身边朋友在装修新房，顺便来吐槽甲醛检测麻烦，比如 有检测无监测（一次性），比如测试复杂（现场+人工）等等。刚好做为云产品经理，经常想的就是如何了解和验证多云产品组合方案的可用性问题，索性结合一下，直接把这个需求上云，然后就有了这套系统。老规矩，先上结论。
系统概要
产品设计特性
- 原型验证：验证产品联动效果与开发成本。
- 软硬结合：扩展云端能力至线下物理环境。
- 能力扩展：serverless分离云端与终端，独立扩展云监控、消息队列等其它产品。
- 通用架构：云端使用通用数据结构及接口，免开发即对接各种监测数据上报。
- 弱环境要求：可PoE供电，5V/0.5A低功耗可长期运行。
系统组成
终端：终端组件
- RaspberryPi 3B+（raspbian-stretch-lite/GPIO接口/python2.7)
- UART-CH2O传感器（UART接口）
- 128X32 OLED屏 SSD1306芯片（I2C接口）
注：RaspberryPi后续简写为Rpi
云端：腾讯云产品
- API网关
- 无服务器云函数
- 云数据库 Mysql
- 腾讯云图
效果展示
腾讯云图
终端组件
当前版本中，Rpi 使用wifi 连接互联网（也可使用有线网），故此处上云有网络依赖。
传感器原理与功能定位
UART-CH2O传感器
- 原理：电化学传感器。通过与被测气体发生反应，并产生电信号来工作。
- 优点：简单易操作。
- 缺点：非定量分析法，受温湿度、其它气体干扰准确度，且需要较准。
- 结论：以长期使用后的房间环境做为基准，进行0基准点参考。用于温湿度差异不大的环境下，提供实时监测（相对值），并附加长期趋势分析。
设计与实现
产品设计与技术策略
设计过程中，也进行了产品生命周期的思考，尝试进行了产品长短期设计的分析与定义（暂不展开，后续有时间写一下）。
确认了形态目标后，遵循下面几个基本原则，进行具体技术设计：
- 分级可用：避免单环故障，系统全面崩溃
- 读写分离：便于后续调试、优化、更新版本
- 远程维护：避免出现场处理异常
概要架构图
从架构看来
- 云端部分：由于云产品的能力提供了各种便利，学习和搭建成本很低。
- 终端部分：需要多考虑免维护与自动恢复，各项工作内容稍多一些。
硬件接线与打开系统接口
Rpi GPIO
GPIO
(General-purpose input/output)即通用IO接口，是一种常见的端口扩展器，树莓派使用的是40针的GPIO接口。
RPI GPIO图示
UART-CH2O
接线方式(UART协议)
| 传感器 | Rpi |
|---|---|
| 5V | Pin2(5V) |
| GND | Pin6(GND) |
| UART-TxD | Pin10(UART-RxD) |
注：本次使用传感器，硬件接口是1.25mm端子，Rpi是2.5mm端子，使用了 7P1.25转2.5杜邦线，进行连接
硬件参数
本次使用的传感器是UART协议，从国外的DART传感器到国内产品，均支持此协议。
由于后续代码与接口有关，此处列一下我使用的传感器的数据格式.默认每秒主动上报。
| Byte0 | Byte1 | Byte2 | Byte3 | Byte4 | Byte5 | Byte6 | Byte7 | Byte8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 起始位 | 气体名称 | 单位 | 小数位数 | 气体浓度-高位 | 气体浓度-低位 | 满量程高位 | 满量程低位 | 较验值 |
| 0xFF | 0x17 | 0x04 | 0x00 | 0x00 | 0x25 | 0x13 | 0x88 | 0x25 |
OLED
接线方式(I2C协议)
| OLED | Rpi |
|---|---|
| VCC | Pin1(3.3V) |
| SDA | Pin3(SDA) |
| SCL | Pin5(SCL) |
| GND | Pin9(GND) |
打开I2C接口
raspi-config
按下图打开I2C接口
测试执行
i2cdetect -y 1
看到 3C 即识别硬件成功
终端开发与配置
本文暂仅放出关键代码(硬件操作部分)，便于大家撸硬件。
完整包(代码+配置) 稍后放出，请关注 github/DemoOnTencentCloud。
环境配置
- 启动对时：rc.local 增加 nptdate cn.ntp.org.cn。避免重启后时间错位，监测错位。
- 启动拉起：getdata.py oled.py 需持续在线。
- 定时检测：getdata.py oled.py cron每分钟判断活性，进程挂掉即拉起。
- 定时同步：sync.py cron每分钟执行
- 远程维护：使用ssh tunnel 的 Remote Port Forwarding 模式，进行反向代理。
ssh tunnel
此处使用 autossh 进行连接，autossh可完成建立通道与监控通道的工作，通道断开后，可自主重连。远端连接 腾讯云服务器，之后可以云服务器为跳板，反向代理访问NAT环境Rpi设备。
autossh -M 监控端口 -R 远程通信端口:localhost:22 账号名@远程IP或域名 -p端口号 -i 账号KEY -o serveraliveinterval=60 -N -f
连接时，在云服务器执行
ssh -p 远程通信端口 localhost
getdata.py
获取传感器读数代码（完整代码待放出 github/DemoOnTencentCloud）
import serial
from time import sleep
ser=serial.Serial("/dev/serial0",9600)
while True :
r_data = ser.read()
sleep(0.3)
data_left = ser.inWaiting()
r_data += ser.read(data_left)
if 9 != len(r_data):
print 'error length: %d'%len(r_data)
continue
else:
n=ord(r_data[4])*256+ord(r_data[5])
updatedata(n/1000.0) # ppm = n/1000.0
flusholed.py
