物联网的数据方案

Cherry007

一、前言

经常可以在科幻电影/CG中看到，某个指挥官，对着前面一个超大的数据大屏，指点江山。那个数据大屏，上面有着各项指标，以及汇总数据，通过各色各样的图形展示出来。
从产品角度，指标与汇总条目的确定，决定了该数据大屏的价值。当然也可以支持自定义指标管理等。这不是本次的重点。
从前端角度，如何利用最少的系统资源，将众多数据渲染出各个图表，则是重中之重。技术上，可以采用阿里AntV那一套等。这同样不是本次的重点。
从后端角度，如何在满足数据请求内容的前提下，保证数据请求的高性能（低延迟，大吞吐量、高频次等），就是该场景下的要点。这才是本次的重点。

二、背景

作为物联网公司，需要向多个电力公司，进行数据大屏展示。其中数据大屏需要展示电力公司上百台风力发电机的状态，以及各项监控指标。其中监控指标中包含倾斜值、震动波形、结构应力等。而其中震动属于高频采集，频次都是上千Hz的。即使用于计算倾斜值的倾斜传感器，最低也是10/s。而监控大屏的数据，要求保证实时性。产品的要求是最好实时同步，最慢的指标也要保证5s一次的刷新率。最坑爹的，各个监控指标都需要可以查看历史数据，以及实时数据。

如果按照震动数据来看，一条震动数据在数据库中的记录约为100字节，一个震动传感器每秒1000条记录，一台风机有4个震动传感器，一个电力公司当前最多有100台左右风机。这样一来，一家电力公司每秒有震动数据40W条记录，约为40M。震动是记录数最多的传感器，但不是带宽占用最大的类型，音视频占据的带宽更多。

当然，这是没有任何处理的情况，所以看起来非常糟糕，前端完全无法处理。光震动就得每秒渲染40W数据，前端开发会杀了你的。尤其在历史数据的情况下，简直无法想象。

别说这能不能渲染了。我都得怀疑数据库和带宽是否可以承受了。毕竟还有别的公司，别的场景，以及别的传感器。

三、数据写入1.数据清洗

首先，将一些明显不合规的数据，给清理掉。比如由于人为触碰导致的倾斜值跳动，人为作业导致的震动波动等。这部分过滤比例是很低的，主要是为了降噪。

2.边缘计算

风机的某项指标，往往是由多个传感器计算得到的。比如倾斜值，往往是通过一组（至少三个）传感器，计算得到的。
所以，我们先需要在风机的边缘网关，进行协议解析，初始指标计算。
这部分的处理，往往会将多个数据，转为一个数据记录。过滤效果还是不错的。

PS：边缘计算，还应用在边缘网关的即时报警，以及机器关闭等操作。

3.采样上传

传感器的原始数据指标，是非常多的，一不留神就把硬盘打爆了，甚至是带宽。
而其实往往我们并不需要这么多的原始数据指标。毕竟如果风力发电机要倒塌，也不会前一秒很正常，后一秒突然倒塌了。
所以，我们需要对原始数据指标进行采样上传。并且需要对传感器采集频率进行确定。
经过和业务、算法多方沟通&协商后，倾斜传感器的采样率定在了5%，应力传感器的采样率定在1%等。

那么，传感器的采集频率和数据上传的采样率，有什么区别&联系呢？
前者表示数据采集了，而且可能落盘了。后者表示对采集到的数据，抽取一部分，上传到物联网平台。
那么，为什么不直接降低采集频率呢？
一方面，部分传感器的采集频率是有其上下限的，不一定满足上传需求。另一方面，合理频率的原始数据，便于在发现问题后，进一步确定问题。
所以，我们当时的处理，是原始采集数据直接本地磁盘顺序保存。并对原始数据进行采样，进行本地数据库保存，以及上传。

4.特征值提取

在某些垂直场景，我们需要计算出某些指标的特征值（平均值、方差），经过算法的计算，得出有关目标实体的结论。
比如根据十分钟内的倾斜值平均值和方差，我就可以知道当前风机倾斜状况，并且通过方差，可以确定倾斜数据的稳定性。

5.分级采集

上面这一系列操作下来，数据已经过滤了七七八八。那么还有没有节省资源（功耗、存储、带宽等）的办法呢？
正如上面提到的，风机就算要倒塌，也不会是一下子就倒塌了。所谓冰冻三尺，非一日之寒。咳咳，扯远了。也就是说，我们日常采集的监控数据大多数是无效的。所以为了提高资源利用率。在经过与业务、算法的沟通后，我这边提出采集等级概念。即风机所属传感器平时只保持低频采集状态，只有指标出现可疑情况，才会进入全功率状态。
比如，震动传感器，由于无法降频与连续采样（因为震动的信息隐藏在连续的高频数据中），故其采集成本最高，所以设定为每天随机时间段连续采集10分钟。倾斜传感器每小时采集1分钟数据。当检测到可疑情况，如倾斜值超出目标阈值，则全功率状态。直到连续监测1小时，未出现可疑状况，则重新回归低频状态。

