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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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|          硬件抽象层 (HAL)                  |
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| 摄像头控制   | |  GPS模块   | | 传感器模块  |
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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