التحكم في تدفق التسلسل الأمامي للويب: إتقان إدارة الاتصالات التسلسلية

يفتح Web Serial API عالمًا من الاحتمالات لتطبيقات الويب، مما يتيح الاتصال المباشر بالأجهزة عبر المنافذ التسلسلية. وهذا مفيد بشكل خاص للتطبيقات التي تتفاعل مع المتحكمات الدقيقة (مثل Arduino أو ESP32) والأدوات العلمية والمعدات الصناعية والأنظمة المدمجة الأخرى. ومع ذلك، تتطلب إدارة الاتصالات التسلسلية بشكل موثوق، خاصة مع القدرات المتنوعة للأجهزة وظروف الشبكة، اهتمامًا دقيقًا بالتحكم في التدفق.

فهم أساسيات الاتصال التسلسلي

قبل الخوض في التحكم في التدفق، دعنا نراجع أساسيات الاتصال التسلسلي:

• المنفذ التسلسلي: واجهة مادية (غالبًا USB-to-Serial) تسمح للأجهزة بنقل البيانات بت واحد في كل مرة.
• معدل الباود: المعدل الذي يتم به نقل البيانات (بت في الثانية). يجب أن يتفق كلا الجهازين على هذا المعدل. تشمل معدلات الباود الشائعة 9600 و 115200 وغيرها.
• بتات البيانات: عدد البتات المستخدمة لتمثيل حرف واحد (عادةً 7 أو 8).
• التماثل: طريقة للكشف عن الأخطاء. يمكن أن يكون زوجيًا أو فرديًا أو بلا.
• بتات الإيقاف: البتات المستخدمة للإشارة إلى نهاية الحرف (عادةً 1 أو 2).

يوفر Web Serial API واجهات JavaScript لتهيئة وإدارة إعدادات المنفذ التسلسلي هذه داخل بيئة المتصفح.

لماذا التحكم في التدفق ضروري؟

تعتبر آليات التحكم في التدفق ضرورية لمنع فقدان البيانات وضمان اتصال موثوق بين تطبيق الويب والجهاز المتصل. يمكن أن تنشأ المشكلات بسبب:

• تجاوزات مخزن الجهاز المؤقت: قد يتلقى الجهاز البيانات بشكل أسرع مما يمكنه معالجتها، مما يؤدي إلى فقدان البيانات.
• زمن انتقال الشبكة: في السيناريوهات التي يتصل فيها تطبيق الويب بجهاز عبر شبكة (على سبيل المثال، محول تسلسلي إلى شبكة)، يمكن أن يتسبب زمن انتقال الشبكة في حدوث تأخيرات في نقل البيانات.
• سرعات معالجة متغيرة: يمكن أن تختلف سرعة معالجة تطبيق الويب اعتمادًا على المتصفح وجهاز المستخدم والبرامج النصية الأخرى قيد التشغيل.

بدون التحكم في التدفق، يمكن أن تؤدي هذه المشكلات إلى تلف البيانات أو فشل الاتصال، مما يؤثر بشكل كبير على تجربة المستخدم.

أنواع التحكم في التدفق التسلسلي

يوجد نوعان أساسيان من التحكم في التدفق المستخدم في الاتصال التسلسلي:

1. التحكم في التدفق للأجهزة (RTS/CTS)

يستخدم التحكم في التدفق للأجهزة خطوط أجهزة مخصصة (RTS - طلب الإرسال و CTS - Clear To Send) للإشارة إلى متى يكون الجهاز جاهزًا لتلقي البيانات.

• RTS (طلب الإرسال): يتم تأكيده بواسطة جهاز الإرسال للإشارة إلى أنه لديه بيانات لإرسالها.
• CTS (Clear To Send): يتم تأكيده بواسطة جهاز الاستقبال للإشارة إلى أنه جاهز لتلقي البيانات.

يرسل جهاز الإرسال البيانات فقط عند تأكيد خط CTS. يوفر هذا آلية موثوقة تعتمد على الأجهزة لمنع تجاوزات المخزن المؤقت. في Web Serial API، يمكنك تمكين التحكم في تدفق الأجهزة أثناء تكوين المنفذ:

            
const port = await navigator.serial.requestPort();
await port.open({ baudRate: 115200, flowControl: "hardware" });

            

              
                Copy
              
            
          

المميزات:

• موثوق للغاية.
• يعتبر تنفيذ مستوى الأجهزة بشكل عام أسرع وأكثر كفاءة.

العيوب:

• يتطلب خطوط أجهزة مخصصة، والتي قد لا تكون متاحة على جميع الأجهزة.
• يمكن أن يزيد من تعقيد الاتصال المادي.

