# 流星监控系统 - 设计文档

## 系统架构概述

流星监控系统是一个基于树莓派的嵌入式系统，专为实时监测和记录流星事件而设计。系统采用模块化设计，各组件间通过明确的接口进行通信，保证系统的可扩展性和可维护性。

## 系统架构图

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|             应用层 (Application)          |
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| 检测算法模块 | | 数据存储模块 | | 通信模块   | | 监控模块   |
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       |              |             |             |
       v              v             v             v
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|          硬件抽象层 (HAL)                  |
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|              |              |            |
v              v              v            v
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| 摄像头控制   | |  GPS模块   | | 传感器模块  |
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       |              |             |
       v              v             v
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|             硬件 (Hardware)               |
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## 模块详细说明

### 1. 硬件抽象层 (HAL)

#### 1.1 摄像头模块 (Camera)

摄像头模块负责与星光级摄像头进行交互，提供以下功能：

- 摄像头初始化与参数设置
- 视频流采集与帧缓存管理
- 视频质量控制与自动参数调整

主要组件：
- `CameraController`: 摄像头控制器，管理摄像头生命周期和操作
- `FrameBuffer`: 帧缓冲区，管理环形视频缓存
- `V4L2Driver`: 底层摄像头驱动，通过V4L2与硬件交互

#### 1.2 GPS模块 (GPS)

GPS模块负责获取精确的时间和位置信息：

- NMEA数据解析
- PPS信号处理提供精确授时
- 摄像头指向信息存储

主要组件：
- `GpsController`: GPS控制器，管理GPS设备和数据处理
- `NmeaParser`: NMEA协议解析器，解析GPS原始数据

#### 1.3 传感器模块 (Sensors)

传感器模块负责采集环境数据：

- 温湿度信息采集
- 光照强度测量
- 传感器数据同步与缓存

主要组件：
- `SensorController`: 传感器控制器，统一管理各类传感器
- `Dht22Sensor`: DHT22温湿度传感器驱动
- `LightSensor`: 光照强度传感器（基于摄像头或独立传感器）

### 2. 应用层 (Application)

#### 2.1 检测算法模块 (Detection)

基于计算机视觉的流星检测算法：

- 背景建模与帧差分析
- 亮度变化检测
- 运动轨迹提取与分析
- 事件触发与分类

主要组件：
- `DetectionPipeline`: 检测流水线，协调检测过程
- `BackgroundSubtractionDetector`: 基于背景差分的检测器
- `MeteorTracker`: 流星轨迹跟踪器

#### 2.2 数据存储模块 (Storage)

管理本地和远程数据存储：

- 原始视频环形缓存
- 事件视频片段存储
- 元数据管理与数据库操作
- 存储空间管理与清理

主要组件：
- `StorageManager`: 存储管理器，协调各种存储操作

#### 2.3 通信模块 (Communication)

提供远程控制和数据传输功能：

- MQTT事件发布与订阅
- HTTP REST API接口
- 远程配置与状态查询

主要组件：
- `CommunicationManager`: 通信管理器，协调各种通信方式

#### 2.4 系统监控模块 (Monitoring)

监控系统健康状态和资源使用：

- CPU/内存/存储监控
- 温度监控与过热保护
- 日志管理与错误报告
- 故障自愈机制

主要组件：
- `SystemMonitor`: 系统监控器，收集和分析系统状态

### 3. 配置管理 (Configuration)

统一的配置管理系统：

- 基于TOML的配置文件
- 配置验证与默认值处理
- 运行时配置更新

主要组件：
- `Config`: 配置结构体，包含所有系统配置

## 数据流

1. **采集流**: 摄像头 -> 帧缓冲区 -> 检测算法 -> 事件检测
2. **存储流**: 事件检测 -> 视频片段提取 -> 本地存储 -> 云端上传
3. **通知流**: 事件检测 -> MQTT发布 -> 云端服务/移动应用
4. **控制流**: REST API -> 配置更新 -> 各模块应用配置

## 错误处理与恢复策略

1. **分层错误处理**: 每个模块内部处理自身错误，不影响系统整体运行
2. **优雅降级**: 核心功能优先保证，次要功能在资源受限时自动降级
3. **自动重启**: 关键组件故障时自动重启
4. **故障隔离**: 组件间通过消息传递通信，避免故障传播

## 性能考量

1. **实时性**: 检测流水线延迟控制在100ms以内
2. **资源使用**: 针对树莓派有限资源优化，控制内存和CPU使用
3. **存储效率**: 自动管理存储空间，防止磁盘占满
4. **功耗控制**: 根据电源状态调整性能和功能

## 扩展性

1. **模块化设计**: 各功能模块可独立更新和替换
2. **插件架构**: 检测算法支持插件式扩展
3. **配置驱动**: 大部分功能通过配置启用/禁用，无需修改代码
4. **API优先**: 所有功能都通过内部API访问，便于扩展

## 安全性考虑

1. **通信加密**: 所有外部通信使用TLS加密
2. **访问控制**: API访问需要认证和授权
3. **固件签名**: 系统更新包通过数字签名验证
4. **安全默认值**: 默认配置优先考虑安全性