基于Netty的城市智慧路灯管理系统

杨扬 田茂 高士木 罗锐

摘 要：路灯系统是城市重要的基础设施，随着我国城市化建设的持续推进，城市照明规模越来越大，但落后的管控技术与其形成了鲜明对比，主要表现在路灯耗电量高、运维复杂、信息化程度低等。传统路灯系统已不能满足现代城市的发展要求，城市路灯系统迫切需要互联网技术对其改造升级。Netty智慧路灯系统运用GPRS无线通信技术、Netty通信框架、自定义通信协议、MySQL与SpringMVC等，设计并实现了满足现代城市要求的智慧路灯系统。

关键词：Netty；路灯控制；管理平台；数据通信

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

城市照明系统在营造城市宜居环境，为人们提供生活便利的同时，也消耗着大量的电力能源。据统计，城市路灯照明占照明耗电的30%左右。例如，一个县有路灯1 200多盏，年用电约300万kW·h，以平均电价0.65元/kW·h计算，一年仅市政路灯照明开支已超过200万元。由于技术原因，以往路灯照明不能根据电网波动、照度需求以及照明时段等情况进行实时调整，粗放式照明、过度照明情况普遍，电能浪费现象十分严重。若城市路灯照明节能每提高1个百分点，则将节省用电费用5亿～6亿元，市场前景广阔。

目前，智慧路灯发展迅速，需求与日俱增，智慧路灯的数量会越来越多。规模扩增会对技术实现、日常使用和管理提出更高要求，其中，对网络通信技术的选择尤其重要，不仅要具备安全性、稳定性、实时性，还要拥有处理高并发通信的能力，能够同时管理更多路灯。国内智慧路灯系统中的通信服务端一般采用传统Socket，虽然开发简单，但不能满足现代智慧路灯的需求，所以本文提出了一种基于Netty的智慧路灯管理系统。根据业务流程和实际工作需要，设计高性能数据交互系统，B/S端实现在线查询、集中控制器/单灯控制器/灯具设备远程管控；利用Echarts等流行工具实现数据可视化功能；依据智慧路灯业务需求，设计比较完善的系统安全架构；充分利用手机开发技术，研发APP版智慧路灯云平台。基于这些设计与规范完成系统的设计、研发、部署和推广工作。

1 系统需求分析

智慧路灯云平台立足于城市照明系统市场，通过智能化的解决方案提高其工作效率，节约电能，实现效益最大化。智慧路灯云平台通过产品服务的方式全方位多渠道支撑城市照明系统，产品覆盖系统运行监控、故障告警、综合数据分析和业务报表等支持生产运维全景业务，为了增加运维便捷性，产品支持移动应用，能随时随地查看业务，实现的目标包括以下几方面：

（1）建设智慧路灯管理控制统一的云平台。

（2）整合各类监测数据，实现对不同人员的差异化服务。

（3）实时对各区域路灯进行智能化管理。

（4）确保实现数据回传，进行统一管理维护。

（5）获取系统账号，分不同权限查看平台运行情况。

（6）便于查看设备运行情况，包括故障、告警等信息，通过各类分析图表以及报表的方式向用户展示系统运行情况并进行有效准确的评估。

（7）增强运维便捷性，产品支持移动应用，满足随时随地查看业务的需要。

（8）报表分析便于管理层对系统获利及运营情况进行相应的财务计划和决策。

2 Netty简介

Netty是由JBOSS推出的一個高性能、基于异步事件驱动的NIO框架，它提供了对多种主流协议的支持。作为一个异步NIO框架，Netty所有的I/O操作都是异步非阻塞模式的，用户可以通过Future-Listener机制主动或者通过通知机制获得I/O操作结果。

作为当前最流行的NIO框架之一，Netty 凭借自身优异的性能、灵活的可扩展性得到了业界广泛的应用，越来越多的Java 高性能异步通信框架选择使用Netty。Netty在互联网领域、大数据分布式领域、通信行业、游戏行业等都获得了广泛的应用，很多业界著名的开源组件也基于Netty的NIO框架进行构建，在智慧路灯领域国内鲜有人应用。目前，Netty已经更新到5.0版本，本文设计使用此版本进行系统开发，按照Reactor模式设计和实现Netty架构。服务端的通信时序如图1所示。

