：
  → 强制100M Full Duplex（关闭自动协商，避免干扰导致反复协商）
  → 关闭EEE（802.3az节能以太网）
  → 关闭流控（Flow Control），避免干扰时Pause帧风暴
  → 开启MDI/MDIX自动翻转（现场接线可能错序）

交换机端口：
  → BPDU Guard（防止误接环路）
  → 端口安全（MAC地址限制1个）
  → Storm Control（广播/组播抑制）
  → PoE优先级 Critical（关键区域不断电）

TCP参数：
  → Keepalive: 30s/3次
  → 连接数限制: 2-4（车间不需要多连接）
  → 超时断开: 60-120s（比机房长，抗干扰需要）

UDP参数：
  → 推送周期: 5-10s（正常状态定时上报）
  → 越限推送: 即时（触发后<100ms发出）
  → 持续越限时重推间隔: 30s
  → 报文序列号: 带递增序号，接收端可检测丢包
  → 报文时间戳: 带发送时标，接收端可算延迟

FreeRTOS任务优先级（从高到低）：
  1. 硬件中断（PHY、定时器）
  2. TCP/IP协议栈（tcpip_thread）
  3. UDP发送任务（告警/定时上报）
  4. Modbus TCP处理（响应轮询）
  5. 传感器数据采集（I2C/SPI读取探头）
  6. 看门狗喂狗

关键：UDP发送优先级高于Modbus TCP处理。
原因：UDP报文小、组装快，优先发送不阻塞；Modbus TCP需要解析请求、查寄存器、组装响应，耗时更长。

MEMP_NUM_TCP_PCB: 5→8（车间干扰大，半开连接多，留余量）
MEM_SIZE: 16→32KB（车间可能需要更大的接收窗口缓冲）
MEMP_NUM_PBUF: 16→24
TCP_MSS: 1460（不改动）
TCP_SND_BUF: 4×TCP_MSS（发送缓冲，车间重传多时需要更大）
TCP_RCV_BUF: 4×TCP_MSS（接收缓冲）

注意：车间环境不要盲目增大MSS或窗口，干扰大时大包分片丢包率更高。

推荐格式（24字节，简洁可靠）：
  字节 0-1:   帧头 0xAA55（同步头）
  字节 2-5:   设备ID（UINT32，唯一标识）
  字节 6-9:   时间戳（UINT32，Unix time，秒）
  字节 10-11: 序列号（UINT16，每发一次+1，用于丢包检测）
  字节 12-13: 温度（INT16，×10，如 234 = 23.4℃）
  字节 14-15: 湿度（INT16，×10，如 567 = 56.7%RH）
  字节 16-17: 状态字（bit0=高温告警 bit1=低温告警 bit2=高湿告警 bit3=低湿告警 bit4=传感器故障）
  字节 18-19: 电源电压（UINT16，×100，如 4800 = 48.00V）
  字节 20-21: RSSI/信号质量（如有无线备份链路）
  字节 22-23: CRC16（Modbus CRC，校验 2-21 字节）

设计要点：
  → 固定24字节，接收端按长度截断，不怕粘包
  → 序列号递增，接收端可检测丢包但不重传（UDP语义）
  → CRC16校验，防止干扰导致数据损坏
  → 状态字独立，接收端直接判断告警，无需计算阈值

采集服务端
  │
  ├── TCP线程池：Modbus TCP Client，轮询各传感器
  │     周期15s，超时3s，重试2次
  │     数据写入InfluxDB（历史趋势）
  │
  ├── UDP接收线程：监听指定端口（如8888）
  │     接收传感器UDP推送
  │     解析→校验CRC→检测序列号跳变→写实时缓存
  │     状态字非0→触发告警
  │
  └── 数据融合层：
        → TCP数据作为"基准值"（可靠但延迟大）
        → UDP数据作为"实时值"（快速但可能丢）
        → 展示层：实时值用UDP，历史趋势用TCP
        → 告警：UDP触发即时通知，TCP数据做二次确认防误报

import asyncio
import struct
import crcmod
from pymodbus.client import AsyncModbusTcpClient