依赖库安装(基于 https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_SSD1306)
sudo python -m pip install --upgrade pip setuptools wheel
sudo pip install Adafruit-SSD1306
下为功能伪代码。（完整代码待放出 github/DemoOnTencentCloud）
# 读取 cachefile 缓存文件
# 刷新 OLED 显示
sync.py
下为功能伪代码。（完整代码待放出 github/DemoOnTencentCloud）
# 访问 APIGW，获取最新记录时间戳
# 读本地sqlite库，获取增量数据
# 访问 APIGW，提交更新数据
Sqlite结构
表结构
CREATE TABLE "sensordata" (
"id" INTEGER PRIMARY KEY AUTOINCREMENT,
"utime" INTEGER NOT NULL,
"utype" INTEGER DEFAULT 0 NOT NULL,
"udata" REAL NOT NULL,
"sdata" TEXT
);
| 字段 | 说明 |
|---|---|
| id | 自增主键 |
| stime | 监测时间戳 |
| udata | 监测数据 |
| utype | (预留字段，扩展类别) |
| sdata | (预留字段，扩展数据类型) |
云端开发与配置
无服务器云函数
优先配置 无服务器云函数，参考 文档 建立并保存“函数代码”后，在管理页面的“触发方式”功能中，直接生成对应API网关。
（完整代码待放出 github/DemoOnTencentCloud）。
当前主要强调几个注意事项：
- 自动提交：连接数据库必须使用“autocommit = True,”参数，否则由于事务隔离，DB链接重新连接前，查询结果不变。（查不到新增记录ID）
- 返回头：API网关开启“响应集成”时，云函数返回值需结合返回信息，指定"Content-Type"，否则出现 "transfer closed with outstanding read data remaining" 错误。
- 验证连接：云函数实例可长期存在，但一定时间未操作mysql链接时，mysql将释放链接，所以代码中需要进行验证链路可用性。
API网关
配置服务
参考 文档 ，以上文“触发方式”中建立的API网关服务，由API网关的 服务 页面，点击相应服务名，选择“API管理”分页，点击“编辑”，然后配置“请求方法-POST”、“鉴权类型-密钥对”、“使用响应集成”，其它余配置按默认即可。
下载与使用SDK
API网关 控制台 -> 点击 服务名 -> 点击 API文档/SDK -> 点击 下载SDK
（完整配置待放出 github/DemoOnTencentCloud）
云数据库 Mysql
表结构
SET SQL_MODE = "NO_AUTO_VALUE_ON_ZERO";
SET AUTOCOMMIT = 0;
START TRANSACTION;
SET time_zone = "+00:00";
CREATE TABLE `sensordata` (
`id` int(11) NOT NULL,
`stime` timestamp NULL DEFAULT NULL,
`utype` int(11) NOT NULL DEFAULT '0',
`udata` float NOT NULL,
`sdata` varchar(256) DEFAULT NULL
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;
ALTER TABLE `sensordata`
ADD PRIMARY KEY (`id`);
ALTER TABLE `sensordata`
MODIFY `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT;
COMMIT;
| 字段 | 说明 |
|---|---|
| id | 自增主键 |
| stime | 同sqlite utime |
| udata | 同sqlite udata |
| utype | 同sqlite utype |
| sdata | 同sqlite sdata |
云图配置
简要使用说明
拖选组件 -> 点击数据栏 -> 选择数据库 -> 填写SQL -> 开启自动更新 -> 预览 -> 发布
操作示例图
组件配置信息
- 最新同步时间 - 通用文本
select concat('最新同步时间 ',stime) as value from sensordata order by id desc limit 1
- 国标系数比 - 水位图
select round((udata)/0.08*100, 2) as value from sensordata order by id desc limit 1
- 实时读数 - 基本条形图
select round(udata, 3) as x, '' as y from sensordata order by id desc limit 1
- 10分钟数据 - 基本折线图
select * from (select id, round(udata, 3) as y, date_format(stime, '%H:%i:%S') as x, utype as s from sensordata order by id desc limit 360) as t1 order by id asc
- 7天数据 - 基本折线图
select distinct (dt), round(AVG(udata),3) as y, dt as x, '0' as s from (select id, date_format(stime, '%Y-%m-%d %H') as dt, udata from sensordata order by id desc limit 604800) as t1 group by dt order by dt ASC
写在最后
关于丢数据（非守护进程）、脏数据（未较验数据唯一性）、缺乏系统监控告警（未接入云监控）等等待优化点，由于时间关系暂未展开，后面可以再行探讨。