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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于GPRS與J2ee架構(gòu)的智能電表系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的智能電表，基于J2ee架構(gòu)，采用GPRS通信，具有分時(shí)雙向計(jì)量、無線抄表、遠(yuǎn)程控制、偷電漏電和短路保護(hù)、及時(shí)報(bào)警和即時(shí)通信等功能。系統(tǒng)電源采用硬件自動(dòng)控制，使用超級電容作為備用電源，能對事故進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。采用uCOS系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的智能程度。采用J2ee架構(gòu)，使抄表、查詢云端化，管理集中化，跨入“云抄表”時(shí)代。該表具有低成本、低功耗、智能程度高等優(yōu)點(diǎn)。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，我們對電力的需求也越來越大。為保證太陽能并網(wǎng)發(fā)電、分布式發(fā)電的推廣，相應(yīng)的雙向計(jì)費(fèi)電表的存在就顯得十分重要。同時(shí)，為了保護(hù)電力部門的利益不被非法占有，打擊現(xiàn)在日益猖獗的竊電行為，迫切需要一種檢測盜電的機(jī)制。我們特設(shè)計(jì)制作了基于GPRS通信和J2ee的雙向計(jì)量的智能電表。針對用戶安全、及時(shí)信息保護(hù)和緊急事故處理，本電表能具有根據(jù)實(shí)際情況處理火災(zāi)斷路、短路保護(hù)等能力。一旦遇到緊急事故，能及時(shí)自動(dòng)通知供電單位，報(bào)告該用戶已經(jīng)斷電，請及時(shí)前來維護(hù)。這不但提高了電力部門的事故處理效率同，也把用戶的損失降到最低。同時(shí)，很好的為供電部門提供有效的一手相關(guān)信息，為人員安排、電能調(diào)度提供可靠依據(jù)。在查詢和抄表系統(tǒng)上應(yīng)用J2ee架構(gòu)，使查詢云端化，管理集中化，真正跨入“云抄表”時(shí)代。 本電能表還具有雙向計(jì)量功能，可設(shè)在電力用戶或并網(wǎng)發(fā)電入口處，用來雙向計(jì)量用戶的電能消費(fèi)、電能供應(yīng)等各自情況。它通過GPRS通信方式為管理部門一次性提供各種數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括：電表的序列號、該表運(yùn)行情況、用戶不同時(shí)段消費(fèi)的電量參數(shù)和用戶不同時(shí)段供應(yīng)的電量參數(shù)。電量參數(shù)包括：電壓、電流、頻率、功率、諧波、有功電能、無功電能、視在電能等電量參數(shù)。 如何準(zhǔn)確、及時(shí)、可靠地計(jì)量各種參數(shù)、設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)、并將各種數(shù)據(jù)抄讀回來以及對各種突發(fā)事件及時(shí)、可靠地處理，無論對電力部門，還是對用戶本身來說都是至關(guān)重要的事情。它不僅能準(zhǔn)確反映了用戶電能消費(fèi)的具體情況和用戶提供電能的詳細(xì)情況，還能及時(shí)處理各種突發(fā)事件，保護(hù)用戶的生命財(cái)產(chǎn)安全。該智能電表還具有：通過GPRS遠(yuǎn)程修改電價(jià)、計(jì)量時(shí)段等相關(guān)計(jì)量參數(shù)，為用戶提供透明的信息；遠(yuǎn)程斷電、拉閘限電；偷電漏電保護(hù)，自動(dòng)通知供電部門；火災(zāi)自動(dòng)斷路、短路自動(dòng)保護(hù)措施和及時(shí)報(bào)警和通知供電單位等突出功能。在實(shí)時(shí)性上，本智能電表能用并發(fā)執(zhí)行多種任務(wù)功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控電能各自參數(shù)和系統(tǒng)運(yùn)行情況。同時(shí)，用戶可以通過液晶顯示屏查看電能詳細(xì)使用情況，但不能做任何修改。這方便用戶了解自身的消費(fèi)和供給情況。由于本電能表采用功能完善的STPM01計(jì)量芯片和MSP430F5438低功耗微控制器設(shè)計(jì),再加上具有GPRS遠(yuǎn)程通信功能,因此與傳統(tǒng)感應(yīng)式機(jī)械電表、全電子式電表在性能、操作與功能上都具有很大的優(yōu)勢。大致歸納出以下特點(diǎn)： ①功耗低。我們采用超低功耗的MSP430F5438作為微處理器，超級電容蓄電（正常工作時(shí)沒有電能損耗），開關(guān)電源芯片降壓與巧妙的電路設(shè)計(jì)（低紋波），本表的平均功耗大約0.3w以下。而一般感應(yīng)式電表的功耗為1.7w左右。 ②精度高。