基于微服务技术的安全用电管理平台设计

陈熙 胡威

摘  要：随着社会用电需求的不断增加，用电安全隐患越发明显，用电安全已成为当今亟需深入探索并加以解决的重大课题。以减少电气火灾事故为总体设计目标，对RPC通信、指标数据解析与推送等进行了研究，设计了包含基于微服务的RPC通信、数据解析与实时监控、统计分析等功能，具有接口通信稳定、QPS高、支持接入多终端等特点的安全用电管理平台。

关键词：用电安全；远程监控；SpringCloud；Apollo；Undertow

中图分类号：TP311  文献标识码：A  文章编号：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

隨着社会发展，国家越来越重视用电安全。近年来，我们国家出台了一系列电气安全法律法规和标准，随着2017年中华人民共和国公安部关于全面推进“智慧消防”建设指导意见的出台[1，2]，电气火灾综合治理已成为国家应急救援部门重要工作，摆在了更加突出的位置。

随着我国电气化的不断发展，家用电器和工业电器设备得到了广泛应用，社会基础服务不断提升给社会发展带来极大的便利的同时，由于用电设备缺陷、用电安全知识匮乏、管理不到位等问题，电力也给社会带来了诸多安全隐患及灾害事故[3]。用电安全事故危机人民生命财产安全，影响社会安全稳定，用电安全已成为各个行业的难点痛点，受到了国家和社会各界的广泛关注。

在实际生活生产中，用电安全事故大多发生在使用端。因电器老化、线路损坏、操作不当以及管理疏漏等因素，引发的安全生产事故不计其数[4，5]。本文将以企业管理部门和用户需求为牵引，构建用电安全远程管理服务系统，为用户提供用电数据的云存储及实时监控服务。当用电数据异常时，服务系统将第一时间以短信、微信、警铃等方式进行预警，及时有效地避免用电安全事故发生，有效减少企业和个人的生命财产损失，将用电安全事故控制在萌芽状态。

1  需求分析

本平台采用了“物联网”和“电气安全”两项关键技术，将电气安全数据传输到服务终端，通过PC端或手机微信对监管的用电设备进行实时数据监控、设备管理、设备控制、故障异常报警、消息实时推送等。通过本平台，用户可以实时获知设备用电状态，及时发现用电异常及故障，客户在降低人力、物力和资金成本的同时，还可以提升企业安全运行效率，以最优成本，实现智慧安全用电目标。

平台通过前后端分离技术，将用户PC端、管理员后台、移动端等前端展示应用与后端接口进行分离。通过SpringCloud技术将基础数据管理、客户数据管理、数据上报与推送、管理员后台等设计成不同的应用，所有应用都归口到Apollo配置中心进行管理，各应用之间通过轻量级客户端框架Feign请求进行调用。

2  关键技术

本平台服务器端通过SpringCloud+Apollo+Undertow整合框架实现，SpringCloud中以SpringBoot为核心实现微服务，Apollo配置中心进行分布式配置管理，API请求通过Nginx进行代理，GateWay进行转发，Undertow作为Web服务器容器运行各类应用，通过微服务集群技术有效保证了7×24小时不间断运行的需求。

2.1  SpringClude

服务端基于Spring Boot和Spring Cloud部分组件开发，无需额外安装Undertow、Tomcat等应用容器即可运行。Spring Cloud 是一套完整的微服务解决方案，基于 Spring Boot 框架，利用其开发便利性，巧妙地简化了分布式系统基础设施的开发，如服务发现注册、配置中心、消息总线、负载均衡、断路器、数据监控等，对多个模块进行集成和封装，减少各模块的开发成本，实现一键启动和部署。

2.2  Apollo配置中心

为了解决传统方式配置文件写在应用程序中而带来的，每次修改配置都需要修改每臺（可能是上百台服务器）应用的配置，而造成的可维护性，扩展性极低的问题，本平台构建微服务环境时采用了Apollo配置中心。Apollo是携程提供的一个可靠的分布式配置管理中心，能够集中化管理应用不同环境、不同集群的配置，配置修改后能够实时推送到应用端，并且具备规范的权限、流程治理等特性，适用于微服务配置管理场景[6，7]。Apollo相比于SpringCloudConfig和 Nacos，可以支持灰度发布和权限管理，它实现了对配置权限的有效治理，由于配置能改变程序的行为，不正确的配置甚至能引起灾难性的后果，所以对配置的修改必须有比较完善的权限控制。

