基本信息
- 項目名稱：
- 面向物聯(lián)網應用的電能量采集終端
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 隨著信息技術的發(fā)展，一個無所不在的物聯(lián)網通信時代即將來臨。作為物聯(lián)網發(fā)展的基礎，數據采集過程顯得尤為重要。為配合落實國家電網關于"智能電網"計劃的實施，采用高性能ARM處理器，自主研發(fā)IPv4/IPv6嵌入式雙協(xié)議棧，工業(yè)級硬件設計開發(fā)了一種面向物聯(lián)網應用的電能量采集終端，克服了傳統(tǒng)手動抄表效率低下的缺點，在傳輸方式上不僅多種通信接口，還融入了FPGA技術，使得終端更具運行效率和智能性。
- 詳細介紹：
- 隨著現代信息技術的發(fā)展，一個無所不在的物聯(lián)網(Internet of things, IOT)通信時代即將來臨。當前的互聯(lián)網僅限于人與人之間的互聯(lián)，而物聯(lián)網的目標是通過各種信息傳感設備與智能通訊系統(tǒng)把全球范圍內的物理物體、信息技術系統(tǒng)和人有機的連接起來，從而能夠通過數據采集、分析、預測、優(yōu)化等技術，來更好的感知和管理物理世界。2004年日本確立了u-Japan戰(zhàn)略，該戰(zhàn)略的理念是以人為本，實現所有人與人、物與物、人與物之間的連接，并且日本為物聯(lián)網在教育、醫(yī)療、交通、電力等方面的應用建立了大規(guī)模的云計算平臺。2009年溫家寶總理提出“感知中國”的構想，強調了物聯(lián)網給人民生活帶來的提升。 雖然在我國物聯(lián)網技術已經得到了一定的發(fā)展，但是其在諸如電力等關系國計民生的重要領域中的應用依然薄弱。作為物聯(lián)網發(fā)展的基礎，數據采集過程的效率就顯得尤為重要。在電力行業(yè)中傳統(tǒng)的挨家挨戶敲門查電表的方式依然存在，并且弊端愈加明顯?；谝陨系默F狀，開發(fā)一款具有電量現場數據采集、電價計量、用電管理等功能，并且能夠自動將采集到的數據發(fā)送到上級主站的電能量采集終端設備就變得十分重要。由于物聯(lián)網中每個物件都要有獨立的地址，并且數以萬計的物件通過互聯(lián)后將產生巨大的網絡流量，所以當前的IPv4地址數量和網絡性能將不能滿足要求，必須以IPv6網絡進行取代。電能量采集終端的應用環(huán)境復雜，單一的數據通信方式將不能滿足其應用要求，所以電能量采集終端應該在支持IPv6的基礎上支持GPRS、RS485、無線、紅外等多種通信方式。由于協(xié)議本身的復雜性和嵌入式設備資源的有限性，在嵌入式系統(tǒng)中支持諸如IPv6協(xié)議等復雜的協(xié)議將非常困難。隨著FPGA以及專用處理芯片等技術的發(fā)展和成熟，利用FPGA技術將協(xié)議解析過程固化或者使用專用芯片解析協(xié)議將大大提高協(xié)議的解析速度，從而滿足嵌入式設備實時數據處理的要求。本項目中將完善和整合這些核心技術的應用，使得社會公眾感受到核心技術應用所帶來的便利和效率。 基于以上的發(fā)展趨勢和研究現狀，設計了一種面向物聯(lián)網應用的電能量采集終端，它具有以下優(yōu)點：(1)省去了手動抄表帶來的人力物力浪費，提高了工作效率；(2)提高了電力數據采集的精確度，避免了人為因素造成的損失；(3)能夠實時地分析電力用戶的用電特性和當前的用電情況，為監(jiān)控、計費、調度等提供支持；(4)支持IPV4/IPv6雙棧、GPRS、RS485、無線、紅外等多種通信協(xié)議，可以實現多種環(huán)境下數據的傳輸；(5)借助于IPv6網絡能提供服務質量和安全保證的特點和廣闊的地址空間，提高了電力數據的傳輸速率和可靠性，并且可以為每個抄表終端分配一個唯一的IPv6地址，便于設備的尋址以及設備管理；(6)使用FPAG技術固化協(xié)議解析過程或者專用處理芯片，提高嵌入式設備的數據處理速度。 