本文介绍如何采集海量蓝牙温度计的数据，通过 LTE 上传到服务器，并对数据进行可视化呈现。

我们把这套系统称为“NEXT-G”，除了其中的“G”为“洋货”外，“NEXT”皆为国货精品。

NEXT-G 系统简介

  • ING918

    低功耗蓝牙 SoC。

  • Air724UG LTE 模组

    4G 全网通，支持 FDD/TDD/LTE CAT-1，基于紫光展锐 UIS8910 平台。

  • EMQ X MQTT Broker

    EMQ X 是基于高并发的 Erlang/OTP 语言平台开发，支持百万级连接和分布式集群架构，发布订阅模式的开源 MQTT 消息服务器。 本文使用开源版 EMQ X Broker。

  • TDengine

    TDengine 是涛思数据专为物联网、车联网、工业互联网、IT 运维等设计和优化的时间序列数据库。

  • Grafana

    Grafana 是一个跨平台、开源的度量分析和可视化工具，可以查询处理各类数据源中的数据，进行可视化的展示。

XT-G 的安装

XT-G 的安装及入门请参考 EMQ 的博客 《EMQ X+TDengine 搭建 MQTT 物联网可视化平台》。

XT-G 的配置

  1. TDengine 数据库设计

    用一个超级表保存温度和时间戳，每个温度计一张子表。 通过以下命令创建 test 数据库和 thermo_data 超级表，dev_id 为字符串型的 TAG。

     create database test;
 use test;
 create table thermo_data ( ts timestamp, temperature float ) TAGS ( dev_id NCHAR(20) );

  2. 根据实际情况配置防火墙

    开放以下 MQTT 服务器相关端口：

    • 1883 端口，TCP，MQTT 服务器

    如果需要从外部访问，需要开放以下 TCP 端口：

    • 18083 端口，用于 EMQ X Web 管理
    • 3000 端口，用于 Grafana Web 管理

  3. 配置 MQTT Broker

    • 启动下列插件

      • emqx_auth_clientid 或其它鉴权插件
      • emqx_web_hook

    • 添加 MQTT 账户、资源

    • 添加规则

      利用规则将温度数据写入数据库，由于表名称里禁止出现某些特殊字符，故以 dev_id 的 MD5 为子表名 （注：表名的第一个字符不能为数字）。

      SQL 代码：

      SELECT
  payload.temperature as t,
  payload.dev_id as dev_id,
  'a' + md5(payload.dev_id) as tname
FROM
  "thermo/data/#"

      Payload Template：

      INSERT INTO test.${tname} using test.thermo_data tags ("${dev_id}") VALUES ( now, ${t} );

  4. 创建 Grafana 看板

    下面是几个仪表盘 SQL 示例。

    • 列出所有温度计的设备 ID
     select dev_id from test.thermo_data
    • 某温度计的最新数据
     select last (*) from test.thermo_data where dev_id = "..."
    • 某温度计的数据曲线
     select avg(temperature) from test.thermo_data where dev_id = "..." and ts >= $from and ts < $to interval($interval)

蓝牙部分的开发

温度计

设计思路：周期性从关机状态中醒来，广播若干次温度数据后，再关机，周而复始；采用 5.0 扩展广播，采集端利用其中的 DID 数据域可 方便地实现数据去重，防止 LTE 流量浪费。

温度数据以下列格式放到 «Manufacturer Specific Data» 里发送：

#pragma pack (push, 1)
typedef struct thermo_beacon_adv
{
    uint16_t company_id;
    uint16_t id;
    uint8_t  type;
    uint32_t temperature;
} thermo_beacon_adv_t;
#pragma pack (pop)

参考 SDK 中自带的温度计示例可以方便地完成这部分的开发。

采集端

采集端通过 UART 接口控制 Air724UG 模组，利用其提供的 MQTT AT 指令连接到 MQTT Broker服务嚣。 采集端解析扫描到的温度计广播，将温度数据以 JSON 形式发布到 thermo/data 主题。

MQTT 服务模块

把 Air724UG 模组的驱动封装成 MQTT 服务模块。考虑到连接过程需要多个步骤，可以设计成一个 FSM，例如:

struct mqtt_fsm;

typedef void (* f_state)(struct mqtt_fsm *fsm);

typedef struct mqtt_fsm
{
    const char *server;
    const char *port;
    const char *client_id;
    const char *user;
    const char *password;
    int buf_wr;
    char buffer[MQTT_DRIVER_BUF_SIZE];
    mqtt_msg_t *first_msg;
    mqtt_msg_t *last_msg;
    f_state state;
} mqtt_fsm_t;

其主题发布接口为：

int mqtt_publish(const char *topic, const void *data, int data_size);

温度扫描与上报

扫描到 thermo_beacon_adv_t 数据后，转换成 JSON 形式发布到 thermo/data 主题，核心代码如下：

#define TOPIC       "thermo/data"

...

switch (hci_event_le_meta_get_subevent_code(packet))
{
case HCI_SUBEVENT_LE_EXTENDED_ADVERTISING_REPORT:
    {
        uint16_t length;
        const thermo_beacon_adv_t *p_beacon;
        const char *data;
        const le_ext_adv_report_t *report = decode_hci_le_meta_event(packet,
                  le_meta_event_ext_adv_report_t)->reports;

        p_beacon = (const thermo_beacon_adv_t *)ad_data_from_type(report->data_len,
                                                                  (uint8_t *)report->data, 0xff, &length);

        if ((length != sizeof(thermo_beacon_adv_t))
            || (p_beacon->company_id != INGCHIPS_ID)
            || (p_beacon->id != THERMO_SENSOR))
            break;

        data = format_json(report, p_beacon);
        mqtt_publish(TOPIC, data, strlen(data));
    }
    break;

default:
    break;
}

format_json 函数的实现如下：

const char *format_json(const le_ext_adv_report_t *report, const thermo_beacon_adv_t *p_beacon)
{
    static char str[100];
    sprintf(str, "{\"dev_id\": \"%02X:%02X:%02X:%02X:%02X:%02X\","
                 "\"temperature\": %s}",
                 report->address[5], report->address[4], report->address[3], report->address[2], report->address[1], report->address[0],
                 float_ieee_11073_val_to_repr(p_beacon->temperature));
    return str;
}

float_ieee_11073_val_to_repr 函数的定义可在 SDK “Smart Meter” 示例中找到。

结论

  1. BLE 能够打通物联网的最后 100 米，与 LTE Cat. 1 配合组成很好（高速、低成本）的物联网数据传输方案；

  2. ING918 系列芯片开放、开发便捷，可广泛用于各种物联网应用。