基于微服務(wù)技術(shù)的安全用電管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

陳熙 胡威

摘? 要：隨著社會(huì)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(dāng)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(jì)目標(biāo)，對(duì)RPC通信、指標(biāo)數(shù)據(jù)解析與推送等進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了包含基于微服務(wù)的RPC通信、數(shù)據(jù)解析與實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)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(diǎn)的安全用電管理平臺(tái)。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(huì)發(fā)展，國(guó)家越來(lái)越重視用電安全。近年來(lái)，我們國(guó)家出臺(tái)了一系列電氣安全法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，隨著2017年中華人民共和國(guó)公安部關(guān)于全面推進(jìn)“智慧消防”建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)的出臺(tái)[1，2]，電氣火災(zāi)綜合治理已成為國(guó)家應(yīng)急救援部門(mén)重要工作，擺在了更加突出的位置。

隨著我國(guó)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(huì)基礎(chǔ)服務(wù)不斷提升給社會(huì)發(fā)展帶來(lái)極大的便利的同時(shí)，由于用電設(shè)備缺陷、用電安全知識(shí)匱乏、管理不到位等問(wèn)題，電力也給社會(huì)帶來(lái)了諸多安全隱患及災(zāi)害事故[3]。用電安全事故危機(jī)人民生命財(cái)產(chǎn)安全，影響社會(huì)安全穩(wěn)定，用電安全已成為各個(gè)行業(yè)的難點(diǎn)痛點(diǎn)，受到了國(guó)家和社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。

在實(shí)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(xiàn)路損壞、操作不當(dāng)以及管理疏漏等因素，引發(fā)的安全生產(chǎn)事故不計(jì)其數(shù)[4，5]。本文將以企業(yè)管理部門(mén)和用戶(hù)需求為牽引，構(gòu)建用電安全遠(yuǎn)程管理服務(wù)系統(tǒng)，為用戶(hù)提供用電數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)監(jiān)控服務(wù)。當(dāng)用電數(shù)據(jù)異常時(shí)，服務(wù)系統(tǒng)將第一時(shí)間以短信、微信、警鈴等方式進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)有效地避免用電安全事故發(fā)生，有效減少企業(yè)和個(gè)人的生命財(cái)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(tái)采用了“物聯(lián)網(wǎng)”和“電氣安全”兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，將電氣安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)終端，通過(guò)PC端或手機(jī)微信對(duì)監(jiān)管的用電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)備管理、設(shè)備控制、故障異常報(bào)警、消息實(shí)時(shí)推送等。通過(guò)本平臺(tái)，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)獲知設(shè)備用電狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)用電異常及故障，客戶(hù)在降低人力、物力和資金成本的同時(shí)，還可以提升企業(yè)安全運(yùn)行效率，以最優(yōu)成本，實(shí)現(xiàn)智慧安全用電目標(biāo)。

平臺(tái)通過(guò)前后端分離技術(shù)，將用戶(hù)PC端、管理員后臺(tái)、移動(dòng)端等前端展示應(yīng)用與后端接口進(jìn)行分離。通過(guò)SpringCloud技術(shù)將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、客戶(hù)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)上報(bào)與推送、管理員后臺(tái)等設(shè)計(jì)成不同的應(yīng)用，所有應(yīng)用都?xì)w口到Apollo配置中心進(jìn)行管理，各應(yīng)用之間通過(guò)輕量級(jí)客戶(hù)端框架Feign請(qǐng)求進(jìn)行調(diào)用。

2? 關(guān)鍵技術(shù)

本平臺(tái)服務(wù)器端通過(guò)SpringCloud+Apollo+Undertow整合框架實(shí)現(xiàn)，SpringCloud中以SpringBoot為核心實(shí)現(xiàn)微服務(wù)，Apollo配置中心進(jìn)行分布式配置管理，API請(qǐng)求通過(guò)Nginx進(jìn)行代理，GateWay進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，Undertow作為Web服務(wù)器容器運(yùn)行各類(lèi)應(yīng)用，通過(guò)微服務(wù)集群技術(shù)有效保證了7×24小時(shí)不間斷運(yùn)行的需求。