2.0級電子式電能表在5%-400%標(biāo)定電流范圍內(nèi)測量的誤差為±2%,而此電能表精確等級為1.0級，誤差更小。感應(yīng)式電表的誤差范圍則為+0.86%到-5.7%,而且由于機(jī)械磨損這種無法克服的缺陷,導(dǎo)致感應(yīng)式電能表越走越慢,最終誤差越來越大。國家電網(wǎng)曾對感應(yīng)式電表進(jìn)行抽查,結(jié)果發(fā)現(xiàn)50%以上的感應(yīng)式電表在用了5年以后,其誤差就超過了允許的范圍。 ③功能全面本智能電表由于采用了電子表技術(shù),可以通過相關(guān)的通信協(xié)議與計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),通過編程軟件實(shí)現(xiàn)對硬件的控制管理。本智能電表不僅有體積小的特點(diǎn),還具有分時(shí)雙向計(jì)量、無線抄表、遠(yuǎn)程控制、偷電漏電保護(hù)、火災(zāi)斷路、短路保護(hù)措施、及時(shí)報(bào)警和通知供電單位等功能,而且可以通過對控制軟件中不同參數(shù)的修改,來滿足對控制功能的不同要求,而這些功能對于傳統(tǒng)的感應(yīng)式電表來說都是很難實(shí)現(xiàn)的。 ④智能化程度高本智能電表創(chuàng)新地在核心單片機(jī)上移植了uCOS實(shí)時(shí)系統(tǒng)，能夠同時(shí)處理多個(gè)外部時(shí)間，智能應(yīng)對各種突發(fā)情況，名副其實(shí)地能夠稱之為“智能”。據(jù)筆者了解，在國內(nèi)外，電子式電度表在很多時(shí)候都采用的是流程化，也就是采樣——計(jì)算——存儲(chǔ)的模式，同時(shí)在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表的技術(shù)上，特別是基于GPRS的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)上，也由于通信的連接等待和數(shù)據(jù)收發(fā)延遲上，達(dá)不到很好的效果。我們創(chuàng)新性地在該電度表上移植操作系統(tǒng)，使之具有并發(fā)執(zhí)行任務(wù)的能力，在等待信道連接和等待數(shù)據(jù)收發(fā)完成的同時(shí)，也可以正常的進(jìn)行電表數(shù)據(jù)采集以及外部突發(fā)情況的檢測。能夠很好地適應(yīng)各種應(yīng)用場合和應(yīng)用方式。 ⑤可靠性強(qiáng)本智能電表的電源采用硬件自動(dòng)控制，讓系統(tǒng)電源始終保持穩(wěn)定。即使是主電源掉電，副電源也能瞬間（0.01S左右）切換，保證系統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行，完成相關(guān)事件處理。副電源沒有采用普通的蓄電池或者鋰電池，而是采用超級電容，擺脫了電池壽命和充放電電流大小的限制。超級電容免維護(hù)、能提供瞬間大電流、沒有過放和過充的問題。 ⑥硬件上，實(shí)時(shí)監(jiān)測GPRS的連接情況，并反饋給軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測。如斷線則自動(dòng)重連接。通過硬件與軟件上的結(jié)合，提高了系統(tǒng)可靠性。 ⑦設(shè)計(jì)模塊化。如果對于集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也可以將本表的GPRS模塊更改為其它通信模塊（比如RS485、電力載波等），系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別，不需要更改硬件電路，使得本系統(tǒng)有良好的兼容性。 綜上所述，智能電表是社會(huì)走向信息智能化的必備產(chǎn)品。而現(xiàn)目前國內(nèi)智能電表功能還比較單一，功能不夠完善。并且，現(xiàn)在市場上電表普遍是單向計(jì)量。針對以后太陽能、風(fēng)能等并網(wǎng)發(fā)電，我們特設(shè)計(jì)出具有雙向計(jì)費(fèi)的多功能智能電表。在繼電保護(hù)，偷電漏電處理，火災(zāi)斷路以及線路故障報(bào)告等突發(fā)情況上，不需要依賴外部設(shè)備，依靠uCOS實(shí)時(shí)系統(tǒng)能直接并發(fā)執(zhí)行多種任務(wù)。同時(shí)，本智能表具有低功耗、低成本、智能化等特點(diǎn)。用到的器件除了計(jì)量芯片STPM01和微處理器MSP430F5438外，其余如放大器等各種電器元件都是普通廉價(jià)的。而基于GPRS的數(shù)據(jù)通信，能比較好的解決數(shù)據(jù)通信問題。同時(shí)，在管理查詢方面，我們通過J2ee架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了查詢云端化，管理集中化，真正跨入“云抄表”時(shí)代?？傊?，我們通過自己的硬件、軟件創(chuàng)新，設(shè)計(jì)和制作出了基于GPRS的多功能低功耗智能電表。