基于Netty的城市智慧路燈管理系統

楊揚 田茂 高士木 羅銳

摘 要：路燈系統是城市重要的基礎設施，隨著我國城市化建設的持續推進，城市照明規模越來越大，但落后的管控技術與其形成了鮮明對比，主要表現在路燈耗電量高、運維復雜、信息化程度低等。傳統路燈系統已不能滿足現代城市的發展要求，城市路燈系統迫切需要互聯網技術對其改造升級。Netty智慧路燈系統運用GPRS無線通信技術、Netty通信框架、自定義通信協議、MySQL與SpringMVC等，設計并實現了滿足現代城市要求的智慧路燈系統。

關鍵詞：Netty；路燈控制；管理平臺；數據通信

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

城市照明系統在營造城市宜居環境，為人們提供生活便利的同時，也消耗著大量的電力能源。據統計，城市路燈照明占照明耗電的30%左右。例如，一個縣有路燈1 200多盞，年用電約300萬kW·h，以平均電價0.65元/kW·h計算，一年僅市政路燈照明開支已超過200萬元。由于技術原因，以往路燈照明不能根據電網波動、照度需求以及照明時段等情況進行實時調整，粗放式照明、過度照明情況普遍，電能浪費現象十分嚴重。若城市路燈照明節能每提高1個百分點，則將節省用電費用5億～6億元，市場前景廣闊。

目前，智慧路燈發展迅速，需求與日俱增，智慧路燈的數量會越來越多。規模擴增會對技術實現、日常使用和管理提出更高要求，其中，對網絡通信技術的選擇尤其重要，不僅要具備安全性、穩定性、實時性，還要擁有處理高并發通信的能力，能夠同時管理更多路燈。國內智慧路燈系統中的通信服務端一般采用傳統Socket，雖然開發簡單，但不能滿足現代智慧路燈的需求，所以本文提出了一種基于Netty的智慧路燈管理系統。根據業務流程和實際工作需要，設計高性能數據交互系統，B/S端實現在線查詢、集中控制器/單燈控制器/燈具設備遠程管控；利用Echarts等流行工具實現數據可視化功能；依據智慧路燈業務需求，設計比較完善的系統安全架構；充分利用手機開發技術，研發APP版智慧路燈云平臺。基于這些設計與規范完成系統的設計、研發、部署和推廣工作。

1 系統需求分析

智慧路燈云平臺立足于城市照明系統市場，通過智能化的解決方案提高其工作效率，節約電能，實現效益最大化。智慧路燈云平臺通過產品服務的方式全方位多渠道支撐城市照明系統，產品覆蓋系統運行監控、故障告警、綜合數據分析和業務報表等支持生產運維全景業務，為了增加運維便捷性，產品支持移動應用，能隨時隨地查看業務，實現的目標包括以下幾方面：

（1）建設智慧路燈管理控制統一的云平臺。

（2）整合各類監測數據，實現對不同人員的差異化服務。

（3）實時對各區域路燈進行智能化管理。

（4）確保實現數據回傳，進行統一管理維護。

（5）獲取系統賬號，分不同權限查看平臺運行情況。

（6）便于查看設備運行情況，包括故障、告警等信息，通過各類分析圖表以及報表的方式向用戶展示系統運行情況并進行有效準確的評估。

（7）增強運維便捷性，產品支持移動應用，滿足隨時隨地查看業務的需要。

（8）報表分析便于管理層對系統獲利及運營情況進行相應的財務計劃和決策。

2 Netty簡介

Netty是由JBOSS推出的一個高性能、基于異步事件驅動的NIO框架，它提供了對多種主流協議的支持。作為一個異步NIO框架，Netty所有的I/O操作都是異步非阻塞模式的，用戶可以通過Future-Listener機制主動或者通過通知機制獲得I/O操作結果。

作為當前最流行的NIO框架之一，Netty 憑借自身優異的性能、靈活的可擴展性得到了業界廣泛的應用，越來越多的Java 高性能異步通信框架選擇使用Netty。Netty在互聯網領域、大數據分布式領域、通信行業、游戲行業等都獲得了廣泛的應用，很多業界著名的開源組件也基于Netty的NIO框架進行構建，在智慧路燈領域國內鮮有人應用。目前，Netty已經更新到5.0版本，本文設計使用此版本進行系統開發，按照Reactor模式設計和實現Netty架構。服務端的通信時序如圖1所示。

