增加断网保存数据到FLASH，恢复联网重新补发，并加上标志位
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Wang Beihong
432
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432
docs/OFFLINE_STORAGE.md
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@@ -0,0 +1,432 @@
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# 离线数据存储和补传功能说明
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## 功能概述
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本设备支持离线数据存储功能，当网络断开时，数据会自动存储到Flash文件系统中；当网络恢复后，数据会自动补传到MQTT服务器。
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## 系统架构
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```
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┌─────────────────────────────────────────────────┐
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│ 应用层 │
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├─────────────────────────────────────────────────┤
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│ MODBUS数据 设备状态 MQTT客户端 │
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│ │ │ │ │
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│ ▼ ▼ ▼ │
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│ ┌─────────────────────────────────────┐ │
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│ │ 离线数据管理模块 │ │
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│ │ (OFFLINE_STORAGE 组件) │ │
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│ └─────────────────────────────────────┘ │
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│ │ │ │
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│ ▼ │ │
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│ ┌─────────────────────────────────────┐ │
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│ │ SPIFFS文件系统 │ │
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||||
│ │ (FLASH_SPIFS 组件) │ │
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│ └─────────────────────────────────────┘ │
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||||
│ │ │ │
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│ ▼ │ │
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│ ┌─────────────────────────────────────┐ │
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||||
│ │ 16MB Flash存储区 │ │
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│ │ (8MB可用) │ │
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│ └─────────────────────────────────────┘ │
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||||
└─────────────────────────────────────────────────┘
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```
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## 分区表配置
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||||
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||||
```csv
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# Name, Type, SubType, Offset, Size, Flags
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||||
nvs, data, nvs, 0x9000, 0x6000,
|
||||
phy_init, data, phy, 0xf000, 0x1000,
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||||
factory, app, factory, 0x10000, 2MB,
|
||||
storage, data, spiffs, 0x210000,8MB,
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```
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- **storage分区**：8MB，用于离线数据存储
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- **挂载点**：`/flash`
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- **文件系统**：SPIFFS
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## 存储容量估算
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| 参数 | 数值 |
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|------|------|
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| Flash总容量 | 16MB |
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| 存储分区大小 | 8MB |
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| MODBUS数据量 | 200字节/条（1秒/次） |
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| 每小时数据量 | 720KB |
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| 可存储时长 | 约11小时 |
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**注意**：SPIFFS最小文件大小为4KB，200字节的文件实际占用4KB空间，因此实际可存储的时长会更短。建议将多条数据合并到一个文件中存储以提高空间利用率。
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## 文件组织结构
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```
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/flash/
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├── data/
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│ ├── modbus/ # MODBUS采集数据
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│ │ ├── 1738452345.json # 时间戳命名
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│ │ ├── 1738452346.json
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│ │ └── ...
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||||
│ └── status/ # 设备状态数据
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||||
│ ├── 1738452345.json
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||||
│ └── ...
