基于微服務(wù)技術(shù)的安全用電管理平臺設(shè)計

陳熙 胡威

摘? 要：隨著社會用電需求的不斷增加，用電安全隱患越發(fā)明顯，用電安全已成為當今亟需深入探索并加以解決的重大課題。以減少電氣火災(zāi)事故為總體設(shè)計目標，對RPC通信、指標數(shù)據(jù)解析與推送等進行了研究，設(shè)計了包含基于微服務(wù)的RPC通信、數(shù)據(jù)解析與實時監(jiān)控、統(tǒng)計分析等功能，具有接口通信穩(wěn)定、QPS高、支持接入多終端等特點的安全用電管理平臺。

關(guān)鍵詞：用電安全；遠程監(jiān)控；SpringCloud；Apollo；Undertow

中圖分類號：TP311? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）05-0017-04

Design of Safe Electricity Management Platform Based on Micro-Service Technology

CHEN Xi， HU Wei

（Hunan Provincial Corps of the Chinese People's Armed Police Force， Changsha? 422000， China）

Abstract： With the increasing demand for electricity in the society， the hidden danger of electricity safety is becoming more and more obvious， and electricity safety has become a major issue that needs to be explored in depth and solved. Taking reducing electrical fire accidents as the overall design goal， RPC communication， index data analysis and push are studied， and a safe electricity management platform is designed， which includes RPC communication based on micro-service， data analysis and real-time monitoring， statistical analysis and other functions， and has the characteristics of stable interface communication， high QPS， and supporting access to multiple terminals.

Keywords： safe electricity; remote monitoring; SpringCloud; Apollo; Undertow

0? 引? 言

隨著社會發(fā)展，國家越來越重視用電安全。近年來，我們國家出臺了一系列電氣安全法律法規(guī)和標準，隨著2017年中華人民共和國公安部關(guān)于全面推進“智慧消防”建設(shè)指導(dǎo)意見的出臺[1，2]，電氣火災(zāi)綜合治理已成為國家應(yīng)急救援部門重要工作，擺在了更加突出的位置。

隨著我國電氣化的不斷發(fā)展，家用電器和工業(yè)電器設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用，社會基礎(chǔ)服務(wù)不斷提升給社會發(fā)展帶來極大的便利的同時，由于用電設(shè)備缺陷、用電安全知識匱乏、管理不到位等問題，電力也給社會帶來了諸多安全隱患及災(zāi)害事故[3]。用電安全事故危機人民生命財產(chǎn)安全，影響社會安全穩(wěn)定，用電安全已成為各個行業(yè)的難點痛點，受到了國家和社會各界的廣泛關(guān)注。

在實際生活生產(chǎn)中，用電安全事故大多發(fā)生在使用端。因電器老化、線路損壞、操作不當以及管理疏漏等因素，引發(fā)的安全生產(chǎn)事故不計其數(shù)[4，5]。本文將以企業(yè)管理部門和用戶需求為牽引，構(gòu)建用電安全遠程管理服務(wù)系統(tǒng)，為用戶提供用電數(shù)據(jù)的云存儲及實時監(jiān)控服務(wù)。當用電數(shù)據(jù)異常時，服務(wù)系統(tǒng)將第一時間以短信、微信、警鈴等方式進行預(yù)警，及時有效地避免用電安全事故發(fā)生，有效減少企業(yè)和個人的生命財產(chǎn)損失，將用電安全事故控制在萌芽狀態(tài)。

1? 需求分析

本平臺采用了“物聯(lián)網(wǎng)”和“電氣安全”兩項關(guān)鍵技術(shù)，將電氣安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)終端，通過PC端或手機微信對監(jiān)管的用電設(shè)備進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)備管理、設(shè)備控制、故障異常報警、消息實時推送等。通過本平臺，用戶可以實時獲知設(shè)備用電狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)用電異常及故障，客戶在降低人力、物力和資金成本的同時，還可以提升企業(yè)安全運行效率，以最優(yōu)成本，實現(xiàn)智慧安全用電目標。

