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智能城市管理系统设计思路详解：集成InfluxDB、Grafana和MQTTx协议（代码示例）

news 2025/7/23 6:10:46

引言

随着城市化进程的加快，城市管理面临越来越多的挑战。智能城市管理系统的出现，为城市的基础设施管理、资源优化和数据分析提供了现代化的解决方案。本文将详细介绍一个基于开源技术的智能城市管理系统，涵盖系统功能、技术实现、环境搭建、代码示例及使用说明等内容。

系统功能

智能城市管理系统主要包括以下功能：

  1. 监控城市基础设施：

    • 实时监控路灯、交通灯、垃圾桶等基础设施的状态。
    • 提供故障报警和维护建议。

  2. 优化城市资源使用：

    • 根据实际需求动态调整路灯亮度。
    • 在高峰时段优化交通信号灯的切换策略。

  3. 数据展示与历史分析：

    • 实时展示城市管理数据。
    • 提供历史数据的分析功能，帮助决策者优化管理策略。

技术实现

本智能城市管理系统的核心技术包括：

  • Node-RED：用于管理城市基础设施的控制逻辑。
  • Mosquitto：实现基础设施设备之间的通信。
  • InfluxDB：用于存储城市管理数据。
  • Grafana：用于展示和分析城市管理数据。
  • Python：进行数据处理和优化策略计算。

环境搭建

在开始实现智能城市管理系统之前，需要搭建相应的开发环境。以下是环境搭建的步骤：

  1. 安装 Node-RED：

    npm install -g node-red

  2. 安装 Mosquitto：

    • 在 Ubuntu 上，使用以下命令安装 Mosquitto：
    sudo apt install mosquitto mosquitto-clients

  3. 安装 InfluxDB：

    • 下载并安装 InfluxDB，具体安装步骤请参考 InfluxDB 官方文档.

  4. 安装 Grafana：

    • 下载并安装 Grafana，具体安装步骤请参考 Grafana 官方文档.

  5. 安装 Python 及相关库：

    pip install paho-mqtt influxdb-client matplotlib numpy

系统架构

代码示例说明

1. Node-RED 流程

在上面提供的 Node-RED 流程示例中，我们创建了一个简单的流程来接收和处理来自基础设施设备的 MQTT 消息。下面是各个节点的详细说明：

[{"id": "mqtt_in","type": "mqtt in","z": "flow_id","name": "设备状态","topic": "city/infrastructure/status","qos": "2","datatype": "auto","broker": "mqtt_broker","x": 100,"y": 100,"wires": [["function_process"]]},{"id": "function_process","type": "function","z": "flow_id","name": "处理状态","func": "msg.payload = JSON.parse(msg.payload);\nreturn msg;","outputs": 1,"noerr": 0,"x": 300,"y": 100,"wires": [["influxdb_out"]]},{"id": "influxdb_out","type": "influxdb out","z": "flow_id","influxdb": "influxdb_config","name": "存储到 InfluxDB","measurement": "infrastructure_status","x": 500,"y": 100,"wires": [[]]}
]
节点配置说明

  1. MQTT 输入节点 (mqtt_in)：

    • 功能：此节点用于接收来自城市基础设施设备的状态消息。
    • 配置：
      • 主题：city/infrastructure/status，表示我们订阅的是基础设施设备的状态更新。
      • QoS：设置为 2，表示“至多一次传递”，确保消息的可靠性。
    • 输出：接收到的消息将传递到下一个节点（function_process）。

  2. 函数节点 (function_process)：

    • 功能：此节点用于处理接收到的消息，将 JSON 格式的消息解析为 JavaScript 对象，以便进行后续处理。
    • 代码： 
      msg.payload = JSON.parse(msg.payload);
return msg;
      • 这段代码将消息的负载（msg.payload）从字符串格式转换为 JavaScript 对象，以便更方便地访问其属性。
    • 输出：处理后的消息将发送到下一个节点（influxdb_out）。

  3. InfluxDB 输出节点 (influxdb_out)：

    • 功能：此节点用于将处理后的数据存储到 InfluxDB 数据库中。
    • 配置：
      • 测量名称：infrastructure_status，表示我们将数据存储在名为 infrastructure_status 的测量中。
    • 输出：此节点没有后续连接，主要用于数据存储。

