フロントエンドWebシリアルフロー制御：シリアル通信管理のマスター

Web Serial APIは、シリアルポートを介してハードウェアデバイスと直接通信できるWebアプリケーションの可能性を広げます。これは、マイクロコントローラー（ArduinoやESP32など）、科学機器、産業用機器、その他の組み込みシステムと対話するアプリケーションに特に役立ちます。ただし、シリアル通信を確実に管理するには、特にデバイスの機能やネットワークの状況が異なる場合は、フロー制御に注意を払う必要があります。

シリアル通信の基本を理解する

フロー制御に入る前に、シリアル通信の基本をまとめましょう：

• シリアルポート：デバイスがデータを一度に1ビットずつ送信できる物理インターフェイス（多くの場合、USB-シリアル）。
• ボーレート：データが送信される速度（1秒あたりのビット数）。両方のデバイスがこの速度に同意する必要があります。一般的なボーレートには、9600、115200などがあります。
• データビット：単一の文字を表すために使用されるビット数（通常は7または8）。
• パリティ：エラー検出方法。偶数、奇数、またはなしにすることができます。
• ストップビット：文字の終わりを示すために使用されるビット（通常は1または2）。

Web Serial APIは、ブラウザ環境内でこれらのシリアルポート設定を構成および管理するためのJavaScriptインターフェイスを提供します。

フロー制御が必要な理由

フロー制御メカニズムは、データ損失を防ぎ、Webアプリケーションと接続されたデバイス間の信頼性の高い通信を確保するために不可欠です。問題は、次のことが原因で発生する可能性があります。

• デバイスバッファのオーバーフロー：デバイスが処理できるよりも速くデータを受信し、データ損失につながる可能性があります。
• ネットワーク遅延：Webアプリケーションがネットワーク経由でデバイスと通信する場合（シリアル-ネットワークコンバーターなど）、ネットワーク遅延によりデータ送信に遅延が生じる可能性があります。
• 可変処理速度：Webアプリケーションの処理速度は、ブラウザ、ユーザーのマシン、および実行中の他のスクリプトによって異なる場合があります。

フロー制御がないと、これらの問題によりデータが破損したり、通信が失敗したりする可能性があり、ユーザーエクスペリエンスに大きな影響を与えます。

シリアルフロー制御の種類

シリアル通信で使用されるフロー制御には、主に2つのタイプがあります。

1.ハードウェアフロー制御（RTS/CTS）

ハードウェアフロー制御は、専用のハードウェアライン（RTS - Request To Send、およびCTS - Clear To Send）を使用して、デバイスがデータを受信する準備ができていることを通知します。

• RTS（Request To Send）：送信デバイスによってアサートされ、送信するデータがあることを示します。
• CTS（Clear To Send）：受信デバイスによってアサートされ、データを受信する準備ができていることを示します。

送信デバイスは、CTSラインがアサートされている場合にのみデータを送信します。これにより、バッファオーバーフローを防ぐための信頼性の高いハードウェアベースのメカニズムが提供されます。Web Serial APIでは、ポート構成中にハードウェアフロー制御を有効にします。

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

            

              
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利点：

• 信頼性が高い。
• ハードウェアレベルの実装は、通常、より高速で効率的です。

短所：

• 専用のハードウェアラインが必要ですが、すべてのデバイスで使用できるとは限りません。
• 物理的な接続が複雑になる可能性があります。

例：CNCマシンを制御するWebアプリケーションを想像してください。CNCマシンには、限られたバッファがある場合があります。ハードウェアフロー制御により、WebアプリケーションはCNCマシンが処理できる状態になった場合にのみコマンドを送信し、データ損失を防ぎ、正確な動作を保証します。

2.ソフトウェアフロー制御（XON/XOFF）

ソフトウェアフロー制御は、特別な文字（XON - Transmit On、およびXOFF - Transmit Off）を使用して、デバイスがデータを受信する準備ができていることを通知します。これらの文字は、データストリーム自体内で送信されます。

• XOFF（Transmit Off）：受信デバイスによって送信され、送信デバイスにデータの送信を停止するように指示します。
• XON（Transmit On）：受信デバイスによって送信され、送信デバイスにデータの送信を再開するように指示します。