平臺通過前后端分離技術(shù)，將用戶PC端、管理員后臺、移動端等前端展示應(yīng)用與后端接口進行分離。通過SpringCloud技術(shù)將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、客戶數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)上報與推送、管理員后臺等設(shè)計成不同的應(yīng)用，所有應(yīng)用都歸口到Apollo配置中心進行管理，各應(yīng)用之間通過輕量級客戶端框架Feign請求進行調(diào)用。

2? 關(guān)鍵技術(shù)

本平臺服務(wù)器端通過SpringCloud+Apollo+Undertow整合框架實現(xiàn)，SpringCloud中以SpringBoot為核心實現(xiàn)微服務(wù)，Apollo配置中心進行分布式配置管理，API請求通過Nginx進行代理，GateWay進行轉(zhuǎn)發(fā)，Undertow作為Web服務(wù)器容器運行各類應(yīng)用，通過微服務(wù)集群技術(shù)有效保證了7×24小時不間斷運行的需求。

2.1? SpringClude

服務(wù)端基于Spring Boot和Spring Cloud部分組件開發(fā)，無需額外安裝Undertow、Tomcat等應(yīng)用容器即可運行。Spring Cloud 是一套完整的微服務(wù)解決方案，基于 Spring Boot 框架，利用其開發(fā)便利性，巧妙地簡化了分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)，如服務(wù)發(fā)現(xiàn)注冊、配置中心、消息總線、負載均衡、斷路器、數(shù)據(jù)監(jiān)控等，對多個模塊進行集成和封裝，減少各模塊的開發(fā)成本，實現(xiàn)一鍵啟動和部署。

2.2? Apollo配置中心

為了解決傳統(tǒng)方式配置文件寫在應(yīng)用程序中而帶來的，每次修改配置都需要修改每臺（可能是上百臺服務(wù)器）應(yīng)用的配置，而造成的可維護性，擴展性極低的問題，本平臺構(gòu)建微服務(wù)環(huán)境時采用了Apollo配置中心。Apollo是攜程提供的一個可靠的分布式配置管理中心，能夠集中化管理應(yīng)用不同環(huán)境、不同集群的配置，配置修改后能夠?qū)崟r推送到應(yīng)用端，并且具備規(guī)范的權(quán)限、流程治理等特性，適用于微服務(wù)配置管理場景[6，7]。Apollo相比于SpringCloudConfig和 Nacos，可以支持灰度發(fā)布和權(quán)限管理，它實現(xiàn)了對配置權(quán)限的有效治理，由于配置能改變程序的行為，不正確的配置甚至能引起災(zāi)難性的后果，所以對配置的修改必須有比較完善的權(quán)限控制。

2.3? Undertow

本系統(tǒng)運行平臺采用Red Hat的開源產(chǎn)品Undertow作為Http服務(wù)器，采用Java語言開發(fā)，提供包括阻塞和基于NIO的非堵塞機制，是一款靈活的高性能Web服務(wù)器。Undertow支持開箱即用的 HTTP/2，并提供對 Servlet 4.0、嵌入式 servlet等的全面支持，具有可嵌入、靈活的特點。在高并發(fā)業(yè)務(wù)場景中，Undertow性能優(yōu)于Tomcat，當安全用電遠程監(jiān)控終端越來越多，形成高并發(fā)請求時，本系統(tǒng)性能將得到很大的提升。

3? 設(shè)計與實現(xiàn)

本平臺將運用通信技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電氣安全技術(shù)將電氣指標數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)端，實現(xiàn)系統(tǒng)主動推送故障異常報警信息和實時指標數(shù)據(jù)功能，用戶還可以通過PC端或手機微信平臺進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)備管理、設(shè)備控制等。對基于異步推送機制的實時監(jiān)控、設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)器接口設(shè)計、功能權(quán)限安全管理機制的設(shè)計、微信公眾號功能的設(shè)計等進行重點研究。在整體的設(shè)計架構(gòu)下，結(jié)合業(yè)務(wù)需求與平臺特點，平臺設(shè)計時將遵循實用性、開放性、擴展性、可維護性及操作的便捷性原則進行設(shè)計。

3.1? 系統(tǒng)架構(gòu)

