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# 猪舍主控
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# pig-house-controller
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## 简介
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## LoRa通信协议约定
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猪舍主控系统根据上位机的指令控制当前猪舍内所有设备（传感器，阀门，电机等），并汇聚当前猪舍传感器数据统一上报。本系统作为猪场智能化管理的重要组成部分，实现了猪舍环境的自动化监控与调节。
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本项目中的LoRa通信采用自定义的帧格式，以支持精确寻址和大数据包的自动分片与重组。所有数据包均由主控节点主动发起。
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## 功能概述
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### 1. 物理帧结构
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### 与上位机交互
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每个通过LoRa UART模块发送的物理数据包都遵循以下结构：
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1. 根据上位机指令定期采集栏内所有传感器的数据，并统一上报
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2. 根据上位机指令启动或关闭栏内设备，上位机发送的启动指令分两种：
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- 常开指令：收到后启动设备，直到收到关闭指令后关闭设备
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- 短暂开启指令：收到后启动设备，但需要上位机每过两秒发送一次指令，超过五秒没收到下一个开启指令或受到关闭指令将会关闭设备
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3. 定期检查栏内设备状态，发现异常立即上报上位机
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4. 定期向上位机发送心跳包
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5. 接收上位机发送的总线上各机器的位置和类型
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6. 根据上位机指令调整设备功率大小
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7. 接收上位机批量控制指令并执行
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8. 接收上位机发送的配置信息
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### 与设备交互
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| 字段 | 长度 (字节) | 值 (Hex) | 描述 |
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1. 控制栏内设备启停
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| :-------------------- | :------------ | :---------------- | :--------------------------------------------- |
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2. 调整风机等功率可调设备的功率
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| **帧头 (Header)** | 1 | `0xED` | 固定值，表示一个数据包的开始。 |
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3. 定时检查栏内设备状态
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| **后续长度 (Length)** | 1 | `0x00`-`0xFF` | 从`目标地址`字段到`数据块`末尾的总字节数。 |
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4. 定时采集栏内数据
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| **目标地址 (DestAddr)** | 2 | `0x0000`-`0xFFFF` | 接收该数据包的设备地址。 |
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| **总包数 (TotalChunks)**| 1 | `0x01`-`0xFF` | 表示当前消息被分成了几个包。`0x01`代表这是唯一的包。 |
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| **当前包序号 (CurrentChunk)**| 1 | `0x00`-`0xFE` | 当前是第几个数据包（从0开始计数）。 |
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| **数据块 (ChunkData)** | N | - | 实际传输的数据片段。 |
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### 数据管理
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**示例:**
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1. 保存总线上各机器的位置和类型
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2. 临时保存上位机发送的指令
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3. 保存上位机发送的配置信息
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4. 汇总栏内所有传感器数据
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5. 临时保存栏内设备故障信息，直到上报成功后清除
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6. 根据批量指令控制对应设备工作
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# 猪舍控制器
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发送一个数据为 `[0x01, 0x02, 0x03]` 的单包消息到地址 `0x1234`：
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`ED 05 12 34 01 00 01 02 03`
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- `ED`: 帧头
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- `05`: 后续长度 (1+1+3 = 5)
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- `12 34`: 目标地址
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- `01`: 总包数 (共1包)
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- `00`: 当前包序号 (第0包)
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- `01 02 03`: 数据块
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猪舍控制器是一个用于监控和控制猪舍环境的系统。它可以通过LoRa与上位机通信，并通过RS485总线控制传感器和执行器设备。
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### 2. 数据分片 (Fragmentation)
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## 协议栈和技术选型
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- LoRa模块的物理层限制单次发送的数据部分**最大为240字节**。
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- 根据项目约定，为自定义协议头（总包数、当前包序号）预留2字节，地址由模块处理。
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- 因此，每个物理包中 **`数据块 (ChunkData)` 的最大长度为 `238` 字节**。
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- `send_packet` 方法会自动处理分片逻辑。
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本系统采用以下物联网标准协议栈：
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### 3. 数据重组 (Reassembly)
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### 物理层
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- `receive_packet` 方法会缓存收到的分片。