3 基于Netty的智慧路燈系統

系統基于集團級、企業級信息中心設計光伏電站信息化管理平臺，包含運營管理模塊和運維管理模塊：運營管理模塊用于領導層對電站整個運行過程進行全程把控，并以此為依據做出相應的決策；運維管理模塊用于運維人員對電站相關數據實施監控及進行與電站建設相關的日常辦公所需功能。此管理平臺是由功能型光伏電站向智能型光伏電站的轉變，更加具備可行性、可靠性，真正實現了光伏電站的一體化管理。

系統角色分為平臺管理員、公司級管理員、運維人員、倉庫管理員、車輛管理員和體驗者。平臺管理員可對“平臺管理員”和“公司級管理員”進行用戶添加、修改和刪除，并且能對該用戶角色進行權限分配；公司級管理員則可對其他四個角色進行用戶添加、修改和刪除，同時也可對相應的用戶角色進行權限分配。城市智慧路燈系統用例圖如圖2所示。

針對傳統照明監控系統存在的缺點，基于Netty的智慧路燈采用主流的、先進的技術，實現路燈可視化、遠程化、自動化管理。本系統主要包括三個部分，分別是PC端B/S云平臺系統、手機APP以及高并發通信系統。PC端B/S云平臺系統是為公司管理層及運維人員實時監控城市照明系統運行狀況及節能財務分析情況而設計的，包含與系統相關的日常辦公所需功能和故障告警信息處理等基本功能；手機APP平臺順應互聯網移動辦公趨勢，便于實時管控智慧路燈系統；高并發通信系統主要解決和前端集中控制器的通信及后臺數據的交互，保證多路數據同時回傳，保證數據準確安全。此智慧路燈云平臺實現了智能管控，具備可行性、可靠性，真正實現了城市路燈系統管控一體化。系統整體框圖如圖3所示。

（1）系統采用GPRS與本地無線通信進行無縫對接，免布線，安裝簡單，集中控制器擁有多個可選擴展配置。

（2）集中控制器帶有獨立的μC/OS II操作系統，針對工業級32位Cortex-M3處理器和現場情況進行系統定制和優化，可脫離監控中心獨立執行命令以及數據保存，斷電時數據不丟失，系統時間仍然能夠精保證準走時。

（3）系統設備設計兼容IEEE 802.15.4 （ZigBee）等國際標準，并且提供了與其他工控標準（如Modbus等）通信的接口，可為二次開發、產品升級開放接口。系統采用分布式結構，網絡內任一控制器發生故障都不會影響系統運行。

（4）針對通信系統高并發、數據安全等業界指標，采用技術先進的Netty框架，針對設備量身定制通信協議。系統實時性好，實時檢測硬件設備狀態，快速響應云平臺指令；系統安全性高，傳輸加密，校驗完整性，數據傳輸安全、快速、可靠；系統可擴展性高，可根據后期系列設備數據擴展協議，也可根據其他設備協議收發數據。

（5）云平臺智能控制系統采用主流Java語言，深度優化的MySQL數據庫，SpringMVC+Hibernate后臺框架，頁面反應速度快，實時性高，穩定性好，功能全面。

（6）系統用途多元化。可在現有系統上直接升級單燈控制、景觀亮化、智慧農場、環境檢測等項目，避免重復投資。

Netty服務端可主動發送策略數據給客戶端，管理人員在B/S云平臺操作下發送策略數據，這些數據首先會存入MySQL數據庫，Netty服務端遍歷數據庫，查找是否有策略數據需要下發，如果有，在發送之前程序會檢查此集控是否和Netty服務端仍然保持連接，如果保持連接，就將策略數據發送給對應的集中控制器，收到策略數據后，集控會及時發送反饋信息給Netty服務端，Netty服務端將反饋信息存入數據庫，供B/S云平臺查詢。若連接斷開則取消發送。Netty發送數據流程如圖4所示。

服務端將接收到的數據寫入數據庫，B/S云平臺及時查詢數據是否已接收并更新，經過多次測試，確保數據全部接收并更新。同時，B/S云平臺可查看到最新的數據。B/S云平臺回路狀態查詢如圖5所示。

4 結 語

基于Netty的智慧路燈系統是穩定可靠的異步通信系統，本文結合B/S云平臺和集中控制器，整合各類監測數據，實現對不同人員的差異化服務。同時，實時對各區域路燈進行智能化管理，確保實現數據回傳，進行統一管理維護，獲取系統賬號，分不同權限查看平臺運行情況。因此，此系統可在實際中進行良好應用。

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