擬解決的問題： (1)傳統(tǒng)的抄表模式不僅造成人力物力的浪費，而且手動的抄寫耗時易錯，效率不高。引入電能量采集后，不僅提高了電力部門的工作效率和數據的準確性，而且能夠實時檢測用戶的用電狀況，對用電的調度和用電安全管理等方面提供了有效的手段；(2)IPv4網絡在通信帶寬和安全保障方面無法滿足大量實時電力數據的安全可靠傳輸，而且隨著IPv4地址數目的日益枯竭，已不能適應物聯(lián)網中數目龐大的地址需求。而本終端支持IPv6協(xié)議，不僅能夠利用IPv6提高數據的傳輸速率和可靠性，為每個終端設備分配唯一的IPv6地址便于物聯(lián)網中設備的尋址及管理，還可以通過其他通信技術方便的進行數據傳輸；(3)嵌入式設備的資源有限，而像IPv6協(xié)議這樣的復雜的通信協(xié)議如果在嵌入式設備上進行解析將耗費大量的資源和時間，利用FPGA將協(xié)議的解析固化或者使用專用的芯片處理協(xié)議解析，可以大大提高其處理速度。 創(chuàng)新之處： (1)自行設計實現一款能夠支持IPv4、IPv6、GPRS、RS485、無線、紅外等傳輸協(xié)議的嵌入式主板，該主板將被應用到電能量采集終端中完成相應的數據采集和傳輸等功能；(2)自行設計實現一個擁有自主知識產權的輕型嵌入式IPv4/IPv6雙協(xié)議棧，該協(xié)議棧根據具體應用環(huán)境進行適當的裁剪，在資源消耗和通信速率方面達到嵌入式設備要求。協(xié)議棧將被應用在自主開發(fā)的電能量采集終端上，使其能夠支持IPv6通信，并且也能夠兼容現有的IPv4網絡；(3)將復雜協(xié)議的解析過程利用FPGA進行固化或者利用專用芯片進行解析，大大提高了協(xié)議解析的速度；(4)將IPv6技術引入到了電能量采集系統(tǒng)中，使采集終端具備接入IPv6網絡的能力，充分利用下一代互聯(lián)網帶來的優(yōu)勢。支持IPv6的電能量采集終端符合物聯(lián)網的發(fā)展趨勢，因此在市場上將有廣闊的應用前景。 另外該項目已提出專利申請3項，發(fā)表學術論文1篇。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作為物聯(lián)網發(fā)展的基礎，數據采集過程的效率就顯得尤為重要。在電力行業(yè)中傳統(tǒng)的挨家挨戶敲門查電表的方式依然存在，并且弊端愈加明顯。而當前已有的電能量采集終端大多數都存在功能簡單、通信傳輸協(xié)議單一、不能使用復雜的應用環(huán)境的缺點?；谝陨犀F狀，我們根據物聯(lián)網發(fā)展的特征和已有的核心技術進行開發(fā)和實現，自行設計開發(fā)一個具有自主知識產權的支持IPv4/IPv6的嵌入式雙協(xié)議棧，具有硬件加速能力，包括IPv6通信、RS485通信、GPRS通信、紅外通信、無線通信、3G攝像頭等多種核心技術的多功能電能量采集終端。
科學性、先進性