# CRC16-Modbus
crc16 = crcmod.mkCrcFun(0x18005, rev=True, initCrc=0xFFFF)

# 共享数据缓存（UDP实时值 + TCP基准值）
cache = {}

# ---------- TCP轮询线程 ----------
async def tcp_poll(nodes, period=15):
    sem = asyncio.Semaphore(16)
    while True:
        async with sem:
            for node in nodes:
                client = AsyncModbusTcpClient(node['ip'], port=502, timeout=3)
                await client.connect()
                if not client.connected:
                    cache[node['id']] = {**cache.get(node['id'], {}), 'online': False}
                    continue
                try:
                    resp = await client.read_holding_registers(0, 2, slave=1)
                    if not resp.isError():
                        temp = resp.registers[0] * 0.1
                        hum = resp.registers[1] * 0.1
                        cache[node['id']] = {
                            **cache.get(node['id'], {}),
                            'tcp_temp': temp,
                            'tcp_hum': hum,
                            'online': True,
                            'tcp_ts': asyncio.get_event_loop().time()
                        }
                except Exception:
                    pass
                finally:
                    await client.close()
        await asyncio.sleep(period)

# ---------- UDP接收线程 ----------
async def udp_listen(port=8888):
    sock = asyncio.get_running_loop().create_datagram_endpoint(
        lambda: UdpProtocol(), local_addr=('0.0.0.0', port)
    )
    transport, protocol = await sock
    print(f"UDP listener on port {port}")

class UdpProtocol(asyncio.DatagramProtocol):
    def datagram_received(self, data, addr):
        if len(data) != 24:
            return
        # 校验帧头
        if data[0] != 0xAA or data[1] != 0x55:
            return
        # CRC校验
        if crc16(data[2:22]) != struct.unpack_from('<H', data, 22)[0]:
            return
        # 解析
        dev_id, ts, seq, temp, hum, status = struct.unpack_from('<IHHHHH', data, 2)
        cache[dev_id] = {
            **cache.get(dev_id, {}),
            'udp_temp': temp * 0.1,
            'udp_hum': hum * 0.1,
            'status': status,
            'udp_seq': seq,
            'udp_ts': asyncio.get_event_loop().time()
        }
        # 告警判断
        if status != 0:
            print(f"ALARM dev={dev_id} status={status} temp={temp*0.1} hum={hum*0.1}")

# ---------- 主程序 ----------
async def main():
    nodes = [
        {'id': 1, 'ip': '192.168.10.50'},
        {'id': 2, 'ip': '192.168.10.51'},
        # ...
    ]
    await asyncio.gather(
        tcp_poll(nodes, period=15),
        udp_listen(port=8888)
    )

asyncio.run(main())

展示层取值逻辑：
  → 实时显示：优先取 UDP 值（延迟低），UDP 超过 30s 未更新则降级取 TCP 值
  → 历史趋势：只存 TCP 值（完整、可靠）
  → 告警：UDP 触发 → 检查 TCP 最近一次值是否也越限 → 双重确认后上报告警
  → 离线判定：TCP 连续 3 次失败 + UDP 超过 60s 未收到 → 标记离线

第 1 步：设备清单与干扰源定位
  → 列出车间内所有大功率设备（VFD、伺服、加热管、电机）
  → 标注与传感器安装位置的相对距离
  → 绘制"干扰热力图"

第 2 步：基线测试（设备全部关闭）
  → 所有传感器 TCP 轮询 24h
  → 记录：重传率、响应时间、在线率
  → 这是"干净环境"基线

第 3 步：逐步加压测试
  → 依次启动 VFD → 伺服 → 加热管 → 全部设备
  → 每步运行 2h，记录 TCP 指标变化
  → 确定各区域的干扰等级

第 4 步：UDP 对比测试
  → 同一位置同时跑 TCP 和 UDP
  → 对比丢包率、延迟、数据连续性
  → 确定双协议分工方案

高干扰区：
  → UDP 推送周期 5s，连续运行 24h
  → 统计：丢包率（序列号跳变）、CRC 错误率、延迟分布
  → 丢包率 < 1% 为合格

低干扰区：
  → TCP 轮询周期 15s，连续运行 24h
  → 统计：重传率、连接断开次数、P99 响应
  → 重传率 < 0.5% 为合格

混合区：
  → TCP + UDP 同时运行 72h
  → 验证数据一致性（UDP值与TCP值偏差 < 0.5℃）
  → 验证告警实时性（UDP触发到平台显示 < 2s）