ESP32部署开源物联网平台ThingsBoard

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ESP32部署开源物联网平台ThingsBoard

1. 前言

之前使用阿里云物联网平台搭建的电能表温表IOT采集并前端展示的项目，由于阿里云IOT Studio体验版到期了，前端展示被关闭了。继续使用要收取一笔高昂费用，我自然消费不起，那么现在我的目标就是使用开源物联网平台来代替阿里云物联网，这意味着你要自己部署物联网MQTT消息服务器,不过这个也不难，搞一台linux机器就行，可以是自己购买公网服务器，也可以家里的内网x86小主机。好吧，开始开干！

PS: 阿里云物联网前端应用无法展示

2. 部署MQTT服务器

2.1 目前有什么选择

EMQX自带Web后台，Mosquitto没有Web后台

EMQX多节点集群是需要购买商业许可证的，但是单节点部署是免费的，高性能MQTT服务器

ThingsBoard是自带mqtt服务器，完善的可视化以及设备管理，内置低配MQTT服务器

2.2 部署EMQX

version: '3.8'
services:
  emqx:  
    image: emqx/emqx:latest
    container_name: emqx
    restart: unless-stopped
    hostname: emqx-node
    mem_limit: 1024M
    environment:
      - EMQX_NODE_NAME=emqx@emqx-node
      - EMQX_LOG__FILE__DEFAULT__ENABLE=true
      # 禁用遥测，可选
      - EMQX_TELEMETRY__ENABLE=false
      - TZ=Asia/Shanghai
    volumes:
      # 数据持久化
      - ./data:/opt/emqx/data
      - ./log:/opt/emqx/log
    ports:
      # MQTT 标准端口
      - "1883:1883"
      # WebSocket 端口
      #- "8083:8083"
      # WebSocket 安全端口
      #- "8084:8084"
      # MQTT over TLS
      #- "8883:8883"
      # Dashboard Web 管理后台
      - "18083:18083"
    healthcheck:
      test: ["CMD", "/opt/emqx/bin/emqx", "ctl", "status"]
      interval: 10s
      timeout: 10s
      retries: 5

PS: 登录EMQX之后的界面

2.3 EMQX与阿里云物联网区别

阿里云物联网平台解决了什么问题：一站式解决方案，提供了从设备连接到应用开发的全套服务，除了消息中转，还集成了设备管理、物模型、规则引擎、数据存储、安全认证等功能，并连接阿里云庞大的生态服务。开箱即用，需要付费。

EMQX解决了什么问题：MQTT消息服务器，是一个高性能、开源的 MQTT 消息服务器。核心功能是完成接收和分发来自设备的消息。但它本身不提供设备管理、数据存储或应用开发等一体化能力。但是可以与外部数据库、可视化平台等系统的完美集成。

使用标准的mqtt协议连接emqx: 修改MQTT服务器地址和端口

使用开源数据可视化工具做前端展示：ThingsBoard ，是开源物联网平台，为IoT方案提供设备管理、数据采集、处理与可视化，内置轻量级

2.4 小结

因为目前家里机器性能以及资源有限，内存条才4G, 如果要跑EMQX作为高性能MQTT Broker，加上ThingsBoard作为可视化应用服务，根本不可能，容器服务会把最后的系统内存都占满，系统开机就宕机。最后选择ThingsBoard部署这个项目，这个已经完全够用，因为设备连接数很少，用不上高性能MQTT Broker，低配的内置MQTT Broker也可以用。当前日后如果真的需要EMQX,那么编写规则引擎让接入Grafana可视化工具，这就非常完美。不废话，下一步部署ThingsBoard！

3. 部署ThingsBoard

3.1 部署方式

不采用微服务方式部署，不需要分别部署多个组件，常用单体部署方式更加省内存，所有核心功能都打包在同一个Java虚拟机进程中运行

使用thingsboard/tb-postgres:latest镜像，内置PostgreSQL数据库

默认账号：

Systen Administrator: [email protected] / sysadmin

Tenant Administrator: [email protected]/ tenant

Customer User: [email protected]/ customer

租户管理员可以创建设备，创建仪表板

系统管理员可以创建租户，客户用户只能查看

部署编排：

version: '3.8'
services:
  thingsboard:
    image: thingsboard/tb-postgres:latest
    container_name: thingsboard
    restart: unless-stopped
    mem_limit: 1536M  # 限制最大内存 1GB+512M+512M 小于它会宕机
    ports:
      - "18080:9090"      # Web UI 端口
      - "11883:1883"      # MQTT 设备接入端口
    environment:
      TB_QUEUE_TYPE: in-memory  # 使用内存队列，降低资源占用,指定消息队列类型
    volumes:
      - ./tb-data:/data
      - ./tb-logs:/var/log/thingsboard
    healthcheck:
      test: ["CMD", "curl", "-f", "http://localhost:9090/api/noauth/health"]
      interval: 30s
      timeout: 10s
      retries: 3