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└── index.json # 索引文件
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```
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## 工作流程
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### 正常模式（网络在线）
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```
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数据产生
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↓
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检测网络状态（在线）
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↓
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直接发布到MQTT
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↓
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不存储
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```
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### 离线模式（网络断开）
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```
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||||
数据产生
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||||
↓
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||||
检测网络状态（离线）
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||||
↓
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||||
存储到Flash SPIFFS
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||||
↓
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||||
写入成功
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||||
↓
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||||
等待网络恢复
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```
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||||
### 补传模式（网络恢复）
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```
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||||
检测网络状态（在线）
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||||
↓
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||||
检查是否有离线数据
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↓
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读取最旧的数据
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||||
↓
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||||
发布到MQTT
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↓
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发布成功？
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├─ 是 → 删除该数据 → 继续下一条
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└─ 否 → 等待重试
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```
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## API接口
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### FLASH_SPIFS 组件
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#### 初始化文件系统
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```c
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||||
esp_err_t flash_spiffs_init(void);
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||||
```
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||||
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||||
#### 检查是否挂载
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||||
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||||
```c
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||||
bool flash_spiffs_is_mounted(void);
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||||
```
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||||
#### 获取存储使用情况
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||||
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||||
```c
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||||
uint32_t flash_spiffs_get_total_size(void);
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||||
uint32_t flash_spiffs_get_used_size(void);
|
||||
```
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||||
|
||||
#### 格式化文件系统
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||||
|
||||
```c
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||||
esp_err_t flash_spiffs_format(void);
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||||
```
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||||
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||||
### OFFLINE_STORAGE 组件
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||||
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||||
#### 初始化存储模块
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||||
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```c
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||||
esp_err_t offline_storage_init(void);
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||||
```
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||||
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||||
#### 存储离线数据
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||||
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||||
```c
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||||
esp_err_t offline_storage_store(const char *data, size_t length, offline_data_type_t data_type);
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||||
```
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||||
|
||||
**参数**：
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||||
- `data`：数据内容（JSON字符串）
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||||
- `length`：数据长度
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||||
- `data_type`：数据类型
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||||
- `OFFLINE_DATA_TYPE_MODBUS`：MODBUS采集数据
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||||
- `OFFLINE_DATA_TYPE_DEVICE_STATUS`：设备状态数据
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||||
|
||||
#### 读取最旧的数据
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||||
|
||||
```c
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||||
esp_err_t offline_storage_read_oldest(char *buffer, size_t max_len, offline_data_type_t *out_data_type);
|
||||
```
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||||
|
||||
#### 删除最旧的数据
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||||
|
||||
```c
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||||
esp_err_t offline_storage_delete_oldest(void);
|
||||
```
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||||
|
||||
#### 获取数据数量
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||||
|
||||
```c
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||||
uint32_t offline_storage_get_count(void);
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||||
bool offline_storage_has_data(void);
|
||||
```
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||||
|
||||
#### 清空所有数据
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||||
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||||
```c
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||||
esp_err_t offline_storage_clear_all(void);
|
||||
```
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||||
|
||||
### MQTT_ESP 扩展接口
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||||
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||||
#### 存储离线数据（内部使用）
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||||
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```c
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||||
esp_err_t mqtt_store_offline(const char *data, size_t length, offline_data_type_t data_type);
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||||
```
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||||
|
||||
#### 启动/停止补传任务
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||||
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||||
```c
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||||
BaseType_t mqtt_start_offline_upload_task(void);
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||||
void mqtt_stop_offline_upload_task(void);
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||||
```
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||||
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||||
## 网络状态检测
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||||
系统通过MQTT连接状态判断网络是否在线：
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||||
| MQTT事件 | 网络状态 | 处理 |
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|---------|---------|------|
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||||
| `MQTT_EVENT_CONNECTED` | 在线 | 启动补传任务 |
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||||
| `MQTT_EVENT_DISCONNECTED` | 离线 | 停止补传任务 |
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||||
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||||
## 存储策略
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||||
### 自动循环覆盖
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- **最大文件数限制**：10,000个文件
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- **触发条件**：当文件数超过限制时，自动删除最旧的数据
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||||
- **优先级**：按时间戳排序，删除最旧的数据
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||||
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||||
### 数据完整性保护
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||||
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||||
- **索引文件**：`/flash/index.json` 记录所有文件信息
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||||
- **原子写入**：使用临时文件+重命名机制
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||||
- **断电保护**：SPIFFS提供基本断电保护
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||||
### 存储空间管理
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||||
```
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||||
获取空间使用情况
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↓
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||||
检查可用空间
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||||
↓
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||||
空间不足？
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||||
├─ 否 → 正常存储
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||||
└─ 是 → 删除最旧数据 → 重试
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```
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||||
## SPIFFS 特性说明
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### 优点
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- ESP-IDF原生支持，无需额外组件
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||||
- 代码成熟稳定
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||||
- 内存占用小（约2KB）
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||||
- 挂载速度快
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||||
|
||||
### 缺点
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||||
- 最小文件大小为4KB，小文件浪费空间
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||||
- 无磨损均衡，Flash寿命相对较短
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||||
- 碎片严重，长期使用后性能下降
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||||
- 不支持目录（所有文件在根目录）
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||||
### 优化建议
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||||
1. **合并多条数据到单个文件**：减少文件数量，提高空间利用率
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||||
2. **定期格式化**：消除碎片，恢复性能
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||||
3. **限制文件数量**：避免碎片积累
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||||
## 日志输出
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### 初始化日志
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```
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I (xxxx) main: Initializing SPIFFS file system...