مثال: تخيل تطبيق ويب يتحكم في آلة CNC. قد تحتوي آلة CNC على مخزن مؤقت محدود. يضمن التحكم في تدفق الأجهزة أن تطبيق الويب يرسل فقط الأوامر عندما تكون آلة CNC جاهزة لمعالجتها، مما يمنع فقدان البيانات ويضمن التشغيل الدقيق.

2. التحكم في تدفق البرامج (XON/XOFF)

يستخدم التحكم في تدفق البرامج أحرفًا خاصة (XON - إرسال تشغيل و XOFF - إرسال إيقاف) للإشارة إلى متى يكون الجهاز جاهزًا لتلقي البيانات. يتم إرسال هذه الأحرف داخل دفق البيانات نفسه.

• XOFF (إرسال إيقاف): يتم إرساله بواسطة جهاز الاستقبال لإخبار جهاز الإرسال بالتوقف عن إرسال البيانات.
• XON (إرسال تشغيل): يتم إرساله بواسطة جهاز الاستقبال لإخبار جهاز الإرسال باستئناف إرسال البيانات.

لا يدعم Web Serial API التحكم في تدفق XON/XOFF بشكل مباشر من خلال خيارات التكوين. يتطلب تنفيذه معالجة أحرف XON و XOFF يدويًا في كود JavaScript الخاص بك.

المميزات:

• يمكن استخدامه على الأجهزة التي لا تحتوي على خطوط تحكم في تدفق الأجهزة مخصصة.
• إعداد أجهزة أبسط.

العيوب:

• أقل موثوقية من التحكم في تدفق الأجهزة، حيث يمكن أن تضيع أو تتلف أحرف XON/XOFF نفسها.
• يمكن أن تتداخل مع دفق البيانات إذا كانت أحرف XON/XOFF تستخدم أيضًا لأغراض أخرى.
• يتطلب تنفيذ برامج أكثر تعقيدًا.

مثال: ضع في اعتبارك مستشعرًا ينقل البيانات إلى تطبيق ويب. إذا زاد حمل معالجة تطبيق الويب، فيمكنه إرسال حرف XOFF إلى المستشعر لإيقاف نقل البيانات مؤقتًا. بمجرد انخفاض حمل المعالجة، يرسل تطبيق الويب حرف XON لاستئناف نقل البيانات. يضمن هذا أن تطبيق الويب لا يفقد أي نقاط بيانات بسبب التحميل الزائد.

تنفيذ التحكم في تدفق البرامج باستخدام Web Serial API

نظرًا لأن Web Serial API لا يحتوي على دعم XON/XOFF مضمن، فأنت بحاجة إلى تنفيذه يدويًا. إليك نهج أساسي:

1. حدد أحرف XON و XOFF: حدد الأحرف المحددة التي ستستخدمها لـ XON و XOFF. غالبًا ما تكون هذه أحرف تحكم ASCII (على سبيل المثال، 0x11 لـ XON، 0x13 لـ XOFF).
2. نفذ مخزن بيانات مؤقت: قم بإنشاء مخزن مؤقت في كود JavaScript الخاص بك لتخزين البيانات الواردة.
3. راقب حجم المخزن المؤقت: تحقق من حجم المخزن المؤقت بانتظام.
4. أرسل XOFF عندما يقترب المخزن المؤقت من سعته: عندما يصل المخزن المؤقت إلى حد معين، أرسل حرف XOFF إلى الجهاز لإيقاف الإرسال مؤقتًا.
5. أرسل XON عندما يكون للمخزن المؤقت مساحة: عندما يكون للمخزن المؤقت مساحة كافية، أرسل حرف XON إلى الجهاز لاستئناف الإرسال.
6. تعامل مع أحرف XON/XOFF في دفق البيانات الواردة: قم بتصفية أحرف XON/XOFF من البيانات المستلمة قبل معالجتها.

إليك مثال مبسط لكيفية تنفيذ ذلك:

            
const XON = 0x11;
const XOFF = 0x13;
const BUFFER_SIZE = 1024;
const BUFFER_THRESHOLD = 800;

let dataBuffer = [];
let isTransmitting = true;

async function readSerialData(reader, writer) {
  try {
    while (true) {
      const { value, done } = await reader.read();
      if (done) {
        console.log("Reader done!");
        break;
      }

      // Convert Uint8Array to string
      const receivedString = new TextDecoder().decode(value);

      // Filter out XON/XOFF characters (if present in the received string)
      const filteredString = receivedString.replace(/\u0011/g, '').replace(/\u0013/g, '');

      // Add data to buffer
      dataBuffer.push(filteredString);