3.2 容器权限问题

解决容器权限的问题：

日志报错如下：

initdb: error: could not create directory "/data/db": Permission denied

授予操作文件权限：

docker run --rm thingsboard/tb-postgres cat /etc/passwd  #查看容器所有用户
#输出： thingsboard:x:799:799:Thingsboard application,,,:/home/thingsboard:/usr/sbin/nologin
#ps: 用户名:密码占位符:用户ID(UID):组ID(GID):用户描述:家目录:登录Shell  
#目前确定了UID是799

#授予权限
sudo chown -R 799:799 ./tb-data
sudo chown -R 799:799 ./tb-logs

日志显示如下：

Installation finished successfully!

Starting ThingsBoard ...

表示安装成功，服务启动了，经过测试1024M内存会导致访问被Killed ，增加到1024+256M+256M 可以运行

3.3 创建设备

登录租户，创建设备连接参数如下：

使用树莓派完成连通性测试：

之前阿里云的MQTT链接参数：

client ID 是系统自动拼接的

user name 是系统自动拼接的

password 是自动随机生成的

PS: 之前阿里云MQTT的连接参数

在thingsboard中，client ID、 user name 、 password 这些MQTT基本连接参数可以自定义或者自动生成

3.4 数据类型

thingsboard中的数据类型：

属性（Attributes）：用于描述设备相对静态的特征。比如设备固件版本、运行模式等。在平台里只保留最新的一个值。

遥测（Telemetry）：用于上报随时间连续变化的测量数据，比如温度、湿度、电压、电流等。每次上报都会在数据库里生成一条带有时间戳的新记录，方便后续做历史趋势分析。

主题：

v1/devices/me/telemetry（用于遥测）

v1/devices/me/attributes（用于属性）

v1/devices/me/attributes/response/+（<request_id>）（订阅主题）

平台收到上报的数据：

关键代码：

/* thingsboard mqtt */
#define TB_BROKER "192.168.1.10"
#define TB_PORT 11883 // Thingsboard MQTT 非加密端口，使用加密请改为 8883并配置证书
#define TB_CLIENT_ID "xnn7fo32lwpzgz56ks7h"
#define TB_USERNAME "sbu0bic9smatdufeh5st"
#define TB_PASSWORD "p8fg43v4f5rk545vaxxd"
#define TB_TOPIC_TELEMETRY "v1/devices/me/telemetry"

// Thingsboard MQTT 连接参数，不需要生成，已经硬编码
snprintf(clientId, sizeof(clientId), TB_CLIENT_ID);
snprintf(username, sizeof(username), TB_USERNAME);
snprintf(password, sizeof(password), TB_PASSWORD);

// 配置 MQTT 客户端,生成 host
// snprintf(ali_broker, sizeof(ali_broker), "%s.iot-as-mqtt.%s.aliyuncs.com", 
//          MQTT_CRE_PRODUCT_KEY, MQTT_CRE_REGION_ID);      
ESP_LOGI(TAG, "broker: %s", TB_BROKER);
ESP_LOGI(TAG, "port: %d", TB_PORT);
ESP_LOGI(TAG, "clientId: %s", clientId);
ESP_LOGI(TAG, "username: %s", username);
ESP_LOGI(TAG, "password: %s", password);   // 注意：生产环境不要打印密码

// 配置MQTT客户端
esp_mqtt_client_config_t mqtt_cfg = {
    .broker.address.uri = NULL,                 // 不使用uri方式，而是分别设置hostname和port
    .broker.address.hostname = TB_BROKER,          // Thingsboard MQTT接入地址
    .broker.address.port = TB_PORT,                 // 非加密端口，如需加密请使用8883并配置证书
    .broker.address.transport = MQTT_TRANSPORT_OVER_TCP,
    .credentials.client_id = clientId,
    .credentials.username = username,
    .credentials.authentication.password = password,
    .session.keepalive = 60,                     // 心跳间隔60秒
};

