鹅厂分布式大气监测系统：以 Serverless 为核心的云端能力如何打造？

导语 | 为了跟踪小区级的微环境质量，腾讯内部发起了一个实验性项目：细粒度的分布式大气监测，希望基于腾讯完善的产品与技术能力，与志愿者们共建一套用于监测生活环境大气的系统。前序篇章已为大家介绍该系统总体架构和监测终端的打造，本期将就云端能力的各模块实现做展开，希望与大家一同交流。文章作者：高树磊，腾讯云高级生态产品经理。

一、前言

本系列的前序文章[1]，已经对硬件层进行了详细的说明，讲解了设备性能、开发、灌装等环节的过程。本文将对数据上云后的相关流程，进行说明。

由于项目平台持续建设中，当前已开源信息为二期版本，所以本篇内容均基于此版本能力进行说明。此版本架构进一步优化了数据鉴权及数据库保护。

二期版本首页效果

在建三期版本首页效果

而在建的三期版本中，加入了日志服务 、对象存储、小程序等功能。提供了灵活的日志存储与高速检索能力、 低成本的数据库备份+恢复+迁移同步能力、移动端交互及其它能力。

二、架构组成

整个二期版本的架构组成如下图所示，其中浅蓝色标明的部分是相对一期的架构变更重点。

二期架构图

1. 部署维度

  • 终端：部署在监测点的设备。
  • 云端：部署在云上的平台。

2. 功能维度

以平台设计的基本组成部分，来进行逻辑拆分，并依架构层的设计需求，配套选型的具体产品。

具体功能与选型说明如下：

  • 监测节点：由软硬两部分组成。基于腾讯物联网终端操作系统 TencentOS tiny开发固件，将兼容腾讯云的硬件设备与腾讯云 IoT explorer 进行了协议级的对接。
  • 本地网关：此部分以通信协议转换为主，不解析具体数据，仅需按前文指引配置即可。
  • 物联网接入层：基于腾讯云 IoT explorer 产品，提供了解密、接入、转发的相关功能。在获取数据后，进行了基于 http 协议的转推动作，传递给下游 API 网关。
  • 中间件层：基于 API 网关提供了衔接及负载均衡等能力，基于鉴权、流控等能力，衔接云函数，提供可靠的数据输入输出服务。
  • 逻辑层：基于云函数，实现了接收数据入库（数据固化）、定时统计汇总（数据分析）、输出应用数据（数据输出，支撑展示）的能力。
  • 存储层：基于云数据库 TencentDB for MySQL，进行监测数据、汇总数据、平台配置的存储。
  • 展示层：基于腾讯云图，提供了地图展示、数据展示、折线图展示等能力。并配置提供联动处理，提高了响应速度，减少了资源文件的重复传输。

三、模块实现

整体系统，以数据为核心，进行了相关设计，所以本部分分为两个组成部分：

  • 数据结构：介绍各环节的核心数据结构与关联模式。
  • 模块说明：介绍各功能模块的实现与对应源码。

1. 数据结构

（1）IoT explorer(物联网开发平台)推送数据结构

以API网关推送进来，由云函数在环境变量 event 中提取到的原始数据。其中主要的部分如下：

  • 非’body’ 部分，为 API 网关相关信息；
  • ‘body’ = IoT explorer 原始数据；
  • ‘body’ = 终端节点上报的原始数据，经base64编码。
{    "body": "{\"payload\":\"eyJtZXRob2QiOiJyZXBvcnQiLCJjbGllbnRUb2tlbiI6IjIwMjAtMDgtMThUMTE6MTc6NDkuNDAzWiIsInBhcmFtcyI6eyJQTTFfQ0YxIjo1LCJQTTJkNV9DRjEiOjYsIlBNMTBfQ0YxIjo3LCJQTTEiOjUsIlBNMmQ1Ijo2LCJQTTEwIjo3LCJwYXJ0aWNsZXNfMGQzIjo3OTIsInBhcnRpY2xlc18wZDUiOjI1NCwicGFydGljbGVzXzEiOjE1LCJwYXJ0aWNsZXNfMmQ1IjozLCJwYXJ0aWNsZXNfNSI6MywicGFydGljbGVzXzEwIjowLCJ2ZXJzaW9uIjoxNTEsIkVycm9yIjowfX0=\", \"seq\":18639, \"timestamp\":1597749469,\"topic\":\"$thing/up/property/?????/?????\", \"devicename\":\"?????\", \"productid\":\"?????\"}",    "headerParameters": {},    "headers": {        "accept-encoding": "gzip",        "content-length": "511",        "content-type": "application/json",        "endpoint-timeout": "15",        "host": "service-???-???.gz.apigw.tencentcs.com",        "user-agent": "Go-http-client/1.1",        "x-anonymous-consumer": "true",        "x-api-requestid": "???03a993936ae191f44651???",        "x-b3-traceid": "???03a993936ae191f44651???",        "x-qualifier": "$LATEST"    },    "httpMethod": "POST",    "path": "/??????",    "pathParameters": {},    "queryString": {},    "queryStringParameters": {},    "requestContext": {        "httpMethod": "POST",        "identity": {},        "path": "/??????",        "serviceId": "service-?????",        "sourceIp": "?.?.?.?",        "stage": "release"    }}

‘body’ 经 base64 编码后：

{    "clientToken": "2020-08-18T11:17:49.403Z",    "method": "report",    "params": {        "Error": 0,        "PM1": 5,        "PM10": 7,        "PM10_CF1": 7,        "PM1_CF1": 5,        "PM2d5": 6,        "PM2d5_CF1": 6,        "particles_0d3": 792,        "particles_0d5": 254,        "particles_1": 15,        "particles_10": 0,        "particles_2d5": 3,        "particles_5": 3,        "version": 151    }}

