背景
我们的项目涉及物联网相关业务，由于一开始的年少无知，传感器数据采用了 MySQL 进行存储，经过近两年的数据累积，目前几个核心表单表数据已过亿，虽然通过索引优化、 SQL 优化以及读写分离等措施，勉强满足基本的查询，能在秒级给出数据；但是数据量还在持续增加，当面对用户多维度的统计需求，在实现上、效率上总是那么不尽如人意。。
大概是2021年的6月份，一次偶然的机会，我在一个技术交流群中了解到涛思数据。后来花了三五天，把 TDengine 官网的文档过了一遍，并通过实际代码体验了一番，大大小小总结了14篇文章(文末附链接)，这个算是第15篇。
这个关于 TDengine 的极简实战项目，重在体验物联网设备数据的流转过程，尤其关注 TDengine 的特性，因为这个项目就是为体验 TDengine 而写的，顺便学习下 Vue3.0 、 ElementPlus 的使用。
所谓极（wan）简（ju）实（xiang）战（mu），就是不涉及太复杂的业务^_^，我们就拿通用的物联网系统的数据流转过程为例，体验下物联网数据采集、数据传输、数据转发、数据解析、数据存储、数据查询、数据呈现的完整过程。这篇文章先介绍下整体流程，不涉及具体的编码实现，重点关注数据存储时用到的时序数据库 TDengine 的独特之处，关于前、后端的功能实现，将在后续文章进行详细说明。
作为一个数据库，本身是用来存储数据的，在使用过程中主要就是 CRUD 操作，但用到实际的物联网场景中，还需要具备高可用性、可扩展性以及便于维护的特点， TDengine 满足以上所有要求（在这之前也体验了下清华大学开源的 IoTDB ，但是并没有用明白o(╥﹏╥)o）。关于 TDengine 的时序数据写入性能，TDengine 官方自带了一个 taosdemo 的程序，我在1-TDengine安装与初体验这里面有实践，结果是开启了10个线程，建库+建表+插入数据总耗时约60s，总记录100000000条，每秒写入数据记录1681350.46条。，这里不做赘述，主要体验查询、修改、删除功能，而 TDengine 甚至都用不到我们自己在程序中进行更新、删除操作（可以在建库时设置更新、删除配置），所以重点就是查询啦：海量数据的条件查询、按时间范围查询、聚合查询、分页查询、TopN查询、降采样。
TDengine是什么？
TDengine专为物联网、车联网等时序空间大数据设计，其核心功能是时序数据库。但为减少大数据平台的研发和运维的复杂度，更进一步降低计算资源，TDengine还提供大数据处理所需要的消息队列、消息订阅、缓存、流式计算等功能。
为什么要用TDengine？
物联网设备无时无刻都在发出数据，与互联网相比，物联网第一个突出的特点便是数据量大，而我们目前竟然还在用关系型数据库 MySQL 存储这些设备数据，单表过亿，查询与统计遇到了瓶颈。 TDengine 对物联网、运维监控等系统产生的时序数据的特点具有深刻的洞察。所有机器、设备、传感器、以及交易系统所产生的数据都是时序的，而且很多还带有位置信息。这些数据具有明显的特征，而 TDengine 是充分利用这些特点设计出的大数据平台，以下是涛思数据总结的时序数据的特点。
- 数据是时序的，一定带有时间戳；
- 数据是结构化的；
- 数据极少有更新或删除操作；
- 无需传统数据库的事务处理；
- 相对互联网应用，写多读少；
- 用户关注的是一段时间的趋势，而不是某一特点时间点的值；
- 数据是有保留期限的；
- 数据的查询分析一定是基于时间段和地理区域的；
- 除存储查询外，还往往需要各种统计和实时计算操作；
- 数据量巨大，一天采集的数据就可以超过
100亿条。
怎么快速上手TDengine?
那必须是官网了，官方文档写得非常全面，而且也有对应的微信视频号、B站UP等学习资源渠道。
不过在阅读官方文档前，强烈建议先看下白皮书：
当时，在阅读白皮书的过程中，看到总结的时序数据的特点、数据模型设计、存储结构设计以及数据分片设计时，在心里一遍遍地直呼内行~~，当时就下决心研究下这款优秀的时序数据库，为后续数据迁移、架构演进进行技术预研。
数据来源
至于历史数据怎么来，这不是 TDengine 要解决的问题，哈哈，因为一般需用到 TDengine 这种时序数据库的，都是数据量达到了一定程度，数据分析时的效率遇到瓶颈。
由于换工作的原因，无法使用实际的生产数据进行迁移，我这里模拟了历史数据，直接往 TDengine 中写入1亿条记录。
数据源这里使用 Node.js 模拟了一个 MQTT 客户端，当然也可以使用很多 MQTT 客户端工具： HiveMQ , MQTTfx , MQTTX 等。
主要功能
- 按区域检索并查看当前区域接入设备的实时数据
- 指定区域下设备各项指标的平均值以及数据总量
- 查看指定设备的历史数据，可按照时间段检索
- 查看指定设备仅1小时内的各项指标的趋势
- 导出指定设备的全量数据为
Excel文件
技术选型
- 物联网终端技术：
- EMQX
- Node.js
- 后端技术：
- SpringBoot
- TDengine
- TDengine-alert
- MyBatisPlus
- WebSocket
- HuTool
- 前端技术：
- Vue
- vue-router
- ElementPlus
- Layout 响应式布局
- Cascader 级联选择器
- Card 卡片
- Dialog 对话框
- Table 表格
- Pagination 分页
- DateTimePicker 日期时间选择器
- Message 消息提示
- Echarts
环境配置
CentOS 7 TDengine 2.2.0.0，两台虚拟机实例集群 EMQX 4.2.4 SpringBoot 2.4.3 Node.js 12.22.6 Vue 3.0
服务组件
![LLT224478]XPLNUES40PBC3.png](https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/q7zvrojhun744_970587f0a3b2466987ac018df8a7f9e3.png "LLT224478]XPLNUES40PBC3.png")
经过这个项目，我加强了对以下技术点的应用与掌握。
- Node.js模拟MQTT客户端
- EMQX Webhook消息路由
- SpringBoot+MyBatisPlus服务端数据ORM