      // Check buffer size
      if (dataBuffer.join('').length > BUFFER_THRESHOLD && isTransmitting) {
        console.log("Sending XOFF");
        const encoder = new TextEncoder();
        await writer.write(encoder.encode(String.fromCharCode(XOFF)));
        isTransmitting = false;
      }

      // Process data (example: log to console)
      console.log("Received:", filteredString);

      // Example: Clear the buffer and resume transmission after processing
      if (dataBuffer.join('').length < BUFFER_THRESHOLD / 2 && !isTransmitting) {
        console.log("Sending XON");
        const encoder = new TextEncoder();
        await writer.write(encoder.encode(String.fromCharCode(XON)));
        isTransmitting = true;
        dataBuffer = []; // Clear the buffer after processing
      }
    }
  } catch (error) {
    console.error("Serial read error:", error);
  } finally {
    reader.releaseLock();
  }
}

async function writeSerialData(writer, data) {
  const encoder = new TextEncoder();
  await writer.write(encoder.encode(data));
  await writer.close();
}

async function openSerialPort() {
  try {
    const port = await navigator.serial.requestPort();
    await port.open({ baudRate: 115200 });

    const reader = port.readable.getReader();
    const writer = port.writable.getWriter();

    readSerialData(reader, writer);

  } catch (error) {
    console.error("Serial port error:", error);
  }
}

// Example usage:
openSerialPort();

            

              
                Copy
              
            
          

اعتبارات مهمة لـ XON/XOFF:

• اختيار أحرف XON/XOFF: حدد الأحرف التي من غير المحتمل أن تظهر في دفق البيانات العادي.
• معالجة الأخطاء: نفذ معالجة الأخطاء للتعامل مع أحرف XON/XOFF المفقودة أو التالفة. قد يتضمن ذلك مهلات واستراتيجيات إعادة الإرسال.
• التوقيت: توقيت إرسال أحرف XON/XOFF أمر بالغ الأهمية. أرسل XOFF قبل أن يمتلئ المخزن المؤقت تمامًا و XON عندما تكون هناك مساحة كافية.
• دعم الجهاز: تأكد من أن الجهاز الذي تتصل به يدعم بالفعل التحكم في تدفق XON/XOFF ويستخدم نفس أحرف XON/XOFF.

أفضل الممارسات للتحكم في تدفق Web Serial

فيما يلي بعض أفضل الممارسات العامة لتنفيذ الاتصال التسلسلي والتحكم في التدفق في تطبيقات الويب:

• استخدم التحكم في تدفق الأجهزة عندما يكون متاحًا: يعتبر التحكم في تدفق الأجهزة (RTS/CTS) بشكل عام أكثر موثوقية وكفاءة من التحكم في تدفق البرامج (XON/XOFF). استخدمه كلما أمكن ذلك.
• فهم قدرات الجهاز: راجع بعناية الوثائق الخاصة بالجهاز الذي تتصل به لفهم قدرات ومتطلبات التحكم في التدفق الخاصة به.
• تنفيذ معالجة الأخطاء: تعتبر معالجة الأخطاء القوية ضرورية للتعامل مع حالات فشل الاتصال وتلف البيانات والأحداث غير المتوقعة الأخرى.
• استخدم العمليات غير المتزامنة: Web Serial API غير متزامن، لذا استخدم دائمًا `async/await` أو Promises للتعامل مع عمليات الاتصال التسلسلي. يمنع هذا حظر مؤشر الترابط الرئيسي ويضمن واجهة مستخدم سريعة الاستجابة.
• اختبر بدقة: اختبر تنفيذ الاتصال التسلسلي الخاص بك بدقة باستخدام أجهزة مختلفة وظروف الشبكة وإصدارات المتصفح لضمان الموثوقية.
• ضع في اعتبارك ترميز البيانات: اختر تنسيق ترميز بيانات مناسبًا (على سبيل المثال، UTF-8، ASCII) وتأكد من أن تطبيق الويب والجهاز يستخدمان نفس الترميز.
• تعامل مع حالات قطع الاتصال بأمان: قم بتنفيذ منطق لاكتشاف حالات قطع الاتصال والتعامل معها بأمان. قد يتضمن ذلك عرض رسالة خطأ للمستخدم ومحاولة إعادة الاتصال بالجهاز.
• كن على دراية بالأمان: كن على دراية بالآثار الأمنية لتعريض المنافذ التسلسلية لتطبيقات الويب. قم بتطهير أي بيانات يتم تلقيها من الجهاز لمنع ثغرات البرامج النصية عبر المواقع (XSS). قم فقط بالاتصال بالأجهزة الموثوقة.