2. Python 数据处理示例

接下来，我们使用 Python 脚本进行数据处理和优化策略计算。以下是示例代码：

import paho.mqtt.client as mqtt
import json
from influxdb import InfluxDBClient# InfluxDB 配置
influxdb_host = 'localhost'
influxdb_port = 8086
influxdb_database = 'city_management'# 创建 InfluxDB 客户端
client = InfluxDBClient(host=influxdb_host, port=influxdb_port, database=influxdb_database)# MQTT 回调函数
def on_message(client, userdata, message):# 解析消息data = json.loads(message.payload.decode())print("Received data:", data)# 数据存储到 InfluxDBinflux_data = [{"measurement": "infrastructure_status","tags": {"device": data["device"],"type": data["type"]},"fields": {"status": data["status"],"brightness": data.get("brightness", 0)  # 可选字段}}]client.write_points(influx_data)print("Data written to InfluxDB")# MQTT 客户端配置
mqtt_client = mqtt.Client()
mqtt_client.on_message = on_message
mqtt_client.connect("localhost", 1883, 60)
mqtt_client.subscribe("city/infrastructure/status")# 启动 MQTT 循环
mqtt_client.loop_forever()
代码说明

  • InfluxDB 配置：

    • 定义了 InfluxDB 的连接参数，包括主机名、端口号和数据库名称。
    • 创建了 InfluxDB 客户端，用于与数据库进行交互。

  • MQTT 回调函数 (on_message)：

    • 此函数在接收到 MQTT 消息时被调用。
    • 解析消息：使用 json.loads 将 JSON 数据解析为 Python 字典。
    • 数据存储：
      • 创建一个包含测量名称、标签和字段的字典，准备将数据写入 InfluxDB。
      • 标签包括设备名称和类型，字段包括状态和亮度（如果存在）。
      • 使用 client.write_points(influx_data) 将数据写入 InfluxDB。

  • MQTT 客户端配置：

    • 创建一个 MQTT 客户端实例，并设置消息回调函数。
    • 连接到 MQTT 代理（Mosquitto），并订阅 city/infrastructure/status 主题。
    • 启动 MQTT 循环，保持客户端在线并接收消息。

3. Grafana 数据展示

Grafana 是一个开源的数据可视化和监控工具，可以与 InfluxDB 等多种数据源集成，轻松创建动态仪表板和可视化图表。通过 Grafana，我们可以实时监控城市基础设施的状态和历史数据。

3.1 安装和配置 Grafana

  1. 安装 Grafana：

    • 如果您尚未安装 Grafana，可以按照以下命令在 Ubuntu 上安装： 
      sudo apt-get install -y software-properties-common
sudo add-apt-repository -y ppa:grafana/stable
sudo apt-get update
sudo apt-get install grafana
    • 也可以访问 Grafana 官方网站 下载适合您操作系统的安装包。

  2. 启动 Grafana：

    sudo systemctl start grafana-server
sudo systemctl enable grafana-server
    • 启动后，Grafana 默认运行在 http://localhost:3000。

  3. 登录 Grafana：

    • 打开浏览器，访问 http://localhost:3000。
    • 默认用户名和密码均为 admin，首次登录后会要求您更改密码。
3.2 添加 InfluxDB 数据源

  1. 添加数据源：

    • 在左侧菜单中，点击 Configuration (配置)，然后选择 Data Sources (数据源)。
    • 点击 Add data source (添加数据源)，选择 InfluxDB。

  2. 配置 InfluxDB 数据源：

    • 在数据源配置页面，填写以下信息：
      • HTTP URL：http://localhost:8086
      • Database：city_management
      • User 和 Password：如果您在 InfluxDB 中设置了用户名和密码，请填写相应信息。
    • 点击 Save & Test (保存并测试)，确保 Grafana 能成功连接到 InfluxDB。
3.3 创建仪表板

  1. 创建新仪表板：

    • 在左侧菜单中，点击 +，然后选择 Dashboard (仪表板)。
    • 点击 Add new panel (添加新面板)。

  2. 配置图表：

    • 在面板编辑器中，选择 Query (查询) 选项卡。
    • 在 Data source (数据源) 下拉框中，选择之前添加的 InfluxDB 数据源。
    • 在 Query 输入框中，可以使用类似以下的查询： 
      SELECT mean("status") FROM "infrastructure_status" WHERE $timeFilter GROUP BY time($__interval) fill(null)
      • 该查询从 infrastructure_status 测量中获取状态的平均值，并根据时间进行分组。