/**
 * @brief 从 Modbus 数据队列读取数据，并调用处理函数发布到 MQTT
 * 
 * @param client 
 * @param modbus_queue_handle 
 */
static void mqtt_update_modbus_sensor_data(esp_mqtt_client_handle_t client, QueueHandle_t modbus_queue_handle)
{
    modbus_data_msg_t msg;
    // 循环接收所有可用消息，直到队列空
    while (xQueueReceive(modbus_queue_handle, &msg, 0) == pdTRUE) {
        if (msg.id == DEVICE_ENERGY) {
            ESP_LOGI(TAG, "Received Modbus data for Energy Meter: current=%.2f, power=%.2f, energy=%.2f", 
                    msg.current, msg.power, msg.energy);
        } else if (msg.id == DEVICE_SHT30) {
            ESP_LOGI(TAG, "Received Modbus data for SHT30 Sensor: temp=%.2f, hum=%.2f", 
                    msg.temp_f, msg.hum_f);
        } else {
            ESP_LOGI(TAG, "Received Modbus data for Unknown Device ID %d", msg.id);
            continue; // 跳过未知设备
        }
        // 每次接收后立即上报最新数据   
        mqtt_publish_modbus_data_msg(client, &msg, TB_TOPIC_TELEMETRY);
    }
}

/**
 * @brief 处理 Modbus 传感器数据，并发布到 MQTT 上报 Topic
 * 
 * @param client 
 * @param msg 
 * @param topic 
 */
static void mqtt_publish_modbus_data_msg(esp_mqtt_client_handle_t client, modbus_data_msg_t *msg, const char* topic)
{
    static uint16_t msg_id = 0;

    if( topic == NULL || strlen(topic) == 0 ) {
        ESP_LOGE(TAG, "Invalid topic for publishing modbus sensor data");
        return;
    }

    cJSON *root = cJSON_CreateObject();
    if(msg->id == DEVICE_ENERGY){
        cJSON_AddNumberToObject(root, "current", ((int)(msg->current * 100)) / 100.0f); // 保留两位小数
        cJSON_AddNumberToObject(root, "power", ((int)(msg->power * 100)) / 100.0f); // 保留两位小数
        cJSON_AddNumberToObject(root, "energy", ((int)(msg->energy * 100)) / 100.0f); // 保留两位小数
        cJSON_AddNumberToObject(root, "energy_online", msg->is_online);

    }else if(msg->id == DEVICE_SHT30){
        // 保留两位小数
        cJSON_AddNumberToObject(root, "temp", ((int)(msg->temp_f * 100)) / 100.0f);
        cJSON_AddNumberToObject(root, "hum", ((int)(msg->hum_f * 100)) / 100.0f);
        cJSON_AddNumberToObject(root, "temp_online", msg->is_online);  
    }

    char *json_str = cJSON_PrintUnformatted(root);
    esp_mqtt_client_publish(client, topic, json_str, 0, 1, 0);
    cJSON_free(json_str);
    cJSON_Delete(root);

}

3.5 数据展示

前端展示：

前端展示地址：

https://tbui.hainiu1220.cn/dashboard/7cd30bb0-3760-11f1-961c-ef9f1b85e573?publicId=e3d97ad0-36b4-11f1-961c-ef9f1b85e573

4. 最后

4.1 代码

#克隆指定分支上的tag, -b指定动态静态引用
#克隆 b-thingsboard-v0.1 标签代码
git clone -b b-thingsboard-v0.1 https://github.com/haiou1220/esp32c3-mini-mqtt.git

4.2总结

目前使用ThingsBoard解决了，阿里云物联网平台在展示数据时候的收费问题。借助ThingsBoard可以完全放弃商用的阿里云物联网的解决方案，虽然阿里云物联网MQTT消息服务器是有免费额度的，但是其中连接设备数也是有一定的限制的，所以想要免费使用，还是得花时间部署开源物联网平台。

目前连接到ThingsBoard 局域网mqtt服务器是使用mqtt协议连接，之后考虑使用纯服务端方式的商用cpolar / 自建frp 。这样在户外4G模块也能连接局域网的mqtt服务器了。

ESP32部署开源物联网平台ThingsBoard

ESP32部署开源物联网平台ThingsBoard

1. 前言

2. 部署MQTT服务器

2.1 目前有什么选择

2.2 部署EMQX

2.3 EMQX与阿里云物联网区别

2.4 小结

3. 部署ThingsBoard

3.1 部署方式

3.2 容器权限问题

3.3 创建设备

3.4 数据类型

3.5 数据展示

4. 最后

4.1 代码

4.2总结

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