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的： 為了克服傳統(tǒng)電表抄表工作繁雜、無法防盜電、不能分時(shí)計(jì)量的不足，滿足社會(huì)對智能表的迫切需求，特別是在雙向分時(shí)計(jì)量、遠(yuǎn)程抄表、防盜電、通信、并網(wǎng)、集成管理、云端查詢等方面的智能化要求。目前國內(nèi)這種性價(jià)比高、高效、多功能的智能電表還比較缺乏，性能與國外先進(jìn)技術(shù)還有較大差距。設(shè)計(jì)和研制多功能智能電表來滿足市場和社會(huì)的需要，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 基本思路： 采用專用計(jì)量芯片STPM01進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，依靠uCOS系統(tǒng)實(shí)時(shí)并發(fā)執(zhí)行多種任務(wù)，通過GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和基于J2ee架構(gòu)的多樣化服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)方便的管理及查詢。利用硬件電路巧妙的控制保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，通過軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。 創(chuàng)新點(diǎn)： ①能自動(dòng)分時(shí)對電能各種參數(shù)進(jìn)行雙向計(jì)量； ②系統(tǒng)備用電源使用超級電容作為蓄電裝置，安全穩(wěn)定； ③操作系統(tǒng)采用uCOS，能實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行； ④數(shù)據(jù)通信采用GPRS通信，且在突發(fā)情況下立即與控制中心通信； ⑤服務(wù)器端采用J2ee b/s架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)管理集中化和用戶查詢云端化。 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)： 電能計(jì)量技術(shù)、系統(tǒng)主副電源設(shè)計(jì)、GPRS通信技術(shù)、uCOS系統(tǒng)技術(shù)、J2ee技術(shù)，b/s服務(wù)模式技術(shù)，網(wǎng)頁技術(shù)。 主要技術(shù)指標(biāo)： ①電能計(jì)量誤差在0.1%； ②系統(tǒng)電源自動(dòng)控制； ③GPRS數(shù)據(jù)通信掉包率低于15%，并且具有數(shù)據(jù)包查錯(cuò)和自動(dòng)重發(fā)功能； ④理論上不限制終端數(shù)量（具體情況視服務(wù)器內(nèi)存大?。? ⑤終端不需要配置就能無縫接入網(wǎng)絡(luò)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- ①與傳統(tǒng)電子式和現(xiàn)有智能電表相比，采用更為先進(jìn)、專業(yè)的電能計(jì)量芯片、微處理芯片和運(yùn)用uCOS系統(tǒng)，對電能參數(shù)實(shí)時(shí)采樣和多任務(wù)并發(fā)處理，具有高精度、低功耗、多功能、高智能等特點(diǎn)。 ②主副電源高效穩(wěn)定，備用電源采用超級電容安全可靠，硬件實(shí)現(xiàn)掉電快速（0.01S內(nèi)）穩(wěn)定切換，增加系統(tǒng)可靠性。 ③與一般智能電表相比，具有分時(shí)雙向計(jì)量、偷電漏電保護(hù)、及時(shí)報(bào)警等功能，采用了GPRS數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信、管理集中化和用戶查詢云端化。完全能夠?qū)崿F(xiàn)智能云抄表。 ④使用J2SE與J2EE結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)多樣化的服務(wù)器端。 ⑤設(shè)計(jì)模塊化：如果對于集中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也可以將本表的GPRS模塊更改為其它通信模塊（比如RS485、電力載波等），系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別，不需要更改硬件電路，使得本系統(tǒng)有良好的兼容性。 ⑥能夠用在光伏、風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電的電能測量，在能源日益緊張的環(huán)境下，這樣的計(jì)量系統(tǒng)也尤為重要了。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2011年5月，在本校大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”競賽中，獲得一等獎(jiǎng)。 2011年6月，在四川省第十一屆大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”競賽中，獲得一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 樣品、現(xiàn)場演示、圖片、視頻