2.3  Undertow

本系统运行平台采用Red Hat的开源产品Undertow作为Http服务器，采用Java语言开发，提供包括阻塞和基于NIO的非堵塞机制，是一款灵活的高性能Web服务器。Undertow支持开箱即用的 HTTP/2，并提供对 Servlet 4.0、嵌入式 servlet等的全面支持，具有可嵌入、灵活的特点。在高并发业务场景中，Undertow性能优于Tomcat，当安全用电远程监控终端越来越多，形成高并发请求时，本系统性能将得到很大的提升。

3  设计与实现

本平台将运用通信技术、计算机网络技术、电气安全技术将电气指标数据传输到服务端，实现系统主动推送故障异常报警信息和实时指标数据功能，用户还可以通过PC端或手机微信平台进行实时数据监控、设备管理、设备控制等。对基于异步推送机制的实时监控、设备数据传输的服务器接口设计、功能权限安全管理机制的设计、微信公众号功能的设计等进行重点研究。在整体的设计架构下，结合业务需求与平台特点，平台设计时将遵循实用性、开放性、扩展性、可维护性及操作的便捷性原则进行设计。

3.1  系统架构

平台通过采用NIO的Netty框架实现消息异步推送机制，有效实现电气数据实时上传、电气数据实时监控、异常数据实时报警等系统安全机制，并避免了轮询所带来的资源浪费问题。通过负载均衡实现应用服务器的故障容灾，当一个服务器无法访问时，另一个服务器将自动接管应用服务，保证了应用24小时不间断的正常访问。平台架构图如图1所示。

3.2  业务流程

安全用电管理平台的主要业务分为五个流程：（1）硬件设计对安全用电数据进行检测；（2）数据采用终端将检测到的指标数据进行采集将上传到服务器；（3）服务器接收分析数据；（4）对数据进行分析与管理，为不同的应用提供持久化的数据；（5）为不同角色的用户提供数据服务。系统业务流程如图2所示。

3.3  数据接口参数

其中硬件设备、数据采集与发送部分由项目合作公司提供，本平台提供数据上传接口，接口调用需通过RPC技术进行实现，如设备维护接口参数说明如表1所示。

服务器RPC接口收到终端上传的电气数据后，通过校验数据完整性、判断设备类型、匹配解析协议、调用数据分析程序、数据持久化等一系列步骤后，对电器数据进行预警判断和信息推送，服务器处理数据时序如图3所示。用户可以通过浏览、检索、监控、分析等前端操作获取安全用电数据管理平台提供的服务。

3.4  功能实现

以数据监控与预警数据推送为例阐述该功能的实现过程。该功能采用基于非阻塞I/O（NIO）模式的异步网络应用框架Netty进行实现。它是一款异步的事件驱动的网络应用框架和工具。Netty提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具，用于快速开发可维护的高性能、高扩展性协议服务器和客户端。通过基于异步推送机制的实时监控策略，实现了对用电设备数据报送和无人值守时的有效监控。

Netty实现异步推送机制实现原理如下：首先创建ServerSocketHcannel类，在此Class中将其配置为非阻塞模式，绑定监听，配置TCP参数，通过使用一个独立的I/O线程和轮询多路复用器Selector，启动I/O线程，再循环体中执行Selector.select（）方法，最后将SocketChane注册到Selector中，监听OP_READ和IP_WRITE操作位来执行读取数据包和发送数据包操作。

服务器接收设备请求RPC接口传输来的二进制流数据后，先解析二进制数据，再按协议分析该数据包应对的指标值，并对比该设备的阈值范围，判断数据是否异常。当数据正常时，直接推送到当前正在监控的页面进行展示；当数据异常时，分别向当前登录到系统且有权限查看该设备的用户及其移动端推送异常报警数据。