平臺通過采用NIO的Netty框架實現(xiàn)消息異步推送機制，有效實現(xiàn)電氣數(shù)據(jù)實時上傳、電氣數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、異常數(shù)據(jù)實時報警等系統(tǒng)安全機制，并避免了輪詢所帶來的資源浪費問題。通過負載均衡實現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)器的故障容災(zāi)，當一個服務(wù)器無法訪問時，另一個服務(wù)器將自動接管應(yīng)用服務(wù)，保證了應(yīng)用24小時不間斷的正常訪問。平臺架構(gòu)圖如圖1所示。

3.2? 業(yè)務(wù)流程

安全用電管理平臺的主要業(yè)務(wù)分為五個流程：（1）硬件設(shè)計對安全用電數(shù)據(jù)進行檢測；（2）數(shù)據(jù)采用終端將檢測到的指標數(shù)據(jù)進行采集將上傳到服務(wù)器；（3）服務(wù)器接收分析數(shù)據(jù)；（4）對數(shù)據(jù)進行分析與管理，為不同的應(yīng)用提供持久化的數(shù)據(jù)；（5）為不同角色的用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

3.3? 數(shù)據(jù)接口參數(shù)

其中硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與發(fā)送部分由項目合作公司提供，本平臺提供數(shù)據(jù)上傳接口，接口調(diào)用需通過RPC技術(shù)進行實現(xiàn)，如設(shè)備維護接口參數(shù)說明如表1所示。

服務(wù)器RPC接口收到終端上傳的電氣數(shù)據(jù)后，通過校驗數(shù)據(jù)完整性、判斷設(shè)備類型、匹配解析協(xié)議、調(diào)用數(shù)據(jù)分析程序、數(shù)據(jù)持久化等一系列步驟后，對電器數(shù)據(jù)進行預(yù)警判斷和信息推送，服務(wù)器處理數(shù)據(jù)時序如圖3所示。用戶可以通過瀏覽、檢索、監(jiān)控、分析等前端操作獲取安全用電數(shù)據(jù)管理平臺提供的服務(wù)。

3.4? 功能實現(xiàn)

以數(shù)據(jù)監(jiān)控與預(yù)警數(shù)據(jù)推送為例闡述該功能的實現(xiàn)過程。該功能采用基于非阻塞I/O（NIO）模式的異步網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架Netty進行實現(xiàn)。它是一款異步的事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架和工具。Netty提供異步的、事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序框架和工具，用于快速開發(fā)可維護的高性能、高擴展性協(xié)議服務(wù)器和客戶端。通過基于異步推送機制的實時監(jiān)控策略，實現(xiàn)了對用電設(shè)備數(shù)據(jù)報送和無人值守時的有效監(jiān)控。

Netty實現(xiàn)異步推送機制實現(xiàn)原理如下：首先創(chuàng)建ServerSocketHcannel類，在此Class中將其配置為非阻塞模式，綁定監(jiān)聽，配置TCP參數(shù)，通過使用一個獨立的I/O線程和輪詢多路復(fù)用器Selector，啟動I/O線程，再循環(huán)體中執(zhí)行Selector.select（）方法，最后將SocketChane注冊到Selector中，監(jiān)聽OP_READ和IP_WRITE操作位來執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)包和發(fā)送數(shù)據(jù)包操作。

服務(wù)器接收設(shè)備請求RPC接口傳輸來的二進制流數(shù)據(jù)后，先解析二進制數(shù)據(jù)，再按協(xié)議分析該數(shù)據(jù)包應(yīng)對的指標值，并對比該設(shè)備的閾值范圍，判斷數(shù)據(jù)是否異常。當數(shù)據(jù)正常時，直接推送到當前正在監(jiān)控的頁面進行展示；當數(shù)據(jù)異常時，分別向當前登錄到系統(tǒng)且有權(quán)限查看該設(shè)備的用戶及其移動端推送異常報警數(shù)據(jù)。

用戶登錄到系統(tǒng)時，將與系統(tǒng)服務(wù)器建立WebSocket長連接，該連接通過心跳保持在線，當設(shè)備數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器后，服務(wù)器會立即將數(shù)據(jù)通過Netty連接推送到客戶終端進行呈現(xiàn)或預(yù)警。其中消息推送功能的業(yè)務(wù)流程如下：