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||||
I (xxxx) FLASH_SPIFS: 正在初始化SPIFFS文件系统...
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||||
I (xxxx) FLASH_SPIFS: SPIFFS文件系统挂载成功
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||||
I (xxxx) FLASH_SPIFS: 总空间: 8388608 字节
|
||||
I (xxxx) FLASH_SPIFS: 已用空间: 4096 字节
|
||||
I (xxxx) FLASH_SPIFS: 可用空间: 8384512 字节
|
||||
I (xxxx) FLASH_SPIFS: 挂载点: /flash
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||||
I (xxxx) main: Initializing offline storage module...
|
||||
I (xxxx) main: 离线存储模块初始化完成
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||||
```
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||||
### 存储日志
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||||
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||||
```
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||||
I (xxxx) mqtt_esp: Storing offline data (type=1, size=256)
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||||
I (xxxx) OFFLINE_STORAGE: 存储数据: /flash/data/modbus/1738452345.json, 大小: 256 字节
|
||||
I (xxxx) OFFLINE_STORAGE: Storage usage: 4096 / 8388608 bytes (0.0%)
|
||||
W (xxxx) OFFLINE_STORAGE: 注意：SPIFFS最小文件大小为4KB，小文件会占用更多空间
|
||||
```
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||||
|
||||
### 补传日志
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||||
|
||||
```
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||||
I (xxxx) mqtt_esp: Network is online, starting offline data upload
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||||
I (xxxx) mqtt_esp: Found 10 offline data files, uploading...
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||||
I (xxxx) mqtt_esp: Publishing offline data (type=1, size=256)
|
||||
I (xxxx) mqtt_esp: Offline data published successfully, msg_id=12345
|
||||
```
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||||
|
||||
## 故障处理
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||||
### Flash空间不足
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||||
**现象**：
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```
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||||
E (xxxx) OFFLINE_STORAGE: 无法创建文件
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||||
```
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||||
|
||||
**解决**：
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||||
1. 自动删除最旧的数据
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||||
2. 格式化存储分区
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||||
### 文件系统损坏
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||||
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||||
**现象**：
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```
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||||
E (xxxx) FLASH_SPIFS: 挂载失败
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||||
```
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||||
|
||||
**解决**：
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||||
1. 系统会尝试自动修复
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||||
2. 如修复失败，格式化文件系统
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||||
3. 检查Flash硬件
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### 数据补传失败
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||||
|
||||
**现象**：
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```
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||||
E (xxxx) mqtt_esp: Failed to publish offline data
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```
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||||
|
||||
**解决**：
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||||
1. 检查网络连接
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||||
2. 检查MQTT服务器状态
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||||
3. 数据会保留在Flash中，下次重试
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||||
## 性能优化建议
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||||
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### 1. 合并多条数据
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||||
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||||
将多条数据合并到一个文件中存储：
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```c
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// 示例：每100条数据存储为一个文件
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// 空间利用率：100 * 200字节 / 4096字节 ≈ 4.9%
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||||
// 单文件存储：100 * 200字节 / 4096字节 = 100%
|
||||
```
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||||
### 2. 降低存储频率
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||||
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||||
网络离线时降低存储频率：
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||||
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```c
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||||
// 在线：1秒/次
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// 离线：10秒/次
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||||
// 可存储时长：110小时
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||||
```
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||||
### 3. 选择性存储
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||||
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||||
只存储关键数据：