其实，上述只有低频采集和全功率状态两个采集状态。其实可以扩展出多个采集级别。另外，还可以深入细化状态转换的触发条件等。

通过分级采集，可以大大降低系统资源的浪费，却又保证了系统目标。何乐而不为呢。

四、数据存储

数据存储方面，只要关注物联网数据的特性：量大、有序、越是最近的，访问频率越高。方案上，多多考虑数据异构即可。

1.存储方式

简单来说，云平台的一条指标记录，会出现在四类存储上：缓存、数据库、统计表、归档表

a.缓存

由于刚刚插入的数据，经常被监控大屏、网页等显示终端展示，所以访问频次还是挺高的。尤其各类算法，经常需要扫描这些刚进来的萌新数据。
首当其冲的就是缓存key的设计。我们当时的设计就是绑定关系（公司-场景-目标-指标）+时间戳。这样的查询，还是相当快捷的。
其次就是失效时间的设定。我们当时的设定是1小时-1天。决定的标准是对应指标的访问频次和所占存储空间。
最后就是一致性问题，由于这些数据都是不变数据，所以不存在一致性问题。

不过缓存这边需要注意一点，就是需要将指标缓存与其他业务数据隔离。我们当时的设计，是放在不同的Redis集群。
至于集群、可用性、持久化的问题，这里就不展开了。

b.数据库

数据库一方面是为了进行指标记录的持久化，另一方面是为了一天之前的数据查询。
这部分其实真的没什么说的。大家对mysql都是很熟悉的。
这部分会涉及字段设计、索引设计（尤其是联合索引和覆盖索引）、分库分表（路由规则设计）。虽然一般分库分表前都会有主从同步，但在我们的场景下，还真没太大必要，毕竟写多读少。而大多数读的压力，又放到了缓存上。我们的主从同步，也是为了服务分库分表，提高可用性。

字段设计

字段设计方面，一方面尽可能按照范式拆分。这不是电商场景，需要尽可能大宽表，这两个场景完全不同。比如，记录里面可能是id、创建时间、公司、场景、目标、指标、指标值。但完全可以id、创建时间、指标id、指标值，再加一张指标绑定表。这样可以节省非常多存储，也可以大幅提高查询性能（因为一个数据页可以容纳更多记录，从而降低整体IO成本）。
另外，真的需要需要在记录中保存类似公司这样的字段，最好转化为公司编码，进行保存。

c.统计表

我们在数据查询时，常会查看过去一个月、过去一年等数据，进而观察数据趋势。
而这个数据是不可能在每次查看时，从数据库中拉取的。那服务器会崩溃的。
所以，会在每天凌晨构建天、周、月、年这样的统计表，甚至可以结合其他维度各搜索条件，生成多个搜索结果。
具体实现，有三种途径：

• 应用程序拉取备库数据，进行统计，并将结果写入统计表中。
• 备用数据库通过计划任务，定时触发执行统计，并将结果写入统计表。
• 利用大数据技术，如ODPS等MapReduce技术，定时拉取&统计数据，将结果写入统计表。
  

d.归档表

超出一年多数据，查询量很低。即使有查询，往往也是类似平均值这样的聚合数据统计。但随着时间的推进，超出一年的数据，往往会越来越多。所以有的地方就直接拒绝这样数据的详细查询。而另外一种方案，就是将其放在一个归档数据库，不必性能很好，只要可以查询即可。
当时我们的方案，就是将数据以一年为单位放在一个新的数据库中。即每到新的一年，则将往年的数据写入到一个新的数据库中，作为归档表。而实时数据库则最多只保留最新十三个月的数据。

当然，归档表的数据也可以放在HBase这样的Bigtable中，尤其在达到一定体量后。其rowKey的kv获取，以及rowKey的scan获取都符合归档表的需求。至于HBase的全表扫描，就算了。。。

