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?

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。

一、前言

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


头图:Unsplash

作者:高树磊

原文:https://mp.weixin.qq.com/s/AopuDdm44JVWrAcr6AIccA

原文: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?

来源:TencentServerless - 微信公众号 [ID:ServerlessGo]

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