Web Serial APIは、構成オプションを介してXON/XOFFフロー制御を直接サポートしていません。実装するには、JavaScriptコードでXON文字とXOFF文字を手動で処理する必要があります。

利点：

• 専用のハードウェアフロー制御ラインがないデバイスで使用できます。
• ハードウェアのセットアップが簡単です。

短所：

• XON/XOFF文字自体が失われたり破損したりする可能性があるため、ハードウェアフロー制御ほど信頼性が高くありません。
• XON/XOFF文字が他の目的にも使用されている場合、データストリームを妨げる可能性があります。
• より複雑なソフトウェア実装が必要です。

例：センサーがデータをWebアプリケーションに送信することを検討してください。Webアプリケーションの処理負荷が増加すると、XOFF文字をセンサーに送信して、データ送信を一時的に一時停止できます。処理負荷が軽減されると、WebアプリケーションはXON文字を送信して、データ送信を再開します。これにより、Webアプリケーションが過負荷のためにデータポイントを見逃すことがなくなります。

Web Serial APIを使用したソフトウェアフロー制御の実装

Web Serial APIにはXON/XOFFサポートが組み込まれていないため、手動で実装する必要があります。基本的なアプローチは次のとおりです。

1. XON文字とXOFF文字を定義します：XONとXOFFに使用する特定の文字を定義します。これらは多くの場合、ASCII制御文字です（たとえば、XONの場合は0x11、XOFFの場合は0x13）。
2. データバッファを実装します：受信データを保存するために、JavaScriptコードでバッファを作成します。
3. バッファサイズを監視します：バッファのサイズを定期的に確認します。
4. バッファが容量に近づいたらXOFFを送信します：バッファがあるしきい値に達すると、XOFF文字をデバイスに送信して、送信を一時停止します。
5. バッファにスペースがある場合はXONを送信します：バッファに十分なスペースがある場合は、XON文字をデバイスに送信して、送信を再開します。
6. 受信データストリームでXON/XOFF文字を処理します：処理する前に、受信データからXON/XOFF文字をフィルタリングします。

次に、これを実装する方法の簡単な例を示します。

            
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();

            

              
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XON/XOFFに関する重要な考慮事項：

• XON/XOFF文字の選択：通常のデータストリームに表示される可能性が低い文字を選択します。
• エラー処理：失われたり破損したりしたXON/XOFF文字を処理するためのエラー処理を実装します。これには、タイムアウトと再送信戦略が含まれる場合があります。
• タイミング：XON/XOFF文字を送信するタイミングは重要です。バッファが完全にいっぱいになる前にXOFFを送信し、十分なスペースがある場合はXONを送信します。
• デバイスのサポート：通信しているデバイスが実際にXON/XOFFフロー制御をサポートしており、同じXON/XOFF文字を使用していることを確認します。

Webシリアルフロー制御のベストプラクティス

Webアプリケーションでシリアル通信とフロー制御を実装するための一般的なベストプラクティスを次に示します。

• 可能な場合はハードウェアフロー制御を使用します：ハードウェアフロー制御（RTS/CTS）は、通常、ソフトウェアフロー制御（XON/XOFF）よりも信頼性が高く効率的です。可能な限り使用してください。
• デバイスの機能を理解する：通信しているデバイスのドキュメントを注意深く確認して、フロー制御の機能と要件を理解します。
• エラー処理を実装する：通信障害、データ破損、およびその他の予期しないイベントを処理するには、堅牢なエラー処理が不可欠です。
• 非同期操作を使用する：Web Serial APIは非同期であるため、常に`async/await`またはPromisesを使用してシリアル通信操作を処理します。これにより、メインスレッドがブロックされるのを防ぎ、応答性の高いユーザーインターフェイスを確保します。
• 徹底的にテストする：異なるデバイス、ネットワーク条件、およびブラウザバージョンでシリアル通信の実装を徹底的にテストして、信頼性を確認します。
• データエンコーディングを検討する：適切なデータエンコーディング形式（UTF-8、ASCIIなど）を選択し、Webアプリケーションとデバイスの両方が同じエンコーディングを使用していることを確認します。
• 切断を正常に処理する：切断を検出して正常に処理するロジックを実装します。これには、ユーザーにエラーメッセージを表示したり、デバイスへの再接続を試行したりすることが含まれる場合があります。
• セキュリティに注意する：シリアルポートをWebアプリケーションに公開することのセキュリティへの影響に注意してください。デバイスから受信したデータをサニタイズして、クロスサイトスクリプティング（XSS）の脆弱性を防ぎます。信頼できるデバイスにのみ接続してください。

