基于Netty的智能抄表系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：基于Netty的智能抄表系統(tǒng)是一種具有高效、安全和可靠特性的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。針對傳統(tǒng)抄表系統(tǒng)存在的問題，如數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、信息安全性差等，利用Netty網(wǎng)絡(luò)框架實現(xiàn)一套智能抄表系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、實時傳輸、數(shù)據(jù)處理等功能。通過對實驗結(jié)果的評估和分析，證明了該系統(tǒng)具有高效、安全和可靠特性，可以有效提高工作效率，在智能抄表系統(tǒng)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：智能抄表系統(tǒng)；Netty；Q/GDW 1376.1協(xié)議；協(xié)議解析；物聯(lián)網(wǎng)；電表

中圖分類號：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.035

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能抄表系統(tǒng)已成為現(xiàn)代城市建設(shè)必不可少的一部分。傳統(tǒng)的抄表系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸?shù)确矫娲嬖诙喾N問題，如數(shù)據(jù)易丟失、傳輸不穩(wěn)定、信息安全性差等，嚴(yán)重制約了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展。因此，利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信協(xié)議，改進(jìn)抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式和傳輸方式，提高其安全性、可靠性和可擴展性，勢在

必行[1-3]。

Netty是一款基于Java NIO（Non-blocking IO）實現(xiàn)的高性能、異步事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架，具有良好的可擴展性和穩(wěn)定性，能夠有效地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信[4-5]。本文以Netty框架為基礎(chǔ)，針對傳統(tǒng)抄表系統(tǒng)的問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一套智能抄表系統(tǒng)，具有高效、安全和可靠特性。該系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實現(xiàn)抄表數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和實時監(jiān)測，并采用分布式結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和多線程技術(shù)等來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。

1 Netty框架介紹

Netty框架的主要特點是：高性能、異步、事件驅(qū)動、易擴展、可重用。它能夠輕松地實現(xiàn)各種TCP、UDP、HTTP協(xié)議，同時具有良好的拓展性和可重用性[6-7]。下面介紹其基本原理和實現(xiàn)技術(shù)。

1.1 非阻塞I/O模型

Netty框架采用基于NIO的非阻塞I/O模型，使用Java的原生Selector機制實現(xiàn)了事件驅(qū)動方式的I/O操作。這種模型可以實現(xiàn)高效的資源利用，降低服務(wù)器負(fù)載，提升系統(tǒng)的吞吐量。

1.2 多線程并發(fā)處理

Netty框架可以通過線程池的方式輕松地實現(xiàn)多線程并發(fā)處理。通常情況下，一個Netty應(yīng)用程序會被分為若干Handler鏈路和若干EventLoop線程，每個EventLoop線程處理若干個Handler請求，從而實現(xiàn)了多個請求的同時

處理。

1.3 Channel技術(shù)

Netty框架采用Channel技術(shù)來處理底層的Transport，可以通過ChannelHandler對網(wǎng)絡(luò)事件和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且支持多個Channel注冊到一個EventLoop上，以實現(xiàn)同一個EventLoop可以處理多個Channel的請求。

1.4 Codec技術(shù)

Netty框架的Codec技術(shù)主要包括Encoder和Decoder兩個部分。Encoder是將業(yè)務(wù)消息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸；Decoder則將網(wǎng)絡(luò)接收到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)反序列化為應(yīng)用程序能夠處理的業(yè)務(wù)消息。

除了上述優(yōu)勢，Netty框架還有以下特點：并發(fā)能力高、安全性高、容錯能力強、自身網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能力強，支持千萬級連接和管理、多種數(shù)據(jù)傳輸方式。Netty框架能夠較好地滿足智能抄表系統(tǒng)的通信需求[8-9]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計與實現(xiàn)

本文研究的智能抄表系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示，硬件部分包括電表、集中器，軟件部分包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、應(yīng)用界面4個模塊。通過集中器實現(xiàn)對電表電能信息的采集與管理，并由軟件部分實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解析、處理和可視化。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中數(shù)據(jù)的讀取和組織，并將其轉(zhuǎn)化為能夠在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)。該模塊采用Netty框架的非阻塞I/O模型和Channel技術(shù)，自定義ChannelHandler實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集任務(wù)，將JSON格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字節(jié)數(shù)組，并使用MD5算法進(jìn)行加密。由于該算法具有很好的數(shù)據(jù)密度，因此可以有效保證數(shù)據(jù)的安全性。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和處理，并保證在網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境不穩(wěn)定的情況下，數(shù)據(jù)能夠可靠地到達(dá)服務(wù)器。該模塊使用Netty框架的多線程并發(fā)處理技術(shù)，在TCP協(xié)議的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸和重傳機制，保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和實時性。同時，在傳輸?shù)倪^程中，還采用自定義ChannelPipeline來聚合不同階段的通道處理器，避免了系統(tǒng)資源的浪費。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)對服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、解密和解析操作，并將其轉(zhuǎn)換為可存儲的格式。該模塊使用Netty框架的Codec技術(shù)和異步線程池，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速處理和存儲，保證了數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。同時，該模塊還實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的多重校驗機制，包括CRC、MD5、RSA等多種算法，以確保數(shù)據(jù)的完整性和正確性。

2.4 應(yīng)用界面

應(yīng)用界面是智能抄表系統(tǒng)重要的管理和控制入口，用戶能夠通過應(yīng)用界面遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。該界面采用了最新的Web技術(shù)和響應(yīng)式設(shè)計，具有美觀、直觀的特點。同時，該界面還實現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化和遠(yuǎn)程控制，用戶能夠?qū)崟r查看抄表數(shù)據(jù)和對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

