3. 平台总体架构设计
实验设备实时数据平台面对的是“多品牌仪器、多协议接口、多采样频率、多消费场景”的复杂环境。若把所有逻辑堆在一个服务里，任何一次设备接入变更都可能牵动存储与服务，最终导致系统难以演进。分层架构的核心价值，是把“变化频率不同、技术栈不同、可靠性要求不同”的职责切开，让每一层只解决一类问题，并通过稳定接口向上提供服务。
本节采用七层划分：边缘层、接入层、消息层、存储层、服务层、应用层，以及贯穿全局的运维与安全能力。下面先给出整体数据流与职责边界，再逐层说明职责、关键选型参数与选型原则。
边缘层：把“最后一米”的不确定性收住
边缘层直接面对仪器，职责是稳定采集、就地处理、断网续传。它需要处理三类现实问题：一是协议差异，例如某台温控箱走 Modbus RTU，某台示波器走 SCPI over TCP，某台采集卡走厂商私有 DLL；二是时钟差异，设备本地时间可能漂移，必须统一到平台时间基准；三是网络不可靠，实验室网络可能被大文件传输占满。
选型上，边缘节点优先选择支持容器化部署的轻量运行时，单节点资源建议预留 2 核 CPU、2 GB 内存以上，用于本地缓存与预处理。采集周期按设备能力设定：温度类 1 s、电压电流类 100 ms、振动类 1 ms 或更高。边缘预处理应至少包含“无效值剔除、量程判断、时间戳打标”三步，避免脏数据直接进入消息层。断网缓存建议按“本地磁盘队列 + 最大保留时长”设计，例如保留 24 小时或 500 MB，先到者触发覆盖。
接入层：协议归一化与设备身份
接入层是平台与设备之间的“翻译官”。它把不同协议、不同报文格式统一为内部数据模型，典型字段包括：设备ID、测点ID、时间戳、数值、质量码、单位。质量码用于标记数据可信度，例如 0 表示正常、1 表示超量程、2 表示通信超时、3 表示人工置数。
接入层还需完成设备认证与会话管理。建议每台设备或每个边缘网关分配唯一凭证，接入时校验设备证书或令牌，避免非法设备写入。对于高频数据，接入层应支持批量打包，例如每 200 ms 或每 500 条打包一次，降低消息层压力。若某设备连续 3 个周期无响应，接入层应产生通信中断事件，而不是静默丢弃。
消息层：削峰、解耦与可回放
消息层是平台的“缓冲带”。实验设备数据具有明显的突发性：某次实验启动瞬间，几十台设备同时上传，若直接写库会造成存储抖动。消息层通过主题分区把不同设备或不同实验分组，消费组按需订阅。关键参数包括：分区数、副本数、消息保留时长、消费位点提交方式。
选型原则是：分区数按“峰值吞吐 ÷ 单分区吞吐”估算，并预留 2 倍余量；副本数至少 2，保证单节点故障不丢数据；保留时长按业务回放需求设定，例如 7 天用于排障，30 天用于实验复盘。消费端必须实现幂等写入，避免重复消费导致数据重复。对于无法处理的消息，应进入死信队列并记录原因，而不是无限重试阻塞主链路。
存储层：按数据特征分级
存储层不能只用一种数据库。原始高频时序数据写入量大、查询以时间范围为主，适合时序数据库；设备台账、实验配置、用户权限等结构化数据适合关系库；波形文件、图片、日志附件适合对象存储；最新值查询和热点数据适合缓存。
以某实验台为例：20 个测点、采样周期 100 ms，则每秒产生 200 条记录，一天约 1728 万条。若保留 90 天原始数据，约 15.5 亿条。此时必须设计降采样与冷热分层：原始数据保留 7 天，1 分钟聚合数据保留 90 天，1 小时聚合数据保留 3 年。聚合任务由服务层调度，写入独立的聚合表，避免查询时实时计算。
服务层：统一接口与业务逻辑
服务层向上提供稳定 API，向下屏蔽存储差异。核心服务包括：实时查询服务、历史查询服务、订阅推送服务、设备元数据服务、权限与审计服务。实时查询建议走缓存，历史查询走时序库，订阅推送走消息层或 WebSocket。
服务层的关键设计是“接口契约稳定”。例如历史查询接口统一为：设备ID、测点ID、起始时间、结束时间、聚合粒度、返回条数上限。无论底层是时序库还是关系库，调用方不需要感知。对于跨设备计算，例如“温度超过 80 ℃ 且持续 10 s 触发报警”，应由服务层的规则引擎完成，而不是让应用层各自实现。
应用层：面向场景，不碰底层细节
应用层只消费服务层接口，不直接访问数据库或消息队列。典型应用包括：实时监控大屏、实验过程回放、报警推送、数据导出与报表、第三方系统对接。应用层的选型原则是“快速迭代、按需组合”，同一份数据可以同时支撑大屏、移动端和报表，而不需要重复采集。
选型原则汇总
| 层级 | 核心职责 | 关键选型参数 | 选型原则 |
|---|---|---|---|
| 边缘层 | 采集、预处理、断网缓存 | 采集周期、缓存容量、时钟同步精度 | 贴近设备，优先保证不丢数 |
| 接入层 | 协议适配、身份认证、数据校验 | 协议类型、批量大小、质量码规则 | 归一化输出，异常可观测 |
| 消息层 | 削峰、解耦、回放 | 分区数、副本数、保留时长 | 按峰值吞吐估算，预留余量 |
| 存储层 | 分级持久化 | 写入速率、保留周期、聚合粒度 | 按数据特征选库，冷热分层 |
| 服务层 | 统一API、业务规则 | 接口契约、并发量、缓存策略 | 接口稳定，屏蔽底层差异 |
| 应用层 | 场景化展示与交互 | 刷新频率、用户规模、导出格式 | 只依赖服务层，快速迭代 |
实际落地时，建议先用一张“数据流与职责边界图”对齐团队认知，再逐层确定技术选型。每层之间只通过明确接口通信，禁止跨层直连。这样，当设备数量从 20 台扩展到 200 台、采样频率从 100 ms 提升到 10 ms 时，平台只需在对应层扩容或替换组件，而不必推倒重来。