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- **LoRa**：低功耗广域网物理层技术，提供远距离无线传输能力
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- 当一个设备的所有分片都接收完毕后，`receive_packet` 会将它们自动重组成一个完整的消息，并向上层返回。
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- 由于通信是单向的（仅主控发送），接收端无需管理多个源地址的重组缓冲区。
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### 数据链路层和网络层
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- **LoRaWAN**：基于LoRa物理层的广域网协议，提供设备认证、加密和网络管理
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### 传输层
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- **CoAP**：受限应用协议，轻量级的RESTful协议，适用于资源受限设备
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### 应用层
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- **LwM2M**：轻量级机器到机器协议，提供设备管理、固件更新等功能
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### 数据格式
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- **SenML**：传感器标记语言，标准化的传感器数据表示格式
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这种协议栈选择具有以下优势：
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1. **低功耗**：适合电池供电或节能要求高的场景
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2. **远距离传输**：LoRa技术可实现数公里覆盖
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3. **标准化**：采用业界标准协议，便于系统集成和扩展
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4. **安全性**：LoRaWAN和CoAP均提供安全机制
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5. **互操作性**：基于标准协议，便于与不同厂商设备集成
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## 系统架构
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猪舍控制器
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├── 通信层 (LoRa)
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├── 控制层 (核心逻辑)
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├── 设备层 (传感器和执行器)
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└── 存储层 (数据存储)
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## 抽象接口设计
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为了提高系统的可扩展性和可维护性，我们定义了以下抽象接口：
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### 通信接口 (BaseComm)
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定义了通信模块的基本操作，包括连接、断开连接、发送和接收数据等方法。
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### 设备接口 (BaseDevice)
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定义了设备的基本操作，包括连接、断开连接、读取数据、写入数据和获取状态等方法。
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### 存储接口 (BaseStorage)
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定义了存储模块的基本操作，包括保存、加载、删除数据等方法。
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### 命令处理器接口 (BaseHandler)
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定义了命令处理的基本操作，包括处理命令、注册和注销命令处理函数等方法。
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## 设计理念
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按照功能区分将传感器和执行器分别连接到不同的RS485总线上，可以带来以下优势：
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1. **减少总线负载**：传感器通常需要频繁读取数据，而执行器可能需要较大的电流，分离可以避免相互干扰。
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2. **提高响应速度**：控制命令可以直接发送到执行器总线，无需等待传感器数据采集完成。
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3. **增强系统稳定性**：一条总线故障不会影响另一条总线上的设备。
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4. **便于维护**：可以根据需要单独重启或维护某一总线。
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## 配置说明
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系统配置文件为 `config.json`，如果不存在，系统会根据默认配置创建。配置项包括：
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### LoRa通信配置
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- `lora.address`: 本机LoRa地址
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- `lora.frequency`: 工作频率(MHz)
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- `lora.bandwidth`: 带宽(kHz)
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- `lora.spreading_factor`: 扩频因子
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- `lora.coding_rate`: 编码率
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- `lora.encryption_key`: 加密密钥
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### 上位机配置
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- `master.lora_address`: 上位机LoRa地址
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- `master.protocol`: 与上位机通信协议
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### 总线配置
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- `bus.sensor.port`: 传感器总线串口
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- `bus.sensor.baudrate`: 传感器总线波特率
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- `bus.actuator.port`: 执行器总线串口
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- `bus.actuator.baudrate`: 执行器总线波特率
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### 日志配置
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- `log.level`: 日志级别 (DEBUG, INFO, WARNING, ERROR)
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- `log.file_path`: 日志文件路径
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- `log.max_size`: 日志文件最大大小
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- `log.backup_count`: 保留的日志文件数量
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- `log.report_errors`: 是否上报错误信息