  3. 设置图表类型：

    • 在右侧的 Panel 设置中，选择图表类型（例如，折线图、柱状图等）。
    • 可以自定义图表的标题、轴标签、颜色等。

  4. 保存仪表板：

    • 完成图表配置后，点击右上角的 Save dashboard (保存仪表板)，为仪表板命名并保存。

4. 使用说明

4.1 启动系统

  1. 启动 Mosquitto 代理：

    sudo systemctl start mosquitto

  2. 启动 Node-RED：

    node-red

  3. 启动 InfluxDB：

    influxd

  4. 启动 Grafana：

    sudo systemctl start grafana-server
4.2 模拟设备数据

为了测试整个系统，您可以使用一个简单的 Python 脚本来模拟城市基础设施设备发送状态消息。以下是一个简单的示例：

4.2 模拟设备数据

为了测试整个系统，您可以使用一个简单的 Python 脚本来模拟城市基础设施设备发送状态消息。以下是一个完整的示例代码：

import paho.mqtt.publish as publish
import json
import random
import time# MQTT 配置
mqtt_broker = "localhost"
topic = "city/infrastructure/status"while True:# 随机生成设备状态device_data = {"device": f"light_{random.randint(1, 10)}",  # 生成设备名称，如 light_1, light_2 等"type": "light",  # 设备类型"status": random.choice(["on", "off"]),  # 随机选择设备状态"brightness": random.randint(0, 100)  # 随机生成亮度值}# 将设备数据转换为 JSON 格式payload = json.dumps(device_data)# 发布 MQTT 消息publish.single(topic, payload, hostname=mqtt_broker)print(f"Published: {payload} to topic: {topic}")# 每隔 5 秒发送一次消息time.sleep(5)
代码说明

  • 导入库：

    • paho.mqtt.publish：用于发布 MQTT 消息。
    • json：用于将数据转换为 JSON 格式。
    • random：用于生成随机数。
    • time：用于设置延时。

  • MQTT 配置：

    • mqtt_broker：设置 MQTT 代理的地址，这里为 localhost。
    • topic：消息发布的主题为 city/infrastructure/status。

  • 无限循环：

    • 使用 while True 创建一个无限循环，以便定期发布消息。

  • 随机生成设备数据：

    • device：生成设备名称，格式为 light_x，其中 x 是随机生成的数字（1 到 10）。
    • type：设备类型，这里固定为 light。
    • status：随机选择设备状态，可以是 on 或 off。
    • brightness：随机生成亮度值，范围为 0 到 100。

  • 发布消息：

    • 将生成的设备数据转换为 JSON 格式，并使用 publish.single() 方法将其发布到指定主题。
    • 每次发布后打印出发布的内容，方便调试。

  • 延时：

    • 使用 time.sleep(5) 控制每隔 5 秒发送一次消息。这可以通过修改该值来调节发送频率。

4.3 观察数据流

  1. 运行模拟设备数据脚本：

    • 在终端中运行上述模拟设备数据的 Python 脚本。您将看到脚本定期发布设备状态消息到 MQTT 代理。
    python simulate_device.py

  2. 观察 Node-RED 流程：

    • 打开 Node-RED 的浏览器界面（通常为 http://localhost:1880）。
    • 查看 Node-RED 流程的调试窗口，您将看到接收到的设备状态消息。

  3. 查看 InfluxDB 数据：

    • 您可以使用 InfluxDB CLI 或者其他工具（如 Chronograf）查看存储在数据库中的数据，确保数据正确写入。
    influx
USE city_management
SELECT * FROM infrastructure_status

  4. 在 Grafana 中查看数据可视化：

    • 打开 Grafana 的浏览器界面（通常为 http://localhost:3000），查看您创建的仪表板。
    • 您应该能够看到实时更新的图表，展示城市基础设施的状态变化。

5. 总结

通过本教程，我们搭建了一个简单的智能城市管理系统，使用了以下技术栈：

  • Node-RED：用于管理和处理城市基础设施的控制逻辑。
  • Mosquitto：作为 MQTT 代理，负责设备之间的通信。
  • InfluxDB：用于存储城市管理数据。
  • Grafana：用于实时展示和分析城市管理数据。
  • Python：用于模拟设备数据和进行数据处理。
http://www.lryc.cn/news/410792.html

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