- 自行設計開發(fā)了一個具有自主知識產權的支持IPv4/IPv6的嵌入式雙協(xié)議棧，完成對下一代互聯(lián)網的支持和對當前IPv4網絡的兼容。借助于IPv6網絡能提供服務質量和安全保證的特點和廣闊的地址空間，可以為每個抄表終端分配一個唯一的IPv6地址，便于設備的尋址以及設備管理。 在硬件設計方面，使用FPAG技術固化協(xié)議解析過程或者專用處理芯片，提高嵌入式設備的數據處理速度，并根據電能量采集終端的具體功能自主設計制作專用的硬件電路板，并選用合適的主控芯片形成自主的專用硬件電能量采集終端。 在實現電能量采集終端的具體功能時，我們將整合包括IPv6通信、RS485通信、GPRS通信、紅外通信、無線通信、3G攝像頭等多種核心技術，利用已有的關鍵技術形成多種功能一體化的集成的嵌入式系統(tǒng)。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產品、現場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 本項目設計了一種面向物聯(lián)網應用的電能量采集終端，它具備以下技術特點和優(yōu)勢：(1)省去了手動抄表帶來的人力物力浪費，能夠為電力監(jiān)控、計費、調度等提供支持；(2)支持IPV4/IPv6雙棧、GPRS、RS485、無線、紅外等多種通信協(xié)議，可以實現多種環(huán)境下的數據傳輸；(3)使用FPAG技術固化協(xié)議解析過程或者專用處理芯片，提高嵌入式設備的數據處理速度。 該終端作為智能電網的一部分，在電力行業(yè)將有很大的應用前景，不僅提高了電力行業(yè)的整體效率，也能使社會公眾感受到核心技術帶來的便利和效率。如果能將該終端應用到居民生活小區(qū)中，不僅節(jié)省了大量人力，而且將帶來一定的經濟效益。
同類課題研究水平概述
- 傳統(tǒng)的手動抄表終端所帶來的資源浪費和效率不高已成為一個共識，并且隨著智能化系統(tǒng)的日益發(fā)展和完善，目前在國內的大多數的高檔住宅小區(qū)中都開始安裝遠程抄表系統(tǒng)，包括每個住戶家的水表、電表、煤氣表等計量表。小區(qū)中采用住宅集中式抄表管理系統(tǒng)，可實現小區(qū)聯(lián)網抄錄電表、水表、純水表和煤氣表的讀數，在小區(qū)的管理微機上能進行自動抄錄、自動計費、狀態(tài)查詢，能夠記錄并打印歷史數據，提供表數據接口，并在授權情況下進行人工修改、換表和水電氣表結算。如果在管理中心添置相應的MODEM或路由器，可以實現外部遠程訪問。而在國外，該種遠程抄表系統(tǒng)已經應用十分廣泛，基本上已經做到了“一戶一表”。 目前大部分的遠程抄表只具備單一的無線傳輸技術，比如采用GPRS、RS485、無線、紅外等技術。由于無線的傳輸距離有限，并且容易受外界環(huán)境影響，可以在遠程抄表終端支持有線的傳輸方式，如采用IPv4/IPv6協(xié)議、電力線載波等。由于電力線載波仍處于試驗階段，技術并不成熟，電力載波抄表的應用將需要一段較長的時間。而另一方面，基于IPv4或者IPv6網絡的有線傳輸技術已經十分成熟可靠，而且嵌入式設備在互聯(lián)網中的應用也十分廣泛。如果遠程抄表終端支持IPv4/IPv6網絡的話，用戶可以通過互聯(lián)網來查看用電情況，而且終端采集可以將采集到的電力數據通過IPv4/IPv6網絡傳輸到某個集中站，而該集中站可能在地理位置離終端較遠。 IPv4網絡歷經多年發(fā)展，雖然技術比較成熟，但是地址短缺的問題已經日益明顯。嵌入式設備不斷地接入網絡，需要更多的IP地址，因此嵌入式設備支持IPv6協(xié)議已經是一個趨勢。但是IPv4網絡到IPv6網絡仍存在一個較長的過渡時期，在這段過渡時期內，需要設備能夠同時支持IPv4和IPv6協(xié)議。 現場可編程門陣列技術（FPGA）已被應用到硬件加速或者專用處理器設計，如果遠程抄表終端可以加入硬件加速或者專用處理器，終端的處理效率將會得到很大的提升。