3 協(xié)議解析及編碼

3.1 上行協(xié)議解析

智能抄表系統(tǒng)的上行協(xié)議是指系統(tǒng)從集中器上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)格式和規(guī)范。本文基于Netty實現(xiàn)了DL/T 645—2007和Q/GDW 1376.1—2013協(xié)議的解析，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸[10]。其中，Q/GDW 1376.1協(xié)議是國內(nèi)電力行業(yè)用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信協(xié)議，其主要由幀頭、幀尾、數(shù)據(jù)域等組成，具體格式如下：

|幀頭|地址|功能碼|數(shù)據(jù)|數(shù)據(jù)長度|CRC|幀尾|

其中：幀頭和幀尾為固定數(shù)據(jù)；地址用于識別集中器；功能碼表示數(shù)據(jù)類型；數(shù)據(jù)長度表示數(shù)據(jù)域的長度；CRC用于校驗數(shù)據(jù)的完整性。

Netty提供了多種解碼器和編碼器，能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的解析和編碼。在Q/GDW 1376.1協(xié)議的解析中，可以使用Netty提供的ByteToMessageDecoder，它主要用于對字節(jié)流進(jìn)行解碼，同時還可以方便地進(jìn)行半包和粘包處理。協(xié)議解析的總體流程如圖2所示。

通過將Q/GDW 1376.1協(xié)議報文進(jìn)行預(yù)解析，分解出幀頭、數(shù)據(jù)字段和幀尾，并核對校驗碼的正確性；然后，根據(jù)數(shù)據(jù)字段中的功能碼進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，以分流到不同的數(shù)據(jù)控制器類進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)控制器根據(jù)不同的幀序列號將信息發(fā)給RabbitMQ，相應(yīng)的功能實現(xiàn)類在監(jiān)聽到消息后開始解析，最終實現(xiàn)消息解析保存。

Q/GDW 1376.1—2013協(xié)議格式如圖3所示。針對該協(xié)議格式，本文采用Netty框架進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和處理。具體實現(xiàn)過程如下：首先，將收到的數(shù)據(jù)放入緩存區(qū)中，使用自定義的字符解碼器將字節(jié)流解析為字符串。其次，根據(jù)字符串中的協(xié)議格式進(jìn)行解析，得到幀頭、地址、功能碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)、CRC和幀尾等數(shù)據(jù)。接著，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密和反序列化，將其轉(zhuǎn)化為計量數(shù)據(jù)。然后，將計量數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，并記錄到日志中。最后，返回應(yīng)答結(jié)果，表示數(shù)據(jù)處理

完成。

3.2 下行命令編碼

智能抄表系統(tǒng)的下行命令是指服務(wù)器向計量設(shè)備發(fā)送的控制指令，其主要包括讀取數(shù)據(jù)、修改參數(shù)、校時等功能。本文采用Netty框架將下行命令轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并通過TCP連接發(fā)送給集中器。下行命令拉閘通信流程如圖4

所示。

首先，構(gòu)造下行命令對象，設(shè)置地址、功能碼、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)等屬性。其次，將下行命令對象轉(zhuǎn)換為字節(jié)流，使用自定義的字符編碼器將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)。最后，發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)給集中器，等待響應(yīng)。

Web端下發(fā)拉閘命令，緩存讀寫接口單元負(fù)責(zé)將命令放入指令緩存單元。拉閘線程掃描到拉閘命令緩存后，集中器通信代理對象執(zhí)行指令拉取，通過封裝拉閘報文后下發(fā)拉閘命令給集中器，并清除拉閘緩存。集中器收到命令后，給電表下發(fā)拉閘指令并上報拉閘結(jié)果。結(jié)果報文經(jīng)過路由服務(wù)解析，提取數(shù)據(jù)后發(fā)消息給消息服務(wù)的業(yè)務(wù)操作結(jié)果隊列。業(yè)務(wù)服務(wù)消息監(jiān)聽線程監(jiān)聽到拉閘隊列消息，根據(jù)路由鍵轉(zhuǎn)發(fā)到拉閘消息處理類，最后對數(shù)據(jù)報文進(jìn)行解析，得到拉閘成功與否的結(jié)果并保存至數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)果與分析

本系統(tǒng)以某園區(qū)宿舍樓宇為例，共安裝25個集中器，500個電表。通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、實時傳輸和數(shù)據(jù)處理功能，準(zhǔn)確地獲取到每個電表的用電數(shù)據(jù)，包括累計電量、充值次數(shù)、剩余金額、電價、透支金額等?，F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)見表1所列。

實驗結(jié)果顯示，基于Netty的智能抄表系統(tǒng)具有較快的數(shù)據(jù)傳輸速度和相對較低的響應(yīng)時間，能夠滿足大規(guī)模電表數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)男枨蟆?/p>

在系統(tǒng)運行過程中，通過對比實際用電情況和抄表系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，證明系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地獲取電表讀數(shù)，并實時傳輸?shù)椒?wù)器，避免了傳統(tǒng)抄表系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的

問題。

此外，通過使用MD5算法對數(shù)據(jù)加密，并使用權(quán)限控制機制限制對系統(tǒng)的訪問，確保了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠有效地保護電表數(shù)據(jù)不被未經(jīng)授權(quán)的訪問者獲取。

5 結(jié) 語

本文介紹了一種基于Netty的智能抄表系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，針對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用界面4個方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過對Q/GDW 1376.1協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，為基于Netty的智能抄表系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了有力保障。最后，通過實驗驗證，本文的智能抄表系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠、安全的特點。未來，基于Netty的智能抄表系統(tǒng)將在城市能源管理、精細(xì)化管理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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收稿日期：2023-09-27 修回日期：2023-10-26

作者簡介：范利良（1989—），男，碩士，工程師，研究方向為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與自動化控制。

高 平（1980—），男，碩士，高級工程師，研究方向為低壓電器智能配電技術(shù)。