2.1? SpringClude

服務(wù)端基于Spring Boot和Spring Cloud部分組件開(kāi)發(fā)，無(wú)需額外安裝Undertow、Tomcat等應(yīng)用容器即可運(yùn)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(kāi)發(fā)便利性，巧妙地簡(jiǎn)化了分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的開(kāi)發(fā)，如服務(wù)發(fā)現(xiàn)注冊(cè)、配置中心、消息總線(xiàn)、負(fù)載均衡、斷路器、數(shù)據(jù)監(jiān)控等，對(duì)多個(gè)模塊進(jìn)行集成和封裝，減少各模塊的開(kāi)發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)和部署。

2.2? Apollo配置中心

為了解決傳統(tǒng)方式配置文件寫(xiě)在應(yīng)用程序中而帶來(lái)的，每次修改配置都需要修改每臺(tái)（可能是上百臺(tái)服務(wù)器）應(yīng)用的配置，而造成的可維護(hù)性，擴(kuò)展性極低的問(wèn)題，本平臺(tái)構(gòu)建微服務(wù)環(huán)境時(shí)采用了Apollo配置中心。Apollo是攜程提供的一個(gè)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(shí)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)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(yùn)行平臺(tái)采用Red Hat的開(kāi)源產(chǎn)品Undertow作為Http服務(wù)器，采用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，提供包括阻塞和基于NIO的非堵塞機(jī)制，是一款靈活的高性能Web服務(wù)器。Undertow支持開(kāi)箱即用的 HTTP/2，并提供對(duì) Servlet 4.0、嵌入式 servlet等的全面支持，具有可嵌入、靈活的特點(diǎn)。在高并發(fā)業(yè)務(wù)場(chǎng)景中，Undertow性能優(yōu)于Tomcat，當(dāng)安全用電遠(yuǎn)程監(jiān)控終端越來(lái)越多，形成高并發(fā)請(qǐng)求時(shí)，本系統(tǒng)性能將得到很大的提升。

3? 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本平臺(tái)將運(yùn)用通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電氣安全技術(shù)將電氣指標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主動(dòng)推送故障異常報(bào)警信息和實(shí)時(shí)指標(biāo)數(shù)據(jù)功能，用戶(hù)還可以通過(guò)PC端或手機(jī)微信平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)備管理、設(shè)備控制等。對(duì)基于異步推送機(jī)制的實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)器接口設(shè)計(jì)、功能權(quán)限安全管理機(jī)制的設(shè)計(jì)、微信公眾號(hào)功能的設(shè)計(jì)等進(jìn)行重點(diǎn)研究。在整體的設(shè)計(jì)架構(gòu)下，結(jié)合業(yè)務(wù)需求與平臺(tái)特點(diǎn)，平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)將遵循實(shí)用性、開(kāi)放性、擴(kuò)展性、可維護(hù)性及操作的便捷性原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1? 系統(tǒng)架構(gòu)

平臺(tái)通過(guò)采用NIO的Netty框架實(shí)現(xiàn)消息異步推送機(jī)制，有效實(shí)現(xiàn)電氣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、電氣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、異常數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)報(bào)警等系統(tǒng)安全機(jī)制，并避免了輪詢(xún)所帶來(lái)的資源浪費(fèi)問(wèn)題。通過(guò)負(fù)載均衡實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)器的故障容災(zāi)，當(dāng)一個(gè)服務(wù)器無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，另一個(gè)服務(wù)器將自動(dòng)接管應(yīng)用服務(wù)，保證了應(yīng)用24小時(shí)不間斷的正常訪(fǎng)問(wèn)。平臺(tái)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(tái)的主要業(yè)務(wù)分為五個(gè)流程：（1）硬件設(shè)計(jì)對(duì)安全用電數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)；（2）數(shù)據(jù)采用終端將檢測(cè)到的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(hù)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(xiàng)目合作公司提供，本平臺(tái)提供數(shù)據(jù)上傳接口，接口調(diào)用需通過(guò)RPC技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，如設(shè)備維護(hù)接口參數(shù)說(shuō)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(guò)校驗(yàn)數(shù)據(jù)完整性、判斷設(shè)備類(lèi)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(duì)電器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警判斷和信息推送，服務(wù)器處理數(shù)據(jù)時(shí)序如圖3所示。用戶(hù)可以通過(guò)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(tái)提供的服務(wù)。