3 基于Netty的智慧路灯系统

系统基于集团级、企业级信息中心设计光伏电站信息化管理平台，包含运营管理模块和运维管理模块：运营管理模块用于领导层对电站整个运行过程进行全程把控，并以此为依据做出相应的决策；运维管理模块用于运维人员对电站相关数据实施监控及进行与电站建设相关的日常办公所需功能。此管理平台是由功能型光伏电站向智能型光伏电站的转变，更加具备可行性、可靠性，真正实现了光伏电站的一体化管理。

系统角色分为平台管理员、公司级管理员、运维人员、仓库管理员、车辆管理员和体验者。平台管理员可对“平台管理员”和“公司级管理员”进行用户添加、修改和删除，并且能对该用户角色进行权限分配；公司级管理员则可对其他四个角色进行用户添加、修改和删除，同时也可对相应的用户角色进行权限分配。城市智慧路灯系统用例图如图2所示。

针对传统照明监控系统存在的缺点，基于Netty的智慧路灯采用主流的、先进的技术，实现路灯可视化、远程化、自动化管理。本系统主要包括三个部分，分别是PC端B/S云平台系统、手机APP以及高并发通信系统。PC端B/S云平台系统是为公司管理层及运维人员实时监控城市照明系统运行状况及节能财务分析情况而设计的，包含与系统相关的日常办公所需功能和故障告警信息处理等基本功能；手机APP平台顺应互联网移动办公趋势，便于实时管控智慧路灯系统；高并发通信系统主要解决和前端集中控制器的通信及后台数据的交互，保证多路数据同时回传，保证数据准确安全。此智慧路灯云平台实现了智能管控，具备可行性、可靠性，真正实现了城市路灯系统管控一体化。系统整体框图如图3所示。

（1）系统采用GPRS与本地无线通信进行无缝对接，免布线，安装简单，集中控制器拥有多个可选扩展配置。

（2）集中控制器带有独立的μC/OS II操作系统，针对工业级32位Cortex-M3处理器和现场情况进行系统定制和优化，可脱离监控中心独立执行命令以及数据保存，断电时数据不丢失，系统时间仍然能够精保证准走时。

（3）系统设备设计兼容IEEE 802.15.4 （ZigBee）等国际标准，并且提供了与其他工控标准（如Modbus等）通信的接口，可为二次开发、产品升级开放接口。系统采用分布式结构，网络内任一控制器发生故障都不会影响系统运行。

（4）针对通信系统高并发、数据安全等业界指标，采用技术先进的Netty框架，针对设备量身定制通信协议。系统实时性好，实时检测硬件设备状态，快速响应云平台指令；系统安全性高，传输加密，校验完整性，数据传输安全、快速、可靠；系统可扩展性高，可根据后期系列设备数据扩展协议，也可根据其他设备协议收发数据。

（5）云平台智能控制系统采用主流Java语言，深度优化的MySQL数据库，SpringMVC+Hibernate后台框架，页面反应速度快，实时性高，稳定性好，功能全面。

（6）系统用途多元化。可在现有系统上直接升级单灯控制、景观亮化、智慧农场、环境检测等项目，避免重复投资。

Netty服务端可主动发送策略数据给客户端，管理人员在B/S云平台操作下发送策略数据，这些数据首先会存入MySQL数据库，Netty服务端遍历数据库，查找是否有策略数据需要下发，如果有，在发送之前程序会检查此集控是否和Netty服务端仍然保持连接，如果保持连接，就将策略数据发送给对应的集中控制器，收到策略数据后，集控会及时发送反馈信息给Netty服务端，Netty服务端将反馈信息存入数据库，供B/S云平台查询。若连接断开则取消发送。Netty发送数据流程如图4所示。

服务端将接收到的数据写入数据库，B/S云平台及时查询数据是否已接收并更新，经过多次测试，确保数据全部接收并更新。同时，B/S云平台可查看到最新的数据。B/S云平台回路状态查询如图5所示。

4 结 语

基于Netty的智慧路灯系统是稳定可靠的异步通信系统，本文结合B/S云平台和集中控制器，整合各类监测数据，实现对不同人员的差异化服务。同时，实时对各区域路灯进行智能化管理，确保实现数据回传，进行统一管理维护，获取系统账号，分不同权限查看平台运行情况。因此，此系统可在实际中进行良好应用。

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