基本信息
- 項目名稱：
- 基于GPRS與J2ee架構的智能電表系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目所設計的智能電表，基于J2ee架構，采用GPRS通信，具有分時雙向計量、無線抄表、遠程控制、偷電漏電和短路保護、及時報警和即時通信等功能。系統(tǒng)電源采用硬件自動控制，使用超級電容作為備用電源，能對事故進行實時處理。采用uCOS系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的智能程度。采用J2ee架構，使抄表、查詢云端化，管理集中化，跨入“云抄表”時代。該表具有低成本、低功耗、智能程度高等優(yōu)點。
- 詳細介紹：
- 隨著經(jīng)濟高速發(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，相應的雙向計費電表的存在就顯得十分重要。同時，為了保護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制。我們特設計制作了基于GPRS通信和J2ee的雙向計量的智能電表。針對用戶安全、及時信息保護和緊急事故處理，本電表能具有根據(jù)實際情況處理火災斷路、短路保護等能力。一旦遇到緊急事故，能及時自動通知供電單位，報告該用戶已經(jīng)斷電，請及時前來維護。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，很好的為供電部門提供有效的一手相關信息，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)上應用J2ee架構，使查詢云端化，管理集中化，真正跨入“云抄表”時代。 本電能表還具有雙向計量功能，可設在電力用戶或并網(wǎng)發(fā)電入口處，用來雙向計量用戶的電能消費、電能供應等各自情況。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、該表運行情況、用戶不同時段消費的電量參數(shù)和用戶不同時段供應的電量參數(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)。 如何準確、及時、可靠地計量各種參數(shù)、設定各項參數(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、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重要的事情。它不僅能準確反映了用戶電能消費的具體情況和用戶提供電能的詳細情況，還能及時處理各種突發(fā)事件，保護用戶的生命財產(chǎn)安全。該智能電表還具有：通過GPRS遠程修改電價、計量時段等相關計量參數(shù)，為用戶提供透明的信息；遠程斷電、拉閘限電；偷電漏電保護，自動通知供電部門；火災自動斷路、短路自動保護措施和及時報警和通知供電單位等突出功能。在實時性上，本智能電表能用并發(fā)執(zhí)行多種任務功能，實時監(jiān)控電能各自參數(shù)和系統(tǒng)運行情況。同時，用戶可以通過液晶顯示屏查看電能詳細使用情況，但不能做任何修改。這方便用戶了解自身的消費和供給情況。由于本電能表采用功能完善的STPM01計量芯片和MSP430F5438低功耗微控制器設計,再加上具有GPRS遠程通信功能,因此與傳統(tǒng)感應式機械電表、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： 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（正常工作時沒有電能損耗），開關電源芯片降壓與巧妙的電路設計（低紋波），本表的平均功耗大約0.3w以下。而一般感應式電表的功耗為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。感應式電表的誤差范圍則為+0.86%到-5.7%,而且由于機械磨損這種無法克服的缺陷,導致感應式電能表越走越慢,最終誤差越來越大。國家電網(wǎng)曾對感應式電表進行抽查,結果發(fā)現(xiàn)50%以上的感應式電表在用了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,可以通過相關的通信協(xié)議與計算機進行聯(lián)網(wǎng),通過編程軟件實現(xiàn)對硬件的控制管理。本智能電表不僅有體積小的特點,還具有分時雙向計量、無線抄表、遠程控制、偷電漏電保護、火災斷路、短路保護措施、及時報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)的感應式電表來說都是很難實現(xiàn)的。 ④智能化程度高本智能電表創(chuàng)新地在核心單片機上移植了uCOS實時系統(tǒng)，能夠同時處理多個外部時間，智能應對各種突發(fā)情況，名副其實地能夠稱之為“智能”。據(jù)筆者了解，在國內(nèi)外，電子式電度表在很多時候都采用的是流程化，也就是采樣——計算——存儲的模式，同時在實現(xiàn)遠程抄表的技術上，特別是基于GPRS的遠程抄表系統(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，也可以正常的進行電表數(shù)據(jù)采集以及外部突發(fā)情況的檢測。能夠很好地適應各種應用場合和應用方式。 ⑤可靠性強本智能電表的電源采用硬件自動控制，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)運行，完成相關事件處理。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、能提供瞬間大電流、沒有過放和過充的問題。 ⑥硬件上，實時監(jiān)測GPRS的連接情況，并反饋給軟件實時監(jiān)測。如斷線則自動重連接。通過硬件與軟件上的結合，提高了系統(tǒng)可靠性。 ⑦設計模塊化。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)能夠自動識別，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量。針對以后太陽能、風能等并網(wǎng)發(fā)電，我們特設計出具有雙向計費的多功能智能電表。在繼電保護，偷電漏電處理，火災斷路以及線路故障報告等突發(fā)情況上，不需要依賴外部設備，依靠uCOS實時系統(tǒng)能直接并發(fā)執(zhí)行多種任務。同時，本智能表具有低功耗、低成本、智能化等特點。用到的器件除了計量芯片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，在管理查詢方面，我們通過J2ee架構，實現(xiàn)了查詢云端化，管理集中化，真正跨入“云抄表”時代。總之，我們通過自己的硬件、軟件創(chuàng)新，設計和制作出了基于GPRS的多功能低功耗智能電表。