3.4? 功能實(shí)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(shí)現(xiàn)過(guò)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(jìn)行實(shí)現(xiàn)。它是一款異步的事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架和工具。Netty提供異步的、事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序框架和工具，用于快速開(kāi)發(fā)可維護(hù)的高性能、高擴(kuò)展性協(xié)議服務(wù)器和客戶(hù)端。通過(guò)基于異步推送機(jī)制的實(shí)時(shí)監(jiān)控策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用電設(shè)備數(shù)據(jù)報(bào)送和無(wú)人值守時(shí)的有效監(jiān)控。

Netty實(shí)現(xiàn)異步推送機(jī)制實(shí)現(xiàn)原理如下：首先創(chuàng)建ServerSocketHcannel類(lèi)，在此Class中將其配置為非阻塞模式，綁定監(jiān)聽(tīng)，配置TCP參數(shù)，通過(guò)使用一個(gè)獨(dú)立的I/O線(xiàn)程和輪詢(xún)多路復(fù)用器Selector，啟動(dòng)I/O線(xiàn)程，再循環(huán)體中執(zhí)行Selector.select（）方法，最后將SocketChane注冊(cè)到Selector中，監(jiān)聽(tīng)OP_READ和IP_WRITE操作位來(lái)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(qǐng)求RPC接口傳輸來(lái)的二進(jìn)制流數(shù)據(jù)后，先解析二進(jìn)制數(shù)據(jù)，再按協(xié)議分析該數(shù)據(jù)包應(yīng)對(duì)的指標(biāo)值，并對(duì)比該設(shè)備的閾值范圍，判斷數(shù)據(jù)是否異常。當(dāng)數(shù)據(jù)正常時(shí)，直接推送到當(dāng)前正在監(jiān)控的頁(yè)面進(jìn)行展示；當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)，分別向當(dāng)前登錄到系統(tǒng)且有權(quán)限查看該設(shè)備的用戶(hù)及其移動(dòng)端推送異常報(bào)警數(shù)據(jù)。

用戶(hù)登錄到系統(tǒng)時(shí)，將與系統(tǒng)服務(wù)器建立WebSocket長(zhǎng)連接，該連接通過(guò)心跳保持在線(xiàn)，當(dāng)設(shè)備數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器后，服務(wù)器會(huì)立即將數(shù)據(jù)通過(guò)Netty連接推送到客戶(hù)終端進(jìn)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(tái)接收設(shè)備通過(guò)RPC接口發(fā)送的數(shù)據(jù)；

（2）平臺(tái)解析數(shù)據(jù)，分析出該數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)設(shè)備ID和各數(shù)據(jù)項(xiàng)應(yīng)對(duì)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(dāng)數(shù)據(jù)正常時(shí)，則直接推送到當(dāng)前正在監(jiān)控的頁(yè)面進(jìn)行展示；

（5）當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)，向擁有相應(yīng)權(quán)限且在線(xiàn)的用戶(hù)及其移動(dòng)端推送異常報(bào)警數(shù)據(jù)。