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||||
```c
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||||
// 只存储异常数据、状态变化
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||||
// 正常数据丢弃
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||||
```
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||||
### 4. 定期格式化
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||||
建议每隔1-3个月格式化一次文件系统，消除碎片：
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||||
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||||
```c
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||||
flash_spiffs_format();
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||||
```
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||||
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||||
## 监控和调试
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||||
### 查看存储使用情况
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||||
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||||
```c
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||||
size_t used = 0, total = 0;
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||||
offline_storage_get_usage(&used, &total);
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||||
ESP_LOGI(TAG, "Storage: %zu / %zu bytes", used, total);
|
||||
ESP_LOGI(TAG, "Usage: %.1f%%", (used * 100.0) / total);
|
||||
```
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||||
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||||
### 查看离线数据数量
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||||
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||||
```c
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||||
uint32_t count = offline_storage_get_count();
|
||||
ESP_LOGI(TAG, "Offline data files: %u", count);
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||||
```
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||||
|
||||
### 格式化存储
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||||
|
||||
```c
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||||
flash_spiffs_format();
|
||||
```
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||||
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||||
## 注意事项
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||||
1. **首次启动**：会自动格式化文件系统（如果需要）
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2. **断电保护**：SPIFFS提供基本断电保护，但建议避免频繁断电
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||||
3. **Flash寿命**：SPIFFS无磨损均衡，建议定期格式化以延长寿命
|
||||
4. **容量限制**：由于SPIFFS最小文件4KB，实际可存储时长会少于理论值
|
||||
5. **补传速率**：每秒处理一条数据，避免阻塞新数据上传
|
||||
6. **碎片问题**：长期使用后性能可能下降，建议定期格式化
|
||||
|
||||
## 后续扩展建议
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||||
|
||||
1. **数据压缩**：集成zlib压缩，延长存储时长
|
||||
2. **批量存储**：将多条数据合并到一个文件中
|
||||
3. **优先级队列**：重要数据优先补传
|
||||
4. **数据导出**：通过Web界面导出离线数据
|
||||
5. **统计信息**：记录丢失/补传的数据统计
|
||||
6. **智能采样**：根据存储空间动态调整采样率
|
||||
7. **定期维护**：实现自动碎片整理和格式化
|
||||
|
||||
## 与LittleFS对比
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||||
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||||
| 特性 | SPIFFS | LittleFS |
|
||||
|------|--------|----------|
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| 最小文件大小 | 4KB | 0字节 |
|
||||
| 内存占用 | ~2KB | ~4KB |
|
||||
| 磨损均衡 | ❌ 无 | ✅ 自带 |
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||||
| 断电保护 | ⚠️ 一般 | ✅ 优秀 |
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||||
| 支持目录 | ❌ 不支持 | ✅ 支持 |
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||||
| 碎片问题 | ❌ 严重 | ✅ 轻微 |
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||||
| ESP-IDF支持 | ✅ 原生支持 | ❌ 需第三方组件 |
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||||
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||||
**选择建议**：
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||||
- 如果需要ESP-IDF原生支持且数据量不大 → SPIFFS
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||||
- 如果需要更好的性能和寿命 → LittleFS（需手动添加组件）
|
||||
214
docs/OFFLINE_STORAGE_TEST.md
Normal file
214
docs/OFFLINE_STORAGE_TEST.md
Normal file
@@ -0,0 +1,214 @@
|
||||
# 离线存储功能测试指南
|
||||
|
||||
## 功能概述
|
||||
|
||||
离线存储功能会在网络断开时自动将数据存储到 Flash 中，并在网络恢复后自动补传数据。
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||||
## 测试步骤
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||||
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||||
### 1. 编译并烧录固件
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||||
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||||
```bash
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||||
cd "/home/beihong/esp_projects/Distributed Collector Gateway"
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||||
idf.py build
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||||
idf.py flash monitor
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||||
```
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||||
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||||
### 2. 观察启动日志
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||||
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||||
系统启动时会显示以下关键日志：
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||||
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||||
```
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||||
I (xxxx) main: Initializing SPIFFS file system...
