演示环境搭建指南

概述

本节提供设置完整物联网演示环境的逐步指南。通过本节学习，你将能够：

使用Docker Compose在10分钟内部署完整的物联网后端技术栈
验证每个组件是否正常工作
执行基本的MQTT发布-订阅测试
访问Node-RED、InfluxDB和Grafana界面
为客户演示准备环境

前置条件

开始之前，请确保以下条件满足：

Docker（24.0或更新版本）：安装Docker
Docker Compose（2.20或更新版本）：包含在Docker Desktop中，或在Linux上单独安装
一台计算机，至少4 GB RAM和10 GB可用磁盘空间
互联网连接，用于拉取容器镜像（首次设置：约1 GB下载）
ESP32开发板（初始测试可选，MQTT客户端工具可模拟设备）
Fly平台（可选）：也可以使用 Fly平台部署服务器环境，替代本地Docker运行

验证Docker安装

打开终端并执行：

docker --version
docker compose version

预期输出（版本可能有所不同）：

Docker version 27.0.0, build abcdef1
Docker Compose version v2.29.0

如果未安装Docker，请从 docker.com 下载Docker Desktop并按照安装向导操作。

第一步：创建项目目录

为演示环境创建一个目录：

mkdir ~/iot-demo
cd ~/iot-demo

第二步：创建Docker Compose配置

在 ~/iot-demo 目录中创建一个名为 docker-compose.yml 的文件：

version: "3.8"

services:
  # MQTT Broker
  mosquitto:
    image: eclipse-mosquitto:2
    container_name: mosquitto
    ports:
      - "1883:1883"
      - "8883:8883"
    volumes:
      - ./mosquitto/config:/mosquitto/config
      - ./mosquitto/data:/mosquitto/data
      - ./mosquitto/log:/mosquitto/log
    restart: unless-stopped

  # Node-RED自动化引擎
  nodered:
    image: nodered/node-red:4
    container_name: nodered
    ports:
      - "1880:1880"
    volumes:
      - ./nodered/data:/data
    environment:
      - TZ=UTC
    restart: unless-stopped
    depends_on:
      - mosquitto

  # InfluxDB时序数据库
  influxdb:
    image: influxdb:2
    container_name: influxdb
    ports:
      - "8086:8086"
    volumes:
      - ./influxdb/data:/var/lib/influxdb2
      - ./influxdb/config:/etc/influxdb2
    environment:
      - DOCKER_INFLUXDB_INIT_MODE=setup
      - DOCKER_INFLUXDB_INIT_USERNAME=admin
      - DOCKER_INFLUXDB_INIT_PASSWORD=admin123
      - DOCKER_INFLUXDB_INIT_ORG=iot-demo
      - DOCKER_INFLUXDB_INIT_BUCKET=sensor-data
      - DOCKER_INFLUXDB_INIT_RETENTION=30d
    restart: unless-stopped

  # Grafana可视化
  grafana:
    image: grafana/grafana:11
    container_name: grafana
    ports:
      - "3000:3000"
    volumes:
      - ./grafana/data:/var/lib/grafana
      - ./grafana/config:/etc/grafana
    environment:
      - GF_SECURITY_ADMIN_USER=admin
      - GF_SECURITY_ADMIN_PASSWORD=admin123
      - GF_INSTALL_PLUGINS=
    restart: unless-stopped
    depends_on:
      - influxdb

配置说明：

MQTT Broker暴露在1883端口（未加密）用于本地开发。生产环境请使用8883端口配合TLS。
InfluxDB初始化为演示组织、Bucket和凭证。生产环境应更改这些设置。
Grafana预配置了管理员凭证。任何非演示用途请更改这些设置。
所有服务使用持久化卷，以便数据在容器重启后保留。

第三步：创建Mosquitto配置

创建Mosquitto配置目录和文件：

mkdir -p mosquitto/config

创建 mosquitto/config/mosquitto.conf：

# IoT演示Mosquitto配置
listener 1883
protocol mqtt

# 允许匿名访问（仅用于演示）
allow_anonymous true

# 持久化
persistence true
persistence_location /mosquitto/data/

# 日志
log_dest file /mosquitto/log/mosquitto.log
log_dest stdout
log_type all

# 最大连接数
max_connections 1000

重要安全说明： 上述配置允许匿名访问仅用于演示目的。在任何生产或面向互联网的部署中，始终：

设置 allow_anonymous false
配置用户名/密码认证
使用TLS加密（详见MQTT TLS安全通信章节）

创建数据目录：

mkdir -p mosquitto/data mosquitto/log

第四步：启动技术栈

启动所有服务：

cd ~/iot-demo
docker compose up -d

Docker将拉取所有镜像（仅首次）并启动容器。这通常需要2-5分钟，具体取决于网络速度。

预期输出：

[+] Running 5/5
 ✔ Container mosquitto   Started
 ✔ Container influxdb    Started
 ✔ Container nodered     Started
 ✔ Container grafana     Started