（1）平臺接收設(shè)備通過RPC接口發(fā)送的數(shù)據(jù)；

（2）平臺解析數(shù)據(jù)，分析出該數(shù)據(jù)包對應(yīng)設(shè)備ID和各數(shù)據(jù)項應(yīng)對的值；

（3）匹配相應(yīng)協(xié)議，根據(jù)閾值范圍判斷數(shù)據(jù)是否異常；

（4）當數(shù)據(jù)正常時，則直接推送到當前正在監(jiān)控的頁面進行展示；

（5）當數(shù)據(jù)異常時，向擁有相應(yīng)權(quán)限且在線的用戶及其移動端推送異常報警數(shù)據(jù)。

推送流程圖如圖4所示。

3.5? 平臺展示

本文實現(xiàn)的系統(tǒng)運用了物聯(lián)網(wǎng)、電氣安全、微服務(wù)等技術(shù)，將電氣安全數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)椒?wù)端，用戶和管理員都可能通過PC端或手機微信進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)備管理、設(shè)備控制、故障異常報警、消息實時推送、統(tǒng)計分析與數(shù)據(jù)可視化等。通過本平臺，用戶可以實時監(jiān)控用電設(shè)備狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)用電異常及設(shè)備故障，切實有效地避免電氣火災(zāi)隱患，在降低家庭、企業(yè)、公用服務(wù)設(shè)施等投入成本和人力資源的同時，可以提升企業(yè)安全運行效率，以最優(yōu)成本實現(xiàn)社會智慧安全用電管理。圖5為安全用電設(shè)備數(shù)據(jù)檢測實時監(jiān)控界面。

4? 測? 試

在某公司的安全用電設(shè)備為基礎(chǔ)條件，準確獲取用電數(shù)據(jù)和實時預(yù)警異常狀態(tài)，以實現(xiàn)減少發(fā)生電氣火災(zāi)的總體設(shè)計目標，對RPC通信傳輸用電指標數(shù)據(jù)、用電指標數(shù)據(jù)包解析與指標推送服務(wù)等進行了研究，在此基礎(chǔ)上研發(fā)了基于微服務(wù)的安全用電管理平臺，系統(tǒng)采用B/S框架開發(fā)，服務(wù)端采用SpringCloud+Apollo+Undertow的整合框架進行構(gòu)建，實現(xiàn)了包括RPC服務(wù)接口、數(shù)據(jù)解析與實時監(jiān)控、統(tǒng)計分析等功能，具有接口通信穩(wěn)定、QPS高、支持接入終端數(shù)量多等特點的平臺。

平臺在實環(huán)境中進行測試，硬件部份在真實環(huán)境中安裝了200多個GPRS模塊節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，服務(wù)器部份申請了阿里云輕量級應(yīng)用服務(wù)器作為云平臺測試服務(wù)器，服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)帶寬為5 M，系統(tǒng)安裝Windows Server 2012 R2操作系統(tǒng)，MySQL 5.1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，微信公眾號對接企業(yè)申請的公眾號進行測試。系統(tǒng)測試的基本要求如表2所示。

平臺在兩臺4核8 GB集群部署，通過Apache Jmeter工具進行測試可知，至少可以支持2萬臺用電終端設(shè)備同時鏈接，數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定，服務(wù)器運行正常。運行數(shù)據(jù)與實際情況表明，研究的平臺可以滿足企業(yè)的實際需求，能夠有效提高用電部門和用戶的電能安全科學管理水平，減少安全事故的發(fā)生。

5? 結(jié)? 論

平臺以社會用電安全設(shè)備管理與監(jiān)控為導(dǎo)向，通過接收遠程數(shù)據(jù)采集終端所傳輸?shù)碾姎鈹?shù)據(jù)，形成直觀的展示界面，并通過分析設(shè)定的安全閾值，預(yù)警線路異常狀態(tài)，真正將用電安全工作提高到不受地域、不受時間的限制，切實提高用電安全科學管理水平，實現(xiàn)用戶對用電安全真正意義上的遠程監(jiān)控與安全管理。

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作者簡介：陳熙（1985—），男，漢族，湖南長沙人，本科，助理工程師，研究方向：通信工程、集成電路工程；通訊作者：胡威（1985—），男，漢族，湖南常德人，碩士，助理工程師，研究方向：軟件系統(tǒng)與技術(shù)、信息可視化。

收稿日期：2022-10-22