グローバルな考慮事項

シリアルポートを介してハードウェアデバイスと対話するWebアプリケーションを開発する場合は、次のグローバルな要素を考慮することが重要です。

• 国際化（i18n）：さまざまな言語と文字セットをサポートするようにアプリケーションを設計します。データ伝送と表示には、Unicodeエンコーディング（UTF-8）を使用します。
• ローカリゼーション（l10n）：日付と時刻の形式、数値形式、通貨記号など、さまざまな地域設定に合わせてアプリケーションを調整します。
• タイムゾーン：タイムスタンプを処理したり、タスクをスケジュールしたりする場合は、タイムゾーンに注意してください。タイムスタンプを内部的に保存するにはUTC（協定世界時）を使用し、表示のためにユーザーのローカルタイムゾーンに変換します。
• ハードウェアの可用性：地域ごとの特定のハードウェアコンポーネントの可用性を考慮します。アプリケーションが特定のシリアル-USBアダプターに依存している場合は、ターゲット市場で簡単に利用できることを確認してください。
• 規制遵守：さまざまな国でのデータプライバシー、セキュリティ、またはハードウェアの互換性に関連する規制要件に注意してください。
• 文化的感受性：ユーザーインターフェイスとドキュメントを文化的感受性を念頭に置いて設計します。特定の文化で不快または不適切である可能性のある画像、記号、または言語の使用は避けてください。

たとえば、患者のデータをシリアル接続を介してWebアプリケーションに送信する医療機器は、米国のHIPAA規制とヨーロッパのGDPRに準拠する必要があります。Webアプリケーションに表示されるデータは、ユーザーの優先言語にローカライズされ、地域のデータプライバシー規制に準拠する必要があります。

一般的な問題のトラブルシューティング

Web Serial APIとフロー制御を使用する際に発生する可能性のある一般的な問題と、考えられる解決策を次に示します。

• データ損失：適切なフロー制御を使用しており、ボーレートがWebアプリケーションとデバイスの両方で正しく構成されていることを確認します。バッファオーバーフローを確認します。
• 通信エラー：シリアルポートの設定（ボーレート、データビット、パリティ、ストップビット）が両側で正しく構成されていることを確認します。配線上の問題やケーブルの欠陥がないか確認してください。
• ブラウザの互換性：Web Serial APIは、ChromeやEdgeなどの最新のブラウザで広くサポートされていますが、APIが利用できない場合にアプリケーションが正常に処理されるようにしてください。代替ソリューションまたは有益なエラーメッセージを提供します。
• 権限の問題：ユーザーは、Webアプリケーションがシリアルポートにアクセスするための権限を明示的に付与する必要があります。権限を付与する方法について、ユーザーに明確な指示を提供します。
• ドライバーの問題：ユーザーのシステムにシリアル-USBアダプターに必要なドライバーがインストールされていることを確認します。

結論

Web Serial APIを使用したシリアル通信とフロー制御の習得は、ハードウェアデバイスと対話する信頼性が高く堅牢なWebアプリケーションを構築するために不可欠です。シリアル通信の基本、さまざまなタイプのフロー制御、およびベストプラクティスを理解することで、Web Serial APIの可能性を最大限に活用できる強力なアプリケーションを作成できます。グローバルな要素を考慮し、徹底的なテストを実施して、アプリケーションが世界中のユーザーに対してシームレスに動作するようにすることを忘れないでください。可能な場合はハードウェアフロー制御を使用し、必要に応じて堅牢なエラー処理とXON/XOFFソフトウェアフロー制御を実装すると、Webシリアルアプリケーションの信頼性とユーザーエクスペリエンスが大幅に向上します。