اعتبارات عالمية

عند تطوير تطبيقات الويب التي تتفاعل مع الأجهزة من خلال المنافذ التسلسلية، من الضروري مراعاة العوامل العالمية التالية:

• تدويل (i18n): صمم تطبيقك لدعم لغات ومجموعات أحرف مختلفة. استخدم ترميز Unicode (UTF-8) لنقل البيانات وعرضها.
• توطين (l10n): قم بتكييف تطبيقك مع الإعدادات الإقليمية المختلفة، مثل تنسيقات التاريخ والوقت وتنسيقات الأرقام ورموز العملات.
• المناطق الزمنية: كن على دراية بالمناطق الزمنية عند التعامل مع الطوابع الزمنية أو جدولة المهام. استخدم UTC (التوقيت العالمي المنسق) لتخزين الطوابع الزمنية داخليًا وتحويلها إلى المنطقة الزمنية المحلية للمستخدم للعرض.
• توفر الأجهزة: ضع في اعتبارك توفر مكونات أجهزة معينة في مناطق مختلفة. إذا كان تطبيقك يعتمد على محول تسلسلي إلى USB معين، فتأكد من أنه متاح بسهولة في السوق المستهدف.
• الامتثال التنظيمي: كن على دراية بأي متطلبات تنظيمية تتعلق بخصوصية البيانات أو الأمان أو توافق الأجهزة في مختلف البلدان.
• الحساسية الثقافية: صمم واجهة المستخدم والوثائق الخاصة بك مع مراعاة الحساسية الثقافية. تجنب استخدام الصور أو الرموز أو اللغة التي قد تكون مسيئة أو غير لائقة في بعض الثقافات.

على سبيل المثال، يجب أن يلتزم جهاز طبي ينقل بيانات المريض عبر اتصال تسلسلي إلى تطبيق ويب بلوائح HIPAA في الولايات المتحدة و GDPR في أوروبا. يجب توطين البيانات المعروضة في تطبيق الويب للغة المفضلة للمستخدم والالتزام بلوائح خصوصية البيانات المحلية.

استكشاف المشكلات الشائعة وإصلاحها

فيما يلي بعض المشكلات الشائعة التي قد تواجهها عند العمل مع Web Serial API والتحكم في التدفق، بالإضافة إلى الحلول المحتملة:

• فقدان البيانات: تأكد من أنك تستخدم التحكم المناسب في التدفق وأن معدل الباود تم تكوينه بشكل صحيح على كل من تطبيق الويب والجهاز. تحقق من تجاوزات المخزن المؤقت.
• أخطاء الاتصال: تحقق من أن إعدادات المنفذ التسلسلي (معدل الباود وبتات البيانات والتكافؤ وبتات الإيقاف) تم تكوينها بشكل صحيح على كلا الجانبين. تحقق من وجود مشكلات في الأسلاك أو الكابلات المعيبة.
• توافق المتصفح: على الرغم من أن Web Serial API مدعوم على نطاق واسع في المتصفحات الحديثة مثل Chrome و Edge، تأكد من أن تطبيقك يتعامل بأمان مع الحالات التي لا يتوفر فيها API. قدم حلولاً بديلة أو رسائل خطأ إعلامية.
• مشكلات الأذونات: يحتاج المستخدم إلى منح الإذن صراحةً لتطبيق الويب للوصول إلى المنفذ التسلسلي. قدم تعليمات واضحة للمستخدم حول كيفية منح الأذونات.
• مشاكل برنامج التشغيل: تأكد من تثبيت برامج التشغيل الضرورية لمحول تسلسلي إلى USB على نظام المستخدم.

الخلاصة

يعد إتقان الاتصال التسلسلي والتحكم في التدفق باستخدام Web Serial API أمرًا بالغ الأهمية لبناء تطبيقات ويب موثوقة وقوية تتفاعل مع الأجهزة. من خلال فهم أساسيات الاتصال التسلسلي والأنواع المختلفة من التحكم في التدفق وأفضل الممارسات، يمكنك إنشاء تطبيقات قوية تستفيد من الإمكانات الكاملة لـ Web Serial API. تذكر أن تفكر في العوامل العالمية وتنفيذ اختبارات شاملة لضمان عمل تطبيقك بسلاسة للمستخدمين حول العالم. سيؤدي استخدام التحكم في تدفق الأجهزة كلما أمكن ذلك، وتنفيذ معالجة قوية للأخطاء والتحكم في تدفق برامج XON/XOFF عند الضرورة، إلى تحسين موثوقية تجربة مستخدم تطبيقات Web Serial بشكل كبير.