|
||||
I (xxxx) FLASH_SPIFS: SPIFFS mounted successfully at /flash
|
||||
I (xxxx) FLASH_SPIFS: Total size: 8388608 bytes, Used: 0 bytes
|
||||
I (xxxx) main: Initializing offline storage module...
|
||||
I (xxxx) OFFLINE_STORAGE: Offline storage initialized
|
||||
I (xxxx) main: Offline data upload task started
|
||||
```
|
||||
|
||||
### 3. 测试场景A：网络断开时的数据存储
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||||
|
||||
**操作步骤：**
|
||||
|
||||
1. 在系统正常运行时，断开网络连接（拔掉网线或断开路由器）
|
||||
2. 观察日志输出，应该看到网络断开的提示
|
||||
3. 等待 MODBUS 数据采集任务产生数据
|
||||
4. 观察日志，应该看到类似以下信息：
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||||
|
||||
```
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||||
W (xxxx) MQTT_ESP: Network offline, storing data locally (topic: xxx, len: xxx)
|
||||
I (xxxx) MQTT_ESP: Storing offline data (type=1, size=xxx)
|
||||
I (xxxx) OFFLINE_STORAGE: Stored offline data: /flash/offline/xxxxxx.json
|
||||
I (xxxx) MQTT_ESP: Storage usage: 4096 / 8388608 bytes (0.0%)
|
||||
```
|
||||
|
||||
**预期结果：**
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||||
- 数据被成功存储到 Flash 中
|
||||
- 显示存储使用情况
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||||
- 设备继续正常运行，不会因为网络断开而崩溃
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||||
|
||||
### 4. 测试场景B：网络恢复时的自动补传
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||||
|
||||
**操作步骤：**
|
||||
|
||||
1. 在测试场景A中存储了一些离线数据后
|
||||
2. 重新连接网络（插上网线或恢复路由器）
|
||||
3. 观察日志输出
|
||||
|
||||
**预期日志：**
|
||||
|
||||
```
|
||||
I (xxxx) MQTT_ESP: Network online, resuming normal operation
|
||||
I (xxxx) MQTT_ESP: Found 5 offline data files, uploading...
|
||||
I (xxxx) MQTT_ESP: Publishing offline data (type=1, size=xxx)
|
||||
I (xxxx) MQTT_ESP: Offline data published successfully, msg_id=xxx
|
||||
I (xxxx) OFFLINE_STORAGE: Deleted offline data: /flash/offline/xxxxxx.json
|
||||
I (xxxx) MQTT_ESP: Storage usage: 32768 / 8388608 bytes (0.4%)
|
||||
```
|
||||
|
||||
**预期结果：**
|
||||
- 系统自动检测到网络恢复
|
||||
- 自动开始上传离线存储的数据
|
||||
- 每次上传成功后删除对应文件
|
||||
- 逐条上传，直到所有离线数据都上传完成
|
||||
|
||||
### 5. 测试场景C：设备状态数据的离线存储
|
||||
|
||||
**操作步骤：**
|
||||
|
||||
1. 断开网络连接
|
||||
2. 等待设备状态上报周期（默认10秒）
|
||||
3. 观察日志输出
|
||||
|
||||
**预期日志：**
|
||||
|
||||
```
|
||||
W (xxxx) MQTT_ESP: Network offline, storing device status locally
|
||||
I (xxxx) MQTT_ESP: Storing offline data (type=2, size=xxx)
|
||||
I (xxxx) OFFLINE_STORAGE: Stored offline data: /flash/offline/xxxxxx.json
|
||||
```
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**预期结果：**
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- 设备状态数据被正确识别为 OFFLINE_DATA_TYPE_DEVICE_STATUS 类型
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- 数据成功存储到 Flash
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### 6. 测试场景D：存储空间耗尽
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**操作步骤：**
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1. 持续在网络断开状态下运行设备
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2. 让 MODBUS 数据持续产生（通过发送 MODBUS 查询命令）
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3. 观察存储使用率的变化
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**预期日志：**
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```
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I (xxxx) MQTT_ESP: Storage usage: 8355840 / 8388608 bytes (99.6%)
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W (xxxx) OFFLINE_STORAGE: Storage nearly full (99.6%), consider clearing old data
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```
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**预期结果：**
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- 当存储空间快满时，系统会发出警告
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- 新数据仍然可以存储，直到空间完全耗尽
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- 系统继续正常运行
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### 7. 测试场景E：手动清空离线数据
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如果需要手动清空所有离线数据，可以：
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1. 通过串口终端发送清空命令（需要自行实现）
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2. 或者重新格式化 SPIFFS 文件系统（会删除所有数据）
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**格式化方法：**
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- 在代码中调用 `flash_spiffs_format()` 函数
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- 这会清空整个文件系统，包括离线数据和配置
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## MQTT 服务器端验证
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在 MQTT 服务器端（如使用 MQTTX 或 Mosquitto Client）：