用户登录到系统时，将与系统服务器建立WebSocket长连接，该连接通过心跳保持在线，当设备数据上传到服务器后，服务器会立即将数据通过Netty连接推送到客户终端进行呈现或预警。其中消息推送功能的业务流程如下：

（1）平台接收设备通过RPC接口发送的数据；

（2）平台解析数据，分析出该数据包对应设备ID和各数据项应对的值；

（3）匹配相应协议，根据阈值范围判断数据是否异常；

（4）当数据正常时，则直接推送到当前正在监控的页面进行展示；

（5）当数据异常时，向拥有相应权限且在线的用户及其移动端推送异常报警数据。

推送流程图如图4所示。

3.5  平台展示

本文实现的系统运用了物联网、电气安全、微服务等技术，将电气安全数据采集传输到服务端，用户和管理员都可能通过PC端或手机微信进行实时数据监控、设备管理、设备控制、故障异常报警、消息实时推送、统计分析与数据可视化等。通过本平台，用户可以实时监控用电设备状态，及时发现用电异常及设备故障，切实有效地避免电气火灾隐患，在降低家庭、企业、公用服务设施等投入成本和人力资源的同时，可以提升企业安全运行效率，以最优成本实现社会智慧安全用电管理。图5为安全用电设备数据检测实时监控界面。

4  测  试

在某公司的安全用電设备为基础条件，准确获取用电数据和实时预警异常状态，以实现减少发生电气火灾的总体设计目标，对RPC通信传输用电指标数据、用电指标数据包解析与指标推送服务等进行了研究，在此基础上研发了基于微服务的安全用电管理平台，系统采用B/S框架开发，服务端采用SpringCloud+Apollo+Undertow的整合框架进行构建，实现了包括RPC服务接口、数据解析与实时监控、统计分析等功能，具有接口通信稳定、QPS高、支持接入终端数量多等特点的平台。

平台在实环境中进行测试，硬件部份在真实环境中安装了200多个GPRS模块节点进行数据传输，服务器部份申请了阿里云轻量级应用服务器作为云平台测试服务器，服务器网络带宽为5 M，系统安装Windows Server 2012 R2操作系统，MySQL 5.1.3数据库系统，微信公众号对接企业申请的公众号进行测试。系统测试的基本要求如表2所示。

平台在两台4核8 GB集群部署，通过Apache Jmeter工具进行测试可知，至少可以支持2万台用电终端设备同时链接，数据通讯稳定，服务器运行正常。运行数据与实际情况表明，研究的平台可以满足企业的实际需求，能够有效提高用电部门和用户的电能安全科学管理水平，减少安全事故的发生。

5  结  论

平台以社会用电安全设备管理与监控为导向，通过接收远程数据采集终端所传输的电气数据，形成直观的展示界面，并通过分析设定的安全阈值，预警线路异常状态，真正将用电安全工作提高到不受地域、不受时间的限制，切实提高用电安全科学管理水平，实现用户对用电安全真正意义上的远程监控与安全管理。

参考文献：

[1] 汪港桃.乡村消防宣传系列视觉形象设计研究 [D].重庆：重庆大学，2020.

[2] 王文博.“智慧消防”的建设与发展 [J].现代职业安全，2019，11：17-19.

[3] 肖柳明，张万，王言，等.安全用电智能监控系统设计 [J].信息技术与信息化，2020.071（12）：216-219.

[4] 王毅强，王大刚.北京市医院用电安全隐患分析 [J].中国医院建筑与装备，2020，21（11）：80-82.

[5] 肖玲妮，徐宇雷.中小学校安全用电监管云平台设计 [J].中国现代教育装备，2021（20）：1-3.

[6] 魏东红，王其才，商超.基于微服务的Web系统功能架构设计与实现 [J].无线互联科技，2022，19（14）：50-52.

[7] 王卫国，潘雨.智能终端运营管理系统之微服务架构改造实践 [J].信息技术与网络安全，2018，37（10）：91-94.

作者简介：陈熙（1985—），男，汉族，湖南长沙人，本科，助理工程师，研究方向：通信工程、集成电路工程；通讯作者：胡威（1985—），男，汉族，湖南常德人，硕士，助理工程师，研究方向：软件系统与技术、信息可视化。

收稿日期：2022-10-22