推送流程圖如圖4所示。

3.5? 平臺(tái)展示

本文實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)運(yùn)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(hù)和管理員都可能通過(guò)PC端或手機(jī)微信進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、設(shè)備管理、設(shè)備控制、故障異常報(bào)警、消息實(shí)時(shí)推送、統(tǒng)計(jì)分析與數(shù)據(jù)可視化等。通過(guò)本平臺(tái)，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控用電設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)用電異常及設(shè)備故障，切實(shí)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(shí)，可以提升企業(yè)安全運(yùn)行效率，以最優(yōu)成本實(shí)現(xiàn)社會(huì)智慧安全用電管理。圖5為安全用電設(shè)備數(shù)據(jù)檢測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面。

4? 測(cè)? 試

在某公司的安全用電設(shè)備為基礎(chǔ)條件，準(zhǔn)確獲取用電數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)預(yù)警異常狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)減少發(fā)生電氣火災(zāi)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)RPC通信傳輸用電指標(biāo)數(shù)據(jù)、用電指標(biāo)數(shù)據(jù)包解析與指標(biāo)推送服務(wù)等進(jìn)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(tái)，系統(tǒng)采用B/S框架開(kāi)發(fā)，服務(wù)端采用SpringCloud+Apollo+Undertow的整合框架進(jìn)行構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了包括RPC服務(wù)接口、數(shù)據(jù)解析與實(shí)時(shí)監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)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(diǎn)的平臺(tái)。

平臺(tái)在實(shí)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，硬件部份在真實(shí)環(huán)境中安裝了200多個(gè)GPRS模塊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，服務(wù)器部份申請(qǐng)了阿里云輕量級(jí)應(yīng)用服務(wù)器作為云平臺(tái)測(cè)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(kù)系統(tǒng)，微信公眾號(hào)對(duì)接企業(yè)申請(qǐng)的公眾號(hào)進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試的基本要求如表2所示。

平臺(tái)在兩臺(tái)4核8 GB集群部署，通過(guò)Apache Jmeter工具進(jìn)行測(cè)試可知，至少可以支持2萬(wàn)臺(tái)用電終端設(shè)備同時(shí)鏈接，數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定，服務(wù)器運(yùn)行正常。運(yùn)行數(shù)據(jù)與實(shí)際情況表明，研究的平臺(tái)可以滿(mǎn)足企業(yè)的實(shí)際需求，能夠有效提高用電部門(mén)和用戶(hù)的電能安全科學(xué)管理水平，減少安全事故的發(fā)生。

5? 結(jié)? 論

平臺(tái)以社會(huì)用電安全設(shè)備管理與監(jiān)控為導(dǎo)向，通過(guò)接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端所傳輸?shù)碾姎鈹?shù)據(jù)，形成直觀(guān)的展示界面，并通過(guò)分析設(shè)定的安全閾值，預(yù)警線(xiàn)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(shí)間的限制，切實(shí)提高用電安全科學(xué)管理水平，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)用電安全真正意義上的遠(yuǎn)程監(jiān)控與安全管理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪港桃.鄉(xiāng)村消防宣傳系列視覺(jué)形象設(shè)計(jì)研究 [D].重慶：重慶大學(xué)，2020.

[2] 王文博.“智慧消防”的建設(shè)與發(fā)展 [J].現(xiàn)代職業(yè)安全，2019，11：17-19.

[3] 肖柳明，張萬(wàn)，王言，等.安全用電智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].信息技術(shù)與信息化，2020.071（12）：216-219.

[4] 王毅強(qiáng)，王大剛.北京市醫(yī)院用電安全隱患分析 [J].中國(guó)醫(yī)院建筑與裝備，2020，21（11）：80-82.

[5] 肖玲妮，徐宇雷.中小學(xué)校安全用電監(jiān)管云平臺(tái)設(shè)計(jì) [J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2021（20）：1-3.

[6] 魏東紅，王其才，商超.基于微服務(wù)的Web系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技，2022，19（14）：50-52.

[7] 王衛(wèi)國(guó)，潘雨.智能終端運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)之微服務(wù)架構(gòu)改造實(shí)踐 [J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全，2018，37（10）：91-94.

作者簡(jiǎn)介：陳熙（1985—），男，漢族，湖南長(zhǎng)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