高可用性技术与容错数据收集器的实现

### 高可用性技术与容错数据收集器的实现 #### 1. 主从代码运行与测试 在运行代码时，不要被其复杂性吓倒。尽管代码使用了条件编译，增加了一定的复杂度，但它避免了创建两个项目的麻烦。主从设备需要相同的代码与 MySQL 服务器和传感器进行通信，这样编写一次代码可以节省调试和维护重复代码的精力。 在自行运行代码之前，先仔细阅读代码。同时，在运行代码前，务必再三检查接线，这一步可能比较棘手。 ##### 1.1 测试步骤 测试代码的过程如下： 1. **编译并上传到主设备**：注释掉 `#define`，选择正确的开发板和端口，然后上传代码。 2. **编译并上传到从设备**：取消 `#define` 的注释，选择从设备对应的正确开发板和端口，再进行编译和上传。 建议将主从设备都通过 USB 连接到计算机，这样可以更方便地进行实验设置。只需在 Arduino IDE 中设置端口并启动串口监视器，就可以在主从设备之间切换。不过要注意，当串口监视器连接时，Arduino 会被强制复位，这在测试时是正常的，但可能需要等待几秒钟才能看到主从代码开始工作。 ##### 1.2 测试输出检查 - **连接主设备**：通过串口监视器连接主设备时，会看到类似图 8 - 5 的输出。这有助于判断主设备是否正在发送消息。同时，注意连接的 LED，它应该会随着每条消息反馈而闪烁。 - **连接从设备**：连接从设备时，会看到显示从设备是否收到消息（心跳信号）以及经过时间的计数器的消息。如果主设备出现故障，也会有相应的提示消息，如图 8 - 6 所示。 如果遇到问题，不要灰心。返回检查接线，确保一切连接正确。确认接线无误后，再次编译并上传代码，确保为每个主从设备使用了正确的开发板和端口。有时可能会不小心将从设备（或主设备）的代码上传到两个板子上，如果遇到这种情况，也可以使用两个单独的代码文件。 此外，考虑先上传主设备代码并让其运行，再上传从设备代码，然后连接到从设备的串口监视器输出，这样有时可以让操作更清晰。最后，要确保主从设备之间没有电源问题或电源不兼容的情况。 当看到正确的输出时，就说明代码运行成功了。这个看似简单的代码实现了复杂的心跳机制和自动故障转移功能，这是一些更强大硬件的解决方案可能无法实现的。 #### 2. 实际测试与后续操作 将主从设备从笔记本电脑上拔下并通电，建议先开启主设备，再开启从设备。观察主设备上的 LED 是否先闪烁，然后从设备上的 LED 是否也闪烁。只要这些 LED 闪烁，就说明主设备的心跳信号正在发送和接收。如果没有看到这种情况，可以尝试重置或关闭设备，然后再重新开启，有时 I2C 总线可能启动不正常，重启似乎会有所帮助。 当确认一切正常后，就可以添加读取传感器数据并将数据写入 MySQL 数据库的代码，然后在物联网解决方案中部署具有故障转移功能的冗余数据收集器。要注意，较小的开发板可能没有足够的内存来支持多个大型库，因此可能需要使用更大的 Arduino 开发板。同时，要找到 SDA 和 SCL 引脚并正确接线。 #### 3. 容错数据收集器项目 实现 MySQL 的容错并不太难，可以通过 MySQL 复制来实现冗余、恢复、可扩展性和最终的高可用性。但在基于微控制器的节点上实现写入数据库时的容错则更具挑战性。 ##### 3.1 项目概述 本项目是一个简单的植物土壤湿度数据收集器，具备故障检测和恢复功能，用于将数据写入数据库。数据收集器的基本功能是从一个或多个传感器读取数据，然后将数据传递给数据节点、数据库，或者将数据本地存储到文件中。本项目主要关注数据收集器与数据库服务器连接的故障，即节点在网络中孤立、数据库服务器故障或其他通信中断的情况。 ##### 3.2 设计目标 目标是使节点对数据库连接具有容错能力。具体来说，当数据库无法访问时，将数据本地存储（缓存）到 SD 卡中，当数据库恢复可访问时，将缓存的数据保存到数据库中。 数据库是一个简单的结构，包含一个表，用于记录土壤湿度传感器的值以及读取（存储）该值的日期和时间。创建示例数据库的 SQL 语句如下： ```sql CREATE DATABASE `plant_moisture`; CREATE TABLE `plant_moisture`.`plants` ( `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT, `moisture_raw` int(11) DEFAULT NULL, `date_saved` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP, PRIMARY KEY (`id`) ) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=257 DEFAULT CHARSET=latin1; ``` ##### 3.3 硬件组装 项目所需的硬件包括 Arduino、土壤湿度传感器、以太网屏蔽罩和实时时钟模块。 使用 Arduino Mega 的原因是故障检测和恢复功能对资源要求较高。Arduino Uno 等小型开发板内存有限，而本项目需要添加大量库，如用于连接 MySQL 服务器的 Connector/Arduino、用于缓存数据的 SD 卡库以及用于读取日期和时间的 RTC 模块库，再加上检测故障和恢复的代码，很容易超出 Uno 板的内存限制，因此选择具有足够内存的 Mega 板。 RTC 模块的作用是获取当前日期和时间，因为数据库中有一个时间戳列用于存储样本的存储时间。如果检测到故障，在一段时间后重新连接到数据库服务器时，数据库服务器会使用写入数据库的日期和时间，而不是样本采集的时间，所以需要 RTC 模块来确保缓存数据中包含正确的日期和时间。 接线连接如下： - **土壤湿度传感器**：5V 和地连接到 Arduino，传感器的信号线连接到 Arduino 的模拟引脚 0。 - **RTC 模块**：SDA 和 SCL 引脚分别连接到 Arduino Mega 的 20 号和 21 号引脚，同时从 Arduino 获取 5V 和地。 #### 4. 代码实现 在编写代码之前，先明确设计目标和关键要求： - 所有收集的数据都应保存到数据库中。 - 测试数据库连接，确保服务器已连接。 - 当数据库无法连接时，将数据存储到本地文件。 - 本地文件中的数据应写入板载 SD 卡。 - 当数据库连接恢复且本地文件中有数据时，读取数据并插入到数据库中。 - 缓存的数据应存储样本采集的正确日期和时间。 ##### 4.1 高级算法 以下是 `loop()` 方法的高级概述，它是驱动代码的“主”程序： ```plaintext read_sample() if <database connection fails> then cache_data() // save data to the file else dump_cache() // read data from file and insert into database write_data() // save current sample end if ``` 从这个算法可以看出，需要三个主要方法以及检测数据库连接是否失败的方法。 ##### 4.2 各部分代码实现 - **读取样本**：由于使用的是模拟传感器，可以使用 `analogRead()` 方法读取传感器数据： ```cpp value = analogRead(sensorPin); ``` - **检测数据库连接失败**：一种更好的方法是在每次循环中尝试 `connect()`，并在保存数据后调用 `close()`。`connect()` 方法在服务器不可达时会更快返回。示例代码如下： ```cpp // Attempt to connect to the database server if (!conn.connected()) { if (conn.connect(server_addr, 3306, user, password)) { ... } } ... conn.close(); ``` - **将数据写入文件**：需要使用 SD 库，打开文件、写入数据并关闭文件。关键是要获取日期和时间字符串并写入文件，以保留样本采集的时间。 - **将数据写入数据库**：代码如下： ```cpp bool write_data(int val, const char *dateStr) { String queryStr = String("INSERT INTO plant_moisture.plants VALUES (NULL,"); queryStr += String(val); que ```