五、数据查询

其实数据存储部分，已经提到了很多数据查询的思路。
这里按照两个查询维度的视角，进行分析。

1.详细数据查询

详细数据查询，则是直接查询数据记录，而不是统计数据。

a.短期数据

短期数据，如一天内的数据，可以直接从缓存中获取。
当然也可以按照实际情况，将部分类型数据的失效时间，调整一下。

b.中期数据

中期数据，如一年内的数据，可以直接从数据库中获取。
同样，中期的数据，可以按照实际情况，调整为半年等。

c.长期数据

长期数据，如一年外的数据，可以从归档数据库中获取（实现基础，可以是独立的冷数据Mysql实例）。

d.小结

详细数据查询，必须确保各个range范围的数据，都可以得到有效处理。
如果一个数据查询范围为最近半年到最近一年半的数据，怎么办呢？一方面可以直接从归档数据库查询。另一方面可以进行查询范围的分解，如将上述范围分解为最近半年到最近一年（数据库），以及最近一年到最近一年半（归档数据库）。前者实现简单，后者用户体验会更好一些，具体需要根据业务需求来进行确定。

2.统计数据查询

这里，我给出当时我们多个方案，以及优缺点。

a.方案一

方案：应用服务器直接拉取目标范围的数据，然后对其中的数据，进行采样&平均。
例子：目标范围10W数据，就应用服务器直接拉取10W数据，然后采样其中1W数据，然后每十个数据平均一下，最终得到1k数据，交给前端。
优点：实现简单
缺点：随着目标数量的上升，查询效率线性下降。也就是目标数量上升一个数量级，查询时间就上升一个数量级。
PS：在日常生活&工作中，不可避免负面影响增长，需要杜绝指数、避免线性、追求对数。尤其技术中，很多都可以将线性转为对数。比如流程抽象等。

b.方案二

方案：应用服务器，获取开始时间的数据min_id，以及结束时间的数据max_id，进而获得count = max_id - min_id，以及步长pace = count / 100（100表示返回给前端的数据条数）。通过min_id和pace，计算目标数据的id集，进而通过mysql查询结果集。
例子：根据目标范围的开始时间，查询到min_id = 2000000，max_id = 3000000。进而获得count = 1000000，以及pace = 10000。所以目标id集为：2000000，2010000，2020000，2030000 ... ... 2990000。进而获得mysql中对应结果集。
优点：实现并不复杂，只涉及代码编写。并且不会随着数据量的增长，而查询性能下降。
缺点：无法添加时间以外的查询条件；无法处理非连续采集的数据（比如七天的时间范围，有六天是不采集的。但这样的方案，是无法满足条件的）

c.方案三

方案：方案三是在方案二的基础上，添加了对其他条件的过滤（有些类似mysql二级索引结果，回表验证其他条件）。
例子：根据目标范围的开始时间，查询到min_id = 2000000，max_id = 3000000。进而获得count = 1000000，以及pace = 10000。所以目标id集为：2000000，2010000，2020000，2030000 ... ... 2990000。进而获得mysql中对应结果集。然后再针对结果集，进行其他条件的过滤
优点：实现并不复杂，只涉及代码编写。并且不会随着数据量的增长，而查询性能下降。可以添加时间以外的查询条件
缺点：查询结果数量无法确定，存在返回结果数为0的可能（这个可以二次查找，调整min_id，拼概率）；无法处理非连续采集的数据（比如七天的时间范围，有六天是不采集的。但这样的方案，是无法满足条件的）

d.方案四

方案：方案四是在方案二的基础上，将id改为了时间范围。
根据目标范围的开始时间min_time与结束时间max_time，获得时间差time_range = max_time - min_time，进而获得时间步长time_pace = time_range/100（100表示返回给前端的数据条数）。通过min_time和time_pace，获得目标时间范围集：min_time ~ min_time + time_pace、min_time + time_pace ~ min_time + time_pace * 2 ...
例子：略
优点：实现并不复杂，只涉及代码编写。并且不会随着数据量的增长，而查询性能下降。
缺点：无法添加时间以外的查询条件；性能较低

e.方案五

方案：建立统计表，每天凌晨，都会计算前一天各指标数据的，多个搜索条件下的平均值等特征值。便于后续进行“过去一个月”、“过去一年”等时间范围的数据查询。
优点：针对常见查询，可以快速返回结果。
缺点：部分查询条件无法进行统计，导致无法查询。统计表的计算，是存在较大资源损耗的。并且由于统计表的时长特性，可能导致展现层数据点数量不统一（有的时候数据点很多，有的时候数据点非常稀疏。但可以通过自动统数据维度升降击毙，进行较大的优化）。

六、总结

总结一下，数据架构的核心就是冷热隔离、分级处理。
在设计数据架构前，需要确认数据情况，如物联网场景写多读少，并且写入数据都是Insert，不存在一致性问题。那么在设计数据解决方案时，侧重点则会有所倾向。

其实该方案和业务、应用架构等场景下都是一致的。大家都听过什么管理杠杆率、二八定律、好钢要使在刀刃上这些语句。其实总结起来就一句话：
按照投入产出比，进行资源分配，从而在有限的资源下，追求获得最高整体产出。