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 技術(shù)特點(diǎn)： 運(yùn)用STPM01精確采樣，使用移植有uCOS系統(tǒng)低功耗的MSP430進(jìn)行處理，采用超級電容作為蓄電裝置，并且利用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信構(gòu)建起以J2ee架構(gòu)和b/s模式為基礎(chǔ)的管理集中化和用戶查詢云端化的智能電表。 優(yōu)勢： 測量精度高、功能全面、低功耗、成本低、智能化程度高、可靠性強(qiáng)該智能電表可運(yùn)用于基本電能的計(jì)量，特別適合于太陽能、風(fēng)能并網(wǎng)發(fā)電和分時(shí)電價(jià)計(jì)量等用電場合。 預(yù)測： 在能源日益緊張的環(huán)境下，各種發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)在逐漸興趣，并網(wǎng)計(jì)量就不可缺少。另外，該表成本低、功耗小，適合大面積推廣使用，獨(dú)特的云查詢功能，非常適合日后“云抄表”時(shí)代的主流產(chǎn)品。
同類課題研究水平概述
- 智能電表從現(xiàn)行技術(shù)來看主要有IC卡預(yù)付費(fèi)式和遠(yuǎn)程抄表式。IC卡電表收費(fèi)系統(tǒng)安全性高,不易仿制,收費(fèi)準(zhǔn)確,不易出錯(cuò)，使用壽命長。IC卡表的系統(tǒng)功能包括預(yù)收費(fèi)功能,報(bào)警功能,斷電功能,顯示功能和加密功能。它的整個(gè)收費(fèi)系統(tǒng)包括主機(jī),IC卡電表和IC卡三部分。目前，IC卡收費(fèi)系統(tǒng)在我國得到了較大范圍的推廣。但是,從系統(tǒng)的角度來看,由于用戶終端與系統(tǒng)主機(jī)并沒有直接聯(lián)系,只有在用戶持卡交費(fèi)時(shí)才能了解到用戶情況,信息反饋滯后。所以,用戶終端仍然與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)脫節(jié)。另外，市場上一般的IC卡預(yù)運(yùn)費(fèi)式采用的是一機(jī)一刷卡系統(tǒng)，而刷卡系統(tǒng)現(xiàn)目前看也并不是很低廉的，功耗也不低，這對一個(gè)電能表系統(tǒng)來說，不管是成本還是功耗來說，都是一筆不小的開支。 遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用電數(shù)據(jù)的自動(dòng)抄收,可杜絕人工工作量大造成誤操作的弊端。用戶的用電數(shù)據(jù)可直接進(jìn)入用電營業(yè)的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng),管理人員可隨時(shí)監(jiān)視用電情況?，F(xiàn)在國內(nèi)的遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)主要有485總線和電力載波抄表兩種形式,電力載波集抄系統(tǒng)是利用專用芯片對用電數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制解調(diào),通過電力線進(jìn)行通訊以實(shí)現(xiàn)集中抄表。485總線方式的數(shù)據(jù)傳輸可靠性高,且造價(jià)較低,缺點(diǎn)是需布線,安裝較復(fù)雜。另外拉線易被人為破壞,特別是現(xiàn)在各種通信線路多而雜，可靠性就令人擔(dān)憂，這小區(qū)的環(huán)境也帶來了不小的損害。而采用電力載波進(jìn)行通信的電能表可以避免單獨(dú)拉線的弊端，但是通信穩(wěn)定性又讓人擔(dān)憂，特別是電網(wǎng)諧波大，負(fù)載大的場合，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率就更加的嚴(yán)重了?，F(xiàn)在電力載波發(fā)展不是很成熟，方案良莠不齊，技術(shù)也不成熟，因此此方案還處于實(shí)驗(yàn)階段。 而本智能電表默認(rèn)采用GPRS通信，該方案成熟，許多場合都在大量使用，穩(wěn)定性不容懷疑。另外，本系統(tǒng)也考慮了和其它通信相兼容，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化，如果是集中數(shù)據(jù)采集的方式，可以用RS485模塊或者電力載波模塊直接替換GPRS模塊，不需要修改其它硬件與軟件，將數(shù)據(jù)發(fā)到集中采集點(diǎn)。