（2）数据库表单结构

数据库详细格式，请参考github-sql：

https://github.com/eckygao/ampservice_demo/blob/master/amservice.sql

各表用途：

  • config：系统配置表；
  • space：地点表。记录节点部署地点；
  • client：节点表。记录节点信息及最新关键信息，关联space表；
  • base_data：日志表。记录每次上报的信息，关联space、client表；
  • aggregate_data：汇总信息表。记录按小时、天等时段汇总的数据信息；
  • temp_base_data：临时日志表。上报设备名如不在节点表内，则存入此表，主要用于调测。

2. 模块说明

（1）数据入库

  • 模块功能：接收IoT explorer推送数据，匹配并转换后，入数据库；
  • 使用产品：API 网关、无服务器云函数；
  • 关联源码：github-upload[2]；
  • 部署方式：请参考相关文章 在线甲醛监测[3] “4.2.2 无服务器云函数/4.2.3 云API网关” 章节。

（2）终端在线更新

  • 模块功能：按3分钟触发，更新终端信息，用于快速查询与展示；
  • 使用产品：云函数；
  • 关联源码：github-client_active_new；
  • 部署方式：请参考相关文章 在线甲醛监测  “4.2.2 无服务器云函数/4.2.3 云API网关” 章节，但改为“定时触发”模式。

（3）数据统计

  • 模块功能：按小时及天触发，统计监测数据，用于快速查询与展示；
  • 使用产品：云函数；
  • 关联源码：github-aggregate()；
  • 部署方式：请参考相关文章 在线甲醛监测  “4.2.2 无服务器云函数/4.2.3 云API网关” 章节，但改为“定时触发”模式。

（4）数据接口-终端汇总信息表

  • 模块功能：通过API网关提供数据查询能力，响应云图调用，提供终端汇总信息表；
  • 使用产品：API 网关、云函数；
  • 关联源码：github-client_info；
  • 部署方式：请参考相关文章 在线甲醛监测 “4.2.2 无服务器云函数/4.2.3 云API网关” 章节。

（5）数据接口-终端单点信息表

  • 模块功能：通过API网关提供数据查询能力，响应云图调用，提供终端单点信息表；
  • 使用产品：API 网关、云函数；
  • 关联源码：github-client_data；
  • 部署方式：请参考相关文章 在线甲醛监测 “4.2.2 无服务器云函数/4.2.3 云API网关” 章节。

（6）数据展示

  • 模块功能：提供WEB端展示能力，含地图绘点、列表展示、折线展示等；
  • 使用产品：腾讯云图；
  • 关联源码：无，当前为手工配置；
  • 部署方式：请参考相关文章 在线甲醛监测 “4.2.4 腾讯云图” 章节，但数据源选择时，改为使用“API”。其中“首页”地图使用“数据接口-终端汇总信息表”接口、“单点数据页”使用“数据接口-终端单点信息表”接口。具体调用的接口URL，请对应API网关提供的服务链接。

四、成本分析

二期成本展示

上图表数为每节点每15秒上报一次的计算结果。

硬件部分由于厂商与采购量的差异，价格不同。此处以云服务成本计算，如果10000节点规模，每节点每分钟上报一次，单节点云服务年成本如下：

1. 二期架构单节点成本

(数据库/年+云图/年)/10000+(API网关+云函数)/4=(468+48)/10000+(9+2.1)/4=3.335元。

2. 三期架构单节点成本

 (消息队列/年+数据库/年\*2+云图/年)/10000+(云函数+日志服务+对象存储)/4=(3228+468*2+48)/10000+(2.1+2.24+0.02)/4=1.09元。

其中，二期无对象存储及日志服务模块，但当前的在建三期中已使用数月，故有实际数据可列入统计。

五、后续计划

预计完成三期建设，计划内容涉及：

  • 交互优化(done): 启用space表，展示地点。
  • 交互建设(doing): 增加小程序能力，提供移动端查询能力，及告警推送能力。
  • 容灾优化1(done): 增加对象存储，提供低成本数据备份、恢复、异步迁移同步能力。
  • 容灾优化2(todo): 增加消息队列 CKafka，应对网络异常、数据库异常情况下的数据堆积与丢失风险。
  • 容灾优化3(doing): 增加日志服务，用于数据对账，应对多环节数据处理中，可能出现的数据丢失或错乱情况。

三期架构预告如下所示，浅蓝色标明的是相对二期的架构变更重点。

三期架构

三期版本部分完成效果展示如下：

WEB端展示

小程序端Demo

参考资料：

[1] 手搓一个分布式大气监测系统专栏：

https://cloud.tencent.com/developer/inventory/381

[2] 模块设计源码展示：

https://github.com/eckygao/ampservice_demo/tree/master/scf

[3] 腾讯云实践案例：基于树莓派实现甲醛在线监测

https://cloud.tencent.com/developer/article/1474978?from=10680

[4] 腾讯云-物联网开发平台：

https://cloud.tencent.com/product/iotexplorer

[5] TencentOS tiny:

https://github.com/Tencent/TencentOS-tiny

[6] 腾讯云-API网关:

https://cloud.tencent.com/product/apigateway

[7] 腾讯云-云函数:

https://cloud.tencent.com/product/scf

[8] 腾讯云-云数据库:

https://cloud.tencent.com/product/cdb

[9] 腾讯云-腾讯云图:

https://cloud.tencent.com/product/tcv

One More Thing

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serverless.cloud.tencent.com/start?c=wx

正文完
云图
2021-03-02