- TDengine亿级数据存储与查询
- TDengine-alert与AlertManager报警监控
- WebSocket实时消息推送
- Hutool Excel文件导出
- ECharts数据可视化图表呈现
- 统一响应封装、全局异常拦截
- Spring事件与监听
- MyBatisPlus分页
模拟场景
场景：在两个省份的多个城市、每个城市安装100个设备。
{{"太原", "大同", "阳泉", "长治", "晋城", "朔州", "晋中", "运城", "忻州", "临汾", "吕梁"}, {"西安", "铜川", "宝鸡", "咸阳", "渭南", "延安", "汉中", "榆林", "安康", "商洛"}};
数据模型设计
根据具体业务，设计超级表与子表。
-- ts, 时间戳 -- voltage, 电压 -- currente, 电流 -- temperature, 温度 -- sn, 设备序号 -- city, 时间戳 -- groupid, 分组编号 -- 超级表 create stable if not exists iot.power(ts timestamp, voltage int, currente float, temperature float) tags(sn int, city nchar(64), groupid int) -- 子表 create table if not exists iot.device1 using iot.power tags(#{sn}, #{city}, #{groupid}) 效果展示
- WebSocket服务端推送
这里用到了 Node.js 模拟的一个 MQTT 客户端，并通过 EMQX 的 WebHook 插件回调后端服务接口，借助 Spring 的事件机制，实现消息入库与 WebSocket 实时数据更新 ；
- TDengine查询效率
总量1亿条记录，分页查询毫无压力，基本都是 ms 级返回结果，这得益于 TDengine 的存储结构设计（其实，底层是分区查询的，扫描的仅是很小一部分数据，所以必须快啊）。
![$L]XR{9)XY413RN6HHIK%7C.png](https://ucc.alicdn.com/pic/developer-ecology/q7zvrojhun744_7b166053e6cf40678817df08645d0ea1.png "$L]XR{9)XY413RN6HHIK%7C.png")
- TDengine压缩效率
这可以到 TDengine 的数据目录 data ，其链接目录： /var/lib/taos/vnode ，观察数据的占用空间。
数据查询
模拟历史数据，通过脚本直接往 TDengine 中写入近1亿条记录。
- 条件查询、聚合查询
select count(1) total, avg(voltage) voltage, avg(currente) currente, avg(temperature) temperature from iot.power where city='西安';
- 按时间范围查询
SELECT COUNT(1) FROM power WHERE sn = '1100' AND ts BETWEEN '1610168956836' AND '1641704956836';
- 分页查询
SELECT ts,voltage,currente,temperature,sn,city,groupid FROM power WHERE sn = '1100' AND ts BETWEEN '1610168956836' AND '1641704956836' ORDER BY ts DESC LIMIT 10 offset 50;
- 降采样
Echarts 的图表展示，用到了 TDengine 的降采样功能，完成插值，体现数据变化趋势。
select last(voltage) voltage, last(currente) currente, last(temperature) temperature FROM iot.power WHERE sn = '1101' and ts > '2021-09-07 09:15:11.138' and ts < '2021-09-07 10:15:11.138' interval(60s) fill(value, 0);
小总结
这个玩具项目，基于 TDengine 2.2.0.0 、 EMQX 4.2.4 、 SpringBoot 2.4.3 、 Node.js 12.22.6 、 Vue 3.0 完成物联网设备数据的采集、转发、存储与展现。其中关于 TDengine 的查询性能相当亮眼：海量数据的条件查询、按时间范围查询、聚合查询、分页查询、TopN查询、降采样等基本都是毫秒级便给出结果；除此之外，采用两个虚拟机实例的极简集群实现 TDengine 快速扩展。更多详情可参考以下快速上手系列(#^.^#)
快速上手系列
- 1-TDengine安装与初体验
- 2-TDengine客户端连接，RESTful，JDBC
- 3-TDengine竟然无法修改、删除数据？
- 4-TDengine图形化管理工具TDengineGUI与IDEA插件
- 5-TDengine集成SpringBoot，MyBatis，MyBatisPlus
- 6-TDengine集群体验：2台虚拟主机
- 7-TDengine集成Grafana实现日志数据可视化
- 8-TDengine里用的好好的字段名，却被MySQL的保留字狠狠上了一课
- 9-TDengine低版本分页offset出现bug，如何平滑升级版本、迁移数据
- 10-TDengine之SpringBoot读取的时间与数据库中存储的时间相差8小时
- 11-TDengine集成EMQX：通过规则引擎实现设备数据直接入库
- 12-TDengine数据迁移：导入与导出
- 13-TDengine使用JDBC-JNI连接报错：JNI connection is NULL
- 14-TDengine安装报警模块实现报警监测Webhook回调与邮件推送
If you have any questions or any bugs are found, please feel free to contact me.
Your comments and suggestions are welcome!
