我的私有云-IOT定位/追踪系统
本文介绍一套低成本实现的IOT定位追踪系统方案，实现基于：本地内网服务器-云服务器-IOT终端-手机终端 互联互通基础上的定位追踪应用。
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目录
- API输出坐标数据时，需在Pydantic 模型做数据转换
1. 说明
本文介绍一套低成本实现的IOT定位追踪系统方案，实现基于：本地内网服务器-云服务器-IOT终端-手机终端 互联互通基础上的定位追踪应用。
2. 完成后的效果
2.1 实时定位
定位实时数据
2.2 轨迹重现
定位轨迹数据
2.3 设备美照
3. 项目设计
- 准备一个云服务器，固定带宽2~5M的一般云主机，装frp服务端，负责系统通讯接驳。
- 本地私有云集群搭建，多核高内存高性能服务器集群，负责提供各种服务，其中之一装Frp客户端，映射各服务端口到云服务器。
- IOT定位器，在相关后台设置上报消息格式，MQTT服务器路径及订阅主题
- IOT设备消息路径：定位器-》云服务器-》私有云 MQTT Server-》Nifi-》Kafka-》应用消费服务
- 使用终端API路径：终端-》云服务器-》私有云 API Server
3.1 系统拓扑图
3.2 技术选型
| 层次 | 技术/框架/硬件 | 备注 |
|---|---|---|
| 前端 | Vue3, Typescript | VUE3结合高德地图Api, 实现实时定位与轨迹重现 |
| 中间件 |
| |
| 后端 | FastApi, Kinit | 使用Kinit做后台管理 |
| 数据库 | Mysql 8, Redis | 使用mysql里面的地理字段 Geometry存位置数据 |
| 定位器硬件 | 银尔达 Air820ug | GPS有源天线，供电5V2A，10W，含GPS/BD定位功能，通过其后台设置每分钟上报一次 |
3.3 消息订阅处理架构图
3.4 frp服务在线监控
要点：
- 注意打开防火墙端口，不然可能会出现 “connect: no route to host”的情况
- 注意打开ISP放行端口
4. 实施
4.1 数据模型 - DeviceLocation
参考： FastApi地理坐标数据存取实践_fastapi geoalchemy-CSDN博客
from typing import List, Optional
from datetime import datetime
from sqlalchemy import BigInteger, Column, DateTime, ForeignKey, ForeignKeyConstraint, Index, Integer, String, Table, Text, text
from sqlalchemy.dialects.mysql import TINYINT
from sqlalchemy.orm import Mapped, declarative_base, mapped_column, relationship
from sqlalchemy.orm.base import Mapped
from geoalchemy2 import Geometry, WKBElement
from sqlalchemy.orm import relationship, Mapped, mapped_column
from db.db_base import BaseModel
from .data_types import DeviceType
import uuid
import secrets
metadata = BaseModel.metadata
class DeviceLocation(BaseModel):
__tablename__ = 'ia_iot_device_location'
__table_args__ = (
Index('Index_1', 'iot_device_id'),
Index('Index_2', 'coordinates')
)
id = mapped_column(BigInteger, primary_key=True)
coordinates: Mapped[WKBElement] = mapped_column(Geometry(geometry_type='POINT', spatial_index=True), nullable=False, comment='地理坐标')
iot_device_id = mapped_column(BigInteger, server_default=text("'0'"))
label = mapped_column(String(255, 'utf8mb4_general_ci'))4.2 数据报规格定义
订阅主题
| Topic | 类型 | 备注 |
| ia001.device.bus | Kafka 主题， 不允许有“/” | 消息总线 |
| /ia001/report/# | Emqx 主题 | Nifi使用，通配设备上报消息 |
| /ia001/cmd/${IMEI} | Emqx 主题 | 下发指令给设备, id - IMEI |
数据报格式
| 定位 | {'meta': {'id': '860048072112954', 'cmd': '1001', 'extra': {}}, 'data': {'type': 'GPS', 'lng': '113.3589331', 'lat': '22.5405440', 'csq': '22'}} |
银尔达后台配置
| 主动上报内容格式 | |
| 基站定位 | {"meta":{"id":"${IMEI}","cmd":"1001","extra":{}},"data":{"type":"LBS","lng":"${LBSLON}","lat":"${LBSLAT}","csq":"${CSQ}"}} |
| GPS定位 | {"meta":{"id":"${IMEI}","cmd":"1001","extra":{}},"data":{"type":"GPS","lng":"${GPSLON}","lat":"${GPSLAT}","csq":"${CSQ}"}} |
| LWT | {"meta":{"id":"${IMEI}","cmd":"1004","extra":{}},"data":{"msg":"off line"}} |
4.3 脚本:
- Kafka消费者守护程序
from confluent_kafka import Consumer, KafkaError, KafkaException
import asyncio
import json
import logging
from sqlalchemy import insert, select, delete
from datetime import datetime
from core.database import db_getter
from application.settings import BASE_DIR, IOT, KAFKA
from apps.vadmin.iot.models.models import DeviceLocation, Device
from apps.vadmin.iot.crud import DeviceLocationDal