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
- 目的： 為了克服傳統(tǒng)電表抄表工作繁雜、無法防盜電、不能分時計量的不足，滿足社會對智能表的迫切需求，特別是在雙向分時計量、遠程抄表、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)這種性價比高、高效、多功能的智能電表還比較缺乏，性能與國外先進技術還有較大差距。設計和研制多功能智能電表來滿足市場和社會的需要，具有很大的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。 基本思路： 采用專用計量芯片STPM01進行數(shù)據(jù)采樣，依靠uCOS系統(tǒng)實時并發(fā)執(zhí)行多種任務，通過GPRS進行數(shù)據(jù)通信和基于J2ee架構的多樣化服務器端實現(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)運行穩(wěn)定可靠，通過軟件對數(shù)據(jù)進行實時分析處理。 創(chuàng)新點： ①能自動分時對電能各種參數(shù)進行雙向計量； 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，能實現(xiàn)多任務并發(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服務器端采用J2ee b/s架構，實現(xiàn)管理集中化和用戶查詢云端化。 技術關鍵點： 電能計量技術、系統(tǒng)主副電源設計、GPRS通信技術、uCOS系統(tǒng)技術、J2ee技術，b/s服務模式技術，網(wǎng)頁技術。 主要技術指標： ①電能計量誤差在0.1%； ②系統(tǒng)電源自動控制； ③GPRS數(shù)據(jù)通信掉包率低于15%，并且具有數(shù)據(jù)包查錯和自動重發(fā)功能； ④理論上不限制終端數(shù)量（具體情況視服務器內(nèi)存大?。?； ⑤終端不需要配置就能無縫接入網(wǎng)絡。
科學性、先進性
- ①與傳統(tǒng)電子式和現(xiàn)有智能電表相比，采用更為先進、專業(yè)的電能計量芯片、微處理芯片和運用uCOS系統(tǒng)，對電能參數(shù)實時采樣和多任務并發(fā)處理，具有高精度、低功耗、多功能、高智能等特點。 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，具有分時雙向計量、偷電漏電保護、及時報警等功能，采用了GPRS數(shù)據(jù)傳輸，實現(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結合的方式，實現(xiàn)多樣化的服務器端。 ⑤設計模塊化：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)能夠自動識別，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，這樣的計量系統(tǒng)也尤為重要了。
獲獎情況及鑒定結果
- 2011年5月，在本校大學生“挑戰(zhàn)杯”競賽中，獲得一等獎。 2011年6月，在四川省第十一屆大學生“挑戰(zhàn)杯”競賽中，獲得一等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 技術轉讓
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(jīng)濟效益預測
- 技術特點： 運用STPM01精確采樣，使用移植有uCOS系統(tǒng)低功耗的MSP430進行處理，采用超級電容作為蓄電裝置，并且利用GPRS進行數(shù)據(jù)通信構建起以J2ee架構和b/s模式為基礎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、可靠性強該智能電表可運用于基本電能的計量，特別適合于太陽能、風能并網(wǎng)發(fā)電和分時電價計量等用電場合。 預測： 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，獨特的云查詢功能，非常適合日后“云抄表”時代的主流產(chǎn)品。
同類課題研究水平概述
- 智能電表從現(xiàn)行技術來看主要有IC卡預付費式和遠程抄表式。IC卡電表收費系統(tǒng)安全性高,不易仿制,收費準確,不易出錯，使用壽命長。IC卡表的系統(tǒng)功能包括預收費功能,報警功能,斷電功能,顯示功能和加密功能。它的整個收費系統(tǒng)包括主機,IC卡電表和IC卡三部分。目前，IC卡收費系統(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)主機并沒有直接聯(lián)系,只有在用戶持卡交費時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網(wǎng)絡脫節(jié)。另外，市場上一般的IC卡預運費式采用的是一機一刷卡系統(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。 遠程自動抄表系統(tǒng)實現(xiàn)用電數(shù)據(jù)的自動抄收,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)可直接進入用電營業(yè)的計算機管理系統(tǒng),管理人員可隨時監(jiān)視用電情況?，F(xiàn)在國內(nèi)的遠傳抄表系統(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)進行調(diào)制解調(diào),通過電力線進行通訊以實現(xiàn)集中抄表。485總線方式的數(shù)據(jù)傳輸可靠性高,且造價較低,缺點是需布線,安裝較復雜。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。而采用電力載波進行通信的電能表可以避免單獨拉線的弊端，但是通信穩(wěn)定性又讓人擔憂，特別是電網(wǎng)諧波大，負載大的場合，數(shù)據(jù)錯誤率就更加的嚴重了。現(xiàn)在電力載波發(fā)展不是很成熟，方案良莠不齊，技術也不成熟，因此此方案還處于實驗階段。 而本智能電表默認采用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)設計采用模塊化，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。