检查所有容器的状态：

docker compose ps

预期输出：

NAME                IMAGE                   STATUS         PORTS
mosquitto           eclipse-mosquitto:2     Up 2 minutes   0.0.0.0:1883->1883/tcp, 0.0.0.0:8883->8883/tcp
nodered             nodered/node-red:4      Up 2 minutes   0.0.0.0:1880->1880/tcp
influxdb            influxdb:2              Up 2 minutes   0.0.0.0:8086->8086/tcp
grafana             grafana/grafana:11      Up 2 minutes   0.0.0.0:3000->3000/tcp

第五步：配置InfluxDB

InfluxDB会根据 docker-compose.yml 中指定的凭证自动初始化。验证方式：

打开浏览器并访问 http://localhost:8086
使用用户名 admin 和密码 admin123 登录
你应该看到显示 sensor-data Bucket的InfluxDB UI

如果自动设置未完成（首次初始化可能存在时序敏感问题），请手动完成：

点击”Get Started”
输入：用户名 admin，密码 admin123，组织 iot-demo，Bucket sensor-data
点击”Continue”

获取API令牌（Node-RED写入数据时需要）：

docker exec influxdb influx auth list --org iot-demo

复制令牌字符串（一个长十六进制值）。请保存好——后续章节配置Node-RED时会用到。

第六步：访问Node-RED

打开浏览器并访问 http://localhost:1880
你应该看到Node-RED流程编辑器界面
默认未配置身份验证（生产环境请启用管理员认证）

快速验证测试：

将一个”Inject”节点（从左侧面板）拖到工作区
将一个”Debug”节点拖到工作区
将Inject节点的输出连接到Debug节点的输入
点击”Deploy”按钮（右上角）
点击Inject节点左侧的按钮
检查Debug侧边栏（右侧面板）——你应该看到 timestamp 消息出现

第七步：访问Grafana

打开浏览器并访问 http://localhost:3000
使用用户名 admin 和密码 admin123 登录
Grafana会提示更改密码——演示目的请点击”Skip”

添加InfluxDB作为数据源：

进入 Connections → Data Sources → Add data source
搜索并选择”InfluxDB”
配置：
- Query Language：Flux
- URL：http://influxdb:8086（使用Docker服务名，不是localhost）
- Organization：iot-demo
- Token：（粘贴第五步获取的令牌）
- Default Bucket：sensor-data
点击”Save & Test”——你应该看到”Data source is working”的确认信息

第八步：测试MQTT通信

为验证MQTT Broker是否正常工作，使用MQTT命令行工具或MQTT Explorer。

使用mosquitto_pub/sub（命令行）

如果尚未安装MQTT客户端：

# macOS
brew install mosquitto

# Ubuntu/Debian
sudo apt-get install mosquitto-clients

在一个终端中订阅测试主题：

mosquitto_sub -h localhost -p 1883 -t "demo/test" -v

在另一个终端中发布测试消息：

mosquitto_pub -h localhost -p 1883 -t "demo/test" -m '{"message":"Hello IoT Demo","timestamp":1712345678}'

订阅者终端应显示：

demo/test {"message":"Hello IoT Demo","timestamp":1712345678}

使用MQTT Explorer（图形界面）

MQTT Explorer 是一款免费的桌面应用程序，提供可视化界面：

下载并安装MQTT Explorer
创建新连接：
- Host：localhost
- Port：1883
- 无需用户名/密码（匿名）
点击”Connect”
当数据流经Broker时，你将看到所有主题的实时视图
你也可以直接从界面发布测试消息

第九步：在Node-RED中模拟传感器数据

为演示没有物理硬件的数据管道，在Node-RED中创建模拟传感器流程：

在Node-RED中，点击标签名称旁的”+“创建新流程
添加以下节点：
- Inject节点（配置为每10秒重复一次）
- Function节点（生成随机传感器值）
- MQTT Out节点（发布到Broker）

配置 Inject 节点：

Payload：timestamp
Repeat：interval，每 10 秒
Name：Every 10s

使用以下JavaScript代码配置 Function 节点：

// 生成模拟ESP32的随机传感器数据
const sensorData = {
    device_id: "esp32_sim_01",
    temperature: Math.round((20 + Math.random() * 15) * 10) / 10,  // 20-35°C
    humidity: Math.round((40 + Math.random() * 40) * 10) / 10,     // 40-80%
    light: Math.round(Math.random() * 1000),                       // 0-1000 lux
    battery: Math.round((80 + Math.random() * 20) * 10) / 10,      // 80-100%
    timestamp: Date.now()
};

msg.payload = sensorData;
msg.topic = "factory/zone1/environment";
return msg;