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- `log.terminate_on_report_failure`: 错误上报失败时是否终止程序
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### 系统参数
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- `system.heartbeat_interval`: 心跳包发送间隔(秒)
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- `system.data_collection_interval`: 数据采集间隔(秒)
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- `system.command_timeout`: 命令超时时间(秒)
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- `system.retry_count`: 命令重试次数
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- `system.error_handling`: 错误处理策略
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### 设备配置
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- `devices`: 设备列表（包括传感器和执行器）
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每个设备包含以下属性：
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- `id`: 设备唯一标识
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- `type`: 设备类型
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- `address`: 设备地址
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- `bus`: 所在总线(sensor/actuator)
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- `location`: 设备位置(可选)
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- `unit`: 单位（仅传感器需要，如温度单位、湿度单位等）
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参考示例配置文件 `config.json.example` 创建您的配置文件。
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## 枚举类型定义
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为了提高代码的可读性和维护性，系统定义了以下枚举类型：
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1. `LogLevel`: 日志等级枚举 (DEBUG, INFO, WARNING, ERROR, CRITICAL)
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2. `DeviceType`: 设备类型枚举 (包括温度、湿度等传感器类型和喂料口、阀门等执行器类型)
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3. `BusType`: 总线类型枚举 (SENSOR, ACTUATOR)
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4. `ErrorHandlingStrategy`: 错误处理策略枚举 (RETRY, SKIP, ALERT)
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## 日志和错误处理机制
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考虑到树莓派等嵌入式设备的存储空间限制，系统采用以下策略：
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1. **限制日志文件大小**：默认将日志文件大小限制为1MB，仅保留一个备份文件
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2. **错误上报机制**：当发生错误时，系统会尝试通过LoRa将错误信息上报给上位机
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3. **上报成功处理**：错误信息上报成功后，系统会删除本地日志中的该条目
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4. **上报失败处理**：如果错误信息上报失败，说明与上位机之间的通信不稳定，系统将根据配置决定是否终止程序运行
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这种机制既节省了本地存储空间，又能确保关键错误信息能够及时传递给上位机。
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## 开发顺序建议
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当然，从对其他模块依赖最小的模块开始开发是一个明智的策略，以便逐步构建项目的基础。以下是建议的开发顺序：
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1. **配置模块（config.py）**：首先实现配置模块，以定义应用程序所需的基本配置。这将为其他模块提供必要的设置。
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2. **实用程序模块（utils/）**：开发实用程序函数，这些函数可以在整个项目中被重复使用。这样可以为其他模块提供基本的辅助功能。
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3. **数据存储模块（storage/）**：实现数据存储逻辑，包括存储传感器数据、设备状态和配置信息。这一模块可以在独立于其他模块的情况下开发。
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4. **设备交互模块（devices/）**：实现与设备交互的模块，包括传感器和执行器。这将为之后的通信和核心逻辑提供基础。
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5. **通信模块（comms/）**：开发通信模块，以处理与上位机和设备的通信协议。此模块可能需要依赖设备交互模块。
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6. **核心逻辑模块（core/）**：实现核心逻辑，包括处理命令、控制设备和管理传感器数据。这一模块将利用之前开发的模块。
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7. **测试模块（tests/）**：在开发过程中，逐步添加测试用例以验证每个模块的功能。
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8. **主程序（main.py）**：最后实现主程序，作为应用程序的入口点，将所有模块整合在一起。
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这种顺序将帮助你逐步构建项目，并确保每个模块在开发过程中得到充分的测试和验证。
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## 许可证
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禁止未经授权使用本项目代码，否则后果自负。
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# --- LoRa 模块配置 ---
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# --- LoRa 模块配置 ---
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# 假设LoRa模块使用独立的UART进行通信
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# 假设LoRa模块使用独立的UART进行通信
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LORA_CONFIG = {
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LORA_CONFIG = {
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# # 平台LoRa地址
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# 平台LoRa地址
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# 'master_address': 0x01, // 目前的LoRa模块主从模式下 从节点发送广播包=点对点发送给主节点, 所有从节点都会忽略其他从节点发的广播
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'master_address': 0x01,
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# LoRa模块连接的UART总线ID (0, 1, or 2 on ESP32)
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# LoRa模块连接的UART总线ID (0, 1, or 2 on ESP32)
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'uart_id': 2,
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'uart_id': 2,
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