from apps.vadmin.iot.cmds.utils import *
from apps.vadmin.iot.cmds.cmds import *
# 设置日志格式，'%()'表示日志参数
log_format = "%(message)s"
logging.basicConfig(
filename=f"{BASE_DIR}/logs/k1.log", format=log_format, level=logging.INFO
)
class DaemonConsumer:
def __init__(self):
self.debug = True
# self.debug = False
async def consume_loop(self, consumer, topics):
try:
# 订阅主题
consumer.subscribe(topics)
while True:
# 轮询消息
msg = consumer.poll(timeout=1.0)
if msg is None:
continue
if msg.error():
if msg.error().code() == KafkaError._PARTITION_EOF:
# End of partition event
print(
"%% %s [%d] reached end at offset %d\n"
% (msg.topic(), msg.partition(), msg.offset())
)
elif msg.error():
raise KafkaException(msg.error())
else:
# 正常消息
raw_message = msg.value()
# print(f"Raw message: {raw_message}")
str_msg = raw_message.decode("utf-8")
payload = json.loads(str_msg)
payload["server_time"] = datetime.now().strftime(
"%Y-%m-%d %H:%M:%S"
)
if self.debug:
print(f"Received message: {type(payload)} : {payload}")
json_data = json.dumps(payload, ensure_ascii=False)
logging.info("{}".format(json_data))
if "meta" in payload:
await self.process_message(payload)
finally:
# 关闭消费者
consumer.close()
async def process_message(self, payload):
cmdTuple = CommandParser.getCommand(payload["meta"]["cmd"])
print(cmdTuple)
cmd = CommandDispatcher.dispatch(cmdTuple["class"])
await cmd.execute(cmdTuple["action"], payload)
async def run(self):
# 消费者配置
# conf = {
# "bootstrap.servers": "host001.dev.ia:19092,host001.dev.ia:29092,host001.dev.ia:39092",
# "group.id": "mygroup1",
# "auto.offset.reset": "earliest",
# }
conf = KAFKA
# 创建消费者
consumer = Consumer(conf)
# await self.consume_loop(consumer, ["ia001.device.bus"])
await self.consume_loop(consumer, [IOT["KAFKA_TOPIC_BUS"]])
- 高德地图GPS定位纠偏脚本
Javascript 版本: 查看绑定资源
Typescript 版本:
/* eslint-disable @typescript-eslint/no-loss-of-precision */
const x_PI: number = (3.14159265358979324 * 3000.0) / 180.0
const PI: number = 3.1415926535897932384626
const a: number = 6378245.0
const ee: number = 0.00669342162296594323
const bd09togcj02 = (bd_lon: number, bd_lat: number): number[] => {
bd_lon = +bd_lon
bd_lat = +bd_lat
const x: number = bd_lon - 0.0065
const y: number = bd_lat - 0.006
const z: number = Math.sqrt(x * x + y * y) - 0.00002 * Math.sin(y * x_PI)
const theta: number = Math.atan2(y, x) - 0.000003 * Math.cos(x * x_PI)
const gg_lng: number = z * Math.cos(theta)
const gg_lat: number = z * Math.sin(theta)
return [gg_lng, gg_lat]
}
const gcj02tobd09 = (lng: number, lat: number): number[] => {
lat = +lat
lng = +lng
const z: number = Math.sqrt(lng * lng + lat * lat) + 0.00002 * Math.sin(lat * x_PI)
const theta: number = Math.atan2(lat, lng) + 0.000003 * Math.cos(lng * x_PI)
const bd_lng: number = z * Math.cos(theta) + 0.0065
const bd_lat: number = z * Math.sin(theta) + 0.006
return [bd_lng, bd_lat]
}
const wgs84togcj02 = (lng: number, lat: number): number[] => {
lat = +lat
lng = +lng
if (out_of_china(lng, lat)) {
return [lng, lat]
} else {
const dlat: number = transformlat(lng - 105.0, lat - 35.0)
const dlng: number = transformlng(lng - 105.0, lat - 35.0)
const radlat: number = (lat / 180.0) * PI
let magic: number = Math.sin(radlat)
magic = 1 - ee * magic * magic
