作者：牛晓青

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。

1. 数据是时序的，一定带有时间戳；
2. 数据是结构化的；
3. 数据极少有更新或删除操作；
4. 无需传统数据库的事务处理；
5. 相对互联网应用，写多读少；
6. 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；
7. 数据是有保留期限的；
8. 数据的查询分析一定是基于时间段和地理区域的；
9. 除存储查询外，还往往需要各种统计和实时计算操作；
10. 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：

https://www.taosdata.com/downloads/TDengine_White_Paper_20.pdf

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

1. 按区域检索并查看当前区域接入设备的实时数据
2. 指定区域下设备各项指标的平均值以及数据总量
3. 查看指定设备的历史数据，可按照时间段检索
4. 查看指定设备仅1小时内的各项指标的趋势
5. 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

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）。

• 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

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