配置 MQTT Out 节点：

Server：localhost:1883（或使用Mosquitto Broker节点）
Topic：factory/zone1/environment
QoS：1
Name：Publish Sensor Data

连接：Inject → Function → MQTT Out

部署流程。你应该会在MQTT Explorer中看到数据出现在 factory/zone1/environment 主题下。

第十步：将模拟数据写入InfluxDB

要完成数据管道，添加InfluxDB存储：

安装InfluxDB节点面板：
- 点击汉堡菜单（右上角）→ Manage palette
- 进入”Install”标签
- 搜索 node-red-contrib-influxdb 并安装
在流程中添加一个 InfluxDB Out 节点
配置InfluxDB节点：
- Server：创建新的InfluxDB服务器配置
- URL：http://influxdb:8086
- Token：（粘贴第五步获取的InfluxDB API令牌）
- Organization：iot-demo
- Bucket：sensor-data
连线：MQTT In → Function → InfluxDB Out

完整的极简流程现在看起来如下：

Inject (10s) → Function (生成数据) → MQTT Out (发布)
                                         ↓
                                   MQTT In (订阅) → InfluxDB Out (存储)

验证检查清单

完成所有步骤后，验证每个组件：

Docker：所有4个容器都在运行（docker compose ps）
Mosquitto：MQTT Broker接受1883端口的连接（mosquitto_sub test）
Node-RED：流程编辑器可在 http://localhost:1880 访问
InfluxDB：Web UI可在 http://localhost:8086 访问，sensor-data Bucket存在
Grafana：可在 http://localhost:3000 登录，InfluxDB数据源已配置
数据管道：模拟传感器数据从Inject → InfluxDB（在InfluxDB Data Explorer中可见）

停止与清理

停止演示环境：

cd ~/iot-demo
docker compose down

停止并删除所有数据（全新开始）：

cd ~/iot-demo
docker compose down -v
rm -rf mosquitto/data mosquitto/log nodered/data influxdb/data grafana/data

故障排除

容器启动失败

症状：docker compose up -d 返回一个或多个容器的退出代码。

检查日志：

docker compose logs <service-name>

常见原因：端口已被占用。

# 检查哪个进程使用了1883端口
lsof -i :1883
# 停止冲突服务或在docker-compose.yml中更改端口映射

无法连接到MQTT Broker

症状：mosquitto_sub 返回”Connection refused”。

验证Broker是否在运行：

docker compose ps mosquitto

检查Mosquitto日志：

docker compose logs mosquitto

尝试使用详细输出连接：

mosquitto_sub -h localhost -p 1883 -t "test" -d

Node-RED无法访问InfluxDB

症状：InfluxDB Out节点显示”Connection error”。

确保两者在同一Docker网络上——Docker Compose自动为所有服务创建网络，因此在InfluxDB节点配置中使用服务名 influxdb（而不是 localhost）可解决此问题。

Grafana面板显示”No data”

症状：仪表板面板显示”No data”或”Query error”。

检查：

InfluxDB数据源是否配置了正确的URL？使用 http://influxdb:8086（而不是 localhost）。
令牌是否正确？（使用 docker exec influxdb influx auth list 获取）
Bucket中是否有数据点？在InfluxDB Data Explorer中检查。
查询是否使用了正确的Bucket名称？默认为 sensor-data。

演示环境硬件套件（可选）

如需完整的物理硬件演示体验，推荐以下组件：

组件	推荐型号	约价	搜索词
ESP32板	ESP32 DevKit V1	$5-8	”ESP32 WiFi Bluetooth Development Board”
温度传感器	DHT22	$3-5	”DHT22 Temperature Humidity Sensor Module”
光照传感器	BH1750	$2-4	”BH1750 Light Intensity Sensor Module GY-302”
继电器模块	2路5V继电器	$3-6	”5V 2-Channel Relay Module Optocoupler”
面包板+导线	830孔面包板	$5-8	”Breadboard 830 Points + 65 Jumper Wires”
USB线	USB-A转Micro-USB	$2-4	”USB to Micro USB Data Cable for ESP32”
总计		$20-35

此硬件套件可演示：

温度和湿度监控（DHT22 → ESP32 → MQTT → Grafana）
基于光照的自动化（BH1750 → ESP32 → MQTT → 继电器控制）
简单开/关控制（Node-RED → MQTT → ESP32 → 继电器 → LED）

总结

本节提供了完整、可重复的物联网演示环境设置：

部署了一个4服务的Docker技术栈（Mosquitto、Node-RED、InfluxDB、Grafana）
为演示用途配置了每个服务的适当设置
使用CLI工具和MQTT Explorer验证了MQTT通信
创建了从Node-RED到InfluxDB的模拟传感器数据管道
为客户演示准备好环境

整个设置过程只需不到10分钟，且仅需宿主机上的Docker。此环境将贯穿整个培训，支持基于项目的章节（第02-05章、第10-14章）。