HSM 嵌入式中间件技术规范-笔记

一、核心定位与设计约束

1.1 核心价值

HSM（Hanzi‑Sensor Middleware）是位于 RT-Thread 驱动层与 Modbus 输出层之间的轻量级语义中间件。

核心价值：在 MCU 资源受限（无浮点、无动态内存）条件下，将物理传感数据转化为标准化的语义编码，消除云端乱码风险。

1.2 设计铁律（强制）

以下条款具有强制性，违反任意一条视为设计不合格。

铁律	说明
无字符化	设备端禁止处理字符串（GB2312/UTF-8），避免编码混乱。
接口恒定	Modbus 寄存器固定，防止协议膨胀。
确定性	相同输入特征必须产生相同语义编码，无随机性。
防变砖	规则表更新必须支持断电回滚，防止设备变砖。
索引上限	单 Namespace 内索引 ≤ 4095，预留扩展空间。
自描述	暴露规则版本与 CRC 校验，便于上位机对齐。
仲裁防抖	仲裁器必须实现滞回与冷却，防止高频振荡。
零堆分配	禁止动态内存分配，保证实时性。
传感器可溯源	Source_ID 必须通过描述符表定义，禁止匿名传感器。

二、系统架构

2.1 架构总览

HSM 采用单向流水线架构，职责边界清晰，避免模块间耦合。

[ 传感器 ] → [ 感知接入层 ] → [ 数据处理层 ] → [ 仲裁器 ] → [ 语义管理层 ] → [ 语义输出层 ] → [ 云端 ]

语义输出层：Modbus 寄存器填充。
语义管理层：指纹生成、查表映射。
仲裁器：解决多传感器冲突，输出唯一语义。
数据处理层：特征提取、趋势分析。
感知接入层：复用 RT-Thread Sensor 驱动。

三、核心机制：语义编码

3.1 语义编码结构

将版本语义从编码中移除，确保编码的长期稳定性。

15  14  13  12  11  10  9  8  7  6  5  4  3  2  1  0
+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
|  Namespace (4 bit)  |          Index (12 bit)                |
+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+

设计解释：

Namespace：区分标准语义、厂商语义、系统语义。
Index：语义索引，指向规则表中的具体条目。
无版本位：规则版本变更不影响编码值，通过外部元数据体现。

四、传感器描述符规范

4.1 传感器描述符表

为解决 OEM 现场传感器数量膨胀导致的“ID 语义漂移”问题，强制定义描述符表。

typedef struct {
    uint8_t  source_id;     // 传感器槽位索引 (0~255)
    uint16_t sensor_type;   // 传感器类型编码 (0x0001=温度)
    uint8_t  zone;          // 区域 (1=室内, 2=室外)
} sensor_desc_t;

const sensor_desc_t sensor_desc_table[] = {
    {0, 0x0001, 1}, // ID0: 温度, 室内
    {1, 0x0002, 1}, // ID1: 湿度, 室内
    {2, 0x0001, 2}, // ID2: 温度, 室外
};

解释：

zone：辅助信息，供上位机使用。
sensor_type：用于仲裁器匹配规则表。
Source_ID：仅作为索引，HSM 内核不关心其物理含义。

五、仲裁器规范

5.1 仲裁优先级

当多个传感器同时触发异常时，输出唯一语义。

优先级	规则
P0 (最高)	系统故障（0xFxxx），立即覆盖所有语义。
P1	安全相关（过温/过压），遵循“最坏情况”原则。
P2	普通业务语义，按权重仲裁。

5.2 仲裁器状态机

INIT → IDLE ↔ ACTIVE → ALARM → COOLDOWN → IDLE

关键解释：

COOLDOWN：高警解除后冷却期，防止频繁切换。
ALARM：高优先级安全事件，锁定输出。
ACTIVE：普通业务语义激活。
IDLE：无事件。

5.3 关键参数（const 存储）

const uint16_t TEMP_HIGH_ENTER = 360;  // 36.0℃ 进入过热
const uint16_t TEMP_HIGH_EXIT  = 350;  // 35.0℃ 退出过热
const uint16_t ARB_DEBOUNCE_MS = 50;   // 消抖时间，过滤毛刺
const uint16_t ARB_COOLDOWN_MS = 5000; // 冷却期，防止报警风暴

解释：所有参数存 Flash，不占 RAM。

六、Modbus 接口规范

6.1 寄存器定义

HSM 严禁动态扩展寄存器。

地址	名称	权限	说明
0x0000	Semantic_Code	RO	16 位语义编码
0x0001	Severity_Level	RO	0=Info, 1=Warn, 2=Error
0x0002	Source_ID	RO	传感器索引
0x0003	Status	RW	Bit 0: Valid Bit 1: Change Flag
0x0004	Rule_Version	RO	规则集版本号
0x0005	Rule_CRC16	RO	规则表完整性校验

解释：

Rule_CRC16：快速校验规则表是否损坏或被篡改。
Rule_Version：上位机据此加载对应字典。

七、规则表生命周期管理

7.1 Flash 存储布局

引入 Header 结构，杜绝“裸数据”风险。

+-----------------------+
| Header (Magic/CRC/Ver)|
+-----------------------+
| Rule Data             |
+-----------------------+
| Rule_Backup           |
+-----------------------+
| Pointer (1 Byte)      |
+-----------------------+

7.2 原子更新流程

硬件复位（禁止软重启，防止 RAM 残留）。

擦除 Backup 区。
写入 Header + Rule Data。
校验 CRC。
修改 Pointer 字节（原子操作）。

八、代码实现规范

条款	要求	解释
Volatile	Modbus 寄存器 volatile。	防止编译器优化导致上位机读不到更新。
原子赋值	语义编码 16 位一次性写入。	防止中断打断导致半个字被读取。
无递归	禁止递归调用。	防止栈溢出。
栈深度	≤ 256 字节。	适应小内存 MCU。
常量修饰	配置参数必须为 const。	节省 RAM，存 Flash。

性能边界：

Modbus 响应 ≤ 10 ms：满足工业实时性。
仲裁器延迟 ≤ 100 µs：不含消抖等待。
指纹生成 ≤ 200 µs：@72MHz。
RAM ≤ 512 B：含全局状态与栈。
Flash ≤ 16 KB：含描述符表与规则表。

九、自检结论

检查项	状态	说明
无字符化	✅	无字符串处理。
接口恒定	✅	仅 6 个寄存器。
仲裁防抖	✅	滞回与冷却机制生效。
传感器治理	✅	描述符表约束 ID 语义。
版本外置	✅	编码稳定，版本元数据独立。
完整性校验	✅	CRC16 防止规则表损坏。

签发：HSM 技术标准委员会

生效日期：2026-05-16