const sqrtmagic: number = Math.sqrt(magic)
const dlatAdjusted: number = (dlat * 180.0) / (((a * (1 - ee)) / (magic * sqrtmagic)) * PI)
const dlngAdjusted: number = (dlng * 180.0) / ((a / sqrtmagic) * Math.cos(radlat) * PI)
const mglat: number = lat + dlatAdjusted
const mglng: number = lng + dlngAdjusted
return [mglng, mglat]
}
}
const gcj02towgs84 = (lng: number, lat: number): number[] => {
lat = +lat
lng = +lng
if (out_of_china(lng, lat)) {
return [lng, lat]
} else {
const dlat: number = transformlat(lng - 105.0, lat - 35.0)
const dlng: number = transformlng(lng - 105.0, lat - 35.0)
const radlat: number = (lat / 180.0) * PI
let magic: number = Math.sin(radlat)
magic = 1 - ee * magic * magic
const sqrtmagic: number = Math.sqrt(magic)
const dlatAdjusted: number = (dlat * 180.0) / (((a * (1 - ee)) / (magic * sqrtmagic)) * PI)
const dlngAdjusted: number = (dlng * 180.0) / ((a / sqrtmagic) * Math.cos(radlat) * PI)
const mglat: number = lat + dlatAdjusted
const mglng: number = lng + dlngAdjusted
return [lng * 2 - mglng, lat * 2 - mglat]
}
}
const transformlat = (lng: number, lat: number): number => {
lat = +lat
lng = +lng
let ret: number =
-100.0 +
2.0 * lng +
3.0 * lat +
0.2 * lat * lat +
0.1 * lng * lat +
0.2 * Math.sqrt(Math.abs(lng))
ret += ((20.0 * Math.sin(6.0 * lng * PI) + 20.0 * Math.sin(2.0 * lng * PI)) * 2.0) / 3.0
ret += ((20.0 * Math.sin(lat * PI) + 40.0 * Math.sin((lat / 3.0) * PI)) * 2.0) / 3.0
ret += ((160.0 * Math.sin((lat / 12.0) * PI) + 320 * Math.sin((lat * PI) / 30.0)) * 2.0) / 3.0
return ret
}
const transformlng = (lng: number, lat: number): number => {
lat = +lat
lng = +lng
let ret: number =
300.0 + lng + 2.0 * lat + 0.1 * lng * lng + 0.1 * lng * lat + 0.1 * Math.sqrt(Math.abs(lng))
ret += ((20.0 * Math.sin(6.0 * lng * PI) + 20.0 * Math.sin(2.0 * lng * PI)) * 2.0) / 3.0
ret += ((20.0 * Math.sin(lng * PI) + 40.0 * Math.sin((lng / 3.0) * PI)) * 2.0) / 3.0
ret += ((150.0 * Math.sin((lng / 12.0) * PI) + 300.0 * Math.sin((lng / 30.0) * PI)) * 2.0) / 3.0
return ret
}
const out_of_china = (lng: number, lat: number): boolean => {
lat = +lat
lng = +lng
return !(lng > 73.66 && lng < 135.05 && lat > 3.86 && lat < 53.55)
}
export default {
bd09togcj02,
gcj02tobd09,
wgs84togcj02,
gcj02towgs84
}
5. 要点:
- API输出坐标数据时，需在Pydantic 模型做数据转换
@field_validator("coordinates", mode="before")
def parse_coordinates(cls, value: WKBElement):
return dump_coords(to_shape(value))[0] if value else None6. 参考:
6.1 工具
- Javascript 在线转 Typescript:
Javascript to Typescript converter with ChatGPT | Js2TS.com
- GPS定位纠偏
6.2 码讯定位精度选择(定位技术对比)
| # | UWB | 蓝牙5.1 | 蓝牙信标 | Wi-Fi | RFID | Zigbee |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 精度 | 10-30cm | 1-5m | 3-5m 依赖于信标的密度 | 5-15m | 15cm-1m | 3-10m |
| 可靠性 | 抗干扰能力强 | 对多路径、障碍物和干扰非常敏感 | 易受遮挡和多径影响 | 对多路径、障碍物和干扰非常敏感 | 不易受影响 | 抗干扰能力弱 |
| 覆盖范围 | 50-100m | 10-20m | 6-8m | 40-50m | 1m | 60-70m（主要应用一维） |
| 数据通信 | 最高27Mbps | 最高2Mbps | 不适用 | 最高1 Gbps | 不适用 | 20-250kbps |
| 安全范围 | 非常安全 | 可利用中继攻击进行欺骗 | 可利用中继攻击进行欺骗 | 可利用中继攻击进行欺骗 | 可利用中继攻击进行欺骗 | 安全性比较低 |
| 定位服务延迟 | <1ms | ≤3ms | ≥3ms | ≥3ms | ≥1s | 30ms |
| 可拓展性 | 基于超过数万个或不限量标签的解决方案 | 几百到一千标签 | 几百到一千标签 | 几百到一千标签 | 不限量标签 | 最大60000个节点 |
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