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1. 订阅设备发布的主题：`CONFIG_MQTT_PUB_TOPIC`（在 sdkconfig 中配置）
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2. 在网络断开时，应该收不到新数据
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3. 在网络恢复后，应该收到之前存储的离线数据
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4. 验证接收到的数据完整性和顺序
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## 常见问题排查
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### 问题1：日志显示 "Failed to store offline data"
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**可能原因：**
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- SPIFFS 文件系统挂载失败
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- Flash 存储空间已满
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- 文件系统错误
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**解决方法：**
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1. 检查 SPIFFS 初始化日志
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2. 查看存储使用情况
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3. 必要时格式化文件系统
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### 问题2：网络恢复后没有自动上传离线数据
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**可能原因：**
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- 离线上传任务未启动
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- MQTT 客户端未连接
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- 网络状态判断错误
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**解决方法：**
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1. 检查日志中是否有 "Offline data upload task started"
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2. 确认 MQTT 客户端已连接
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3. 检查 `g_is_online` 状态
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### 问题3：离线数据上传不完整或丢失
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**可能原因：**
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- MQTT 发布失败
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- 文件读取错误
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- 文件删除时机问题
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**解决方法：**
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1. 查看日志中的错误信息
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2. 确认 MQTT 服务器可用
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3. 检查 Flash 文件完整性
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## 性能测试
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### 存储性能
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- 每条数据存储时间：通常 < 100ms
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- 支持的数据大小：最大 4096 bytes（单条）
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- 存储容量：约 8MB（基于分区表配置）
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### 上传性能
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- 每条数据上传时间：取决于网络延迟
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- 上传间隔：1 秒（在离线上传任务中）
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- 支持的最大数据条数：约 2000 条（基于平均每条 4KB）
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## 存储容量分析
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基于当前配置：
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- **分区大小**: 8MB
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- **SPIFFS 开销**: 约 10-20%
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- **可用空间**: 约 6.4-7.2MB
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- **最小文件大小**: 4KB（SPIFFS 特性）
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- **MODBUS 数据大小**: 约 200 bytes/秒
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- **可存储时长**: 约 2-3 小时
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**注意：** 由于 SPIFFS 最小文件大小为 4KB，即使只有 200 bytes 的数据也会占用 4KB 空间。如果需要更长时间的离线存储，建议：
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1. 增大存储分区
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2. 使用 LittleFS 文件系统（支持更小的文件块）
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3. 实现数据打包存储（多条数据打包到一个文件）
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## 测试总结
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完成以上测试后，你应该能够验证：
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1. ✅ 网络断开时数据能正确存储到 Flash
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2. ✅ 网络恢复时数据能自动补传
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3. ✅ 设备状态和 MODBUS 数据都能正确处理
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4. ✅ 存储空间管理正常
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5. ✅ 系统在各种网络状态切换下稳定运行
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如有问题，请查看 ESP 日志输出，或参考 `docs/OFFLINE_STORAGE.md` 获取详细的技术文档。
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