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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的電能量采集終端
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 隨著信息技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)無所不在的物聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)代即將來臨。作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)采集過程顯得尤為重要。為配合落實(shí)國家電網(wǎng)關(guān)于"智能電網(wǎng)"計(jì)劃的實(shí)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(shè)計(jì)開發(fā)了一種面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的電能量采集終端，克服了傳統(tǒng)手動(dòng)抄表效率低下的缺點(diǎn)，在傳輸方式上不僅多種通信接口，還融入了FPGA技術(shù)，使得終端更具運(yùn)行效率和智能性。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)無所不在的物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things, IOT)通信時(shí)代即將來臨。當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)僅限于人與人之間的互聯(lián)，而物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)是通過各種信息傳感設(shè)備與智能通訊系統(tǒng)把全球范圍內(nèi)的物理物體、信息技術(shù)系統(tǒng)和人有機(jī)的連接起來，從而能夠通過數(shù)據(jù)采集、分析、預(yù)測、優(yōu)化等技術(shù)，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(shí)現(xiàn)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(wǎng)在教育、醫(yī)療、交通、電力等方面的應(yīng)用建立了大規(guī)模的云計(jì)算平臺。2009年溫家寶總理提出“感知中國”的構(gòu)想，強(qiáng)調(diào)了物聯(lián)網(wǎng)給人民生活帶來的提升。 雖然在我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)得到了一定的發(fā)展，但是其在諸如電力等關(guān)系國計(jì)民生的重要領(lǐng)域中的應(yīng)用依然薄弱。作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)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(xiàn)狀，開發(fā)一款具有電量現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、電價(jià)計(jì)量、用電管理等功能，并且能夠自動(dòng)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上級主站的電能量采集終端設(shè)備就變得十分重要。由于物聯(lián)網(wǎng)中每個(gè)物件都要有獨(dú)立的地址，并且數(shù)以萬計(jì)的物件通過互聯(lián)后將產(chǎn)生巨大的網(wǎng)絡(luò)流量，所以當(dāng)前的IPv4地址數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)性能將不能滿足要求，必須以IPv6網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行取代。電能量采集終端的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，單一的數(shù)據(jù)通信方式將不能滿足其應(yīng)用要求，所以電能量采集終端應(yīng)該在支持IPv6的基礎(chǔ)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(fù)雜性和嵌入式設(shè)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(fù)雜的協(xié)議將非常困難。隨著FPGA以及專用處理芯片等技術(shù)的發(fā)展和成熟，利用FPGA技術(shù)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(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的要求。本項(xiàng)目中將完善和整合這些核心技術(shù)的應(yīng)用，使得社會(huì)公眾感受到核心技術(shù)應(yīng)用所帶來的便利和效率。 基于以上的發(fā)展趨勢和研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的電能量采集終端，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)省去了手動(dòng)抄表帶來的人力物力浪費(fèi)，提高了工作效率；(2)提高了電力數(shù)據(jù)采集的精確度，避免了人為因素造成的損失；(3)能夠?qū)崟r(shí)地分析電力用戶的用電特性和當(dāng)前的用電情況，為監(jiān)控、計(jì)費(fèi)、調(diào)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(shí)現(xiàn)多種環(huán)境下數(shù)據(jù)的傳輸；(5)借助于IPv6網(wǎng)絡(luò)能提供服務(wù)質(zhì)量和安全保證的特點(diǎn)和廣闊的地址空間，提高了電力數(shù)據(jù)的傳輸速率和可靠性，并且可以為每個(gè)抄表終端分配一個(gè)唯一的IPv6地址，便于設(shè)備的尋址以及設(shè)備管理；(6)使用FPAG技術(shù)固化協(xié)議解析過程或者專用處理芯片，提高嵌入式設(shè)備的數(shù)據(jù)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(fèi)，而且手動(dòng)的抄寫耗時(shí)易錯(cuò)，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(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，而且能夠?qū)崟r(shí)檢測用戶的用電狀況，對用電的調(diào)度和用電安全管理等方面提供了有效的手段；(2)IPv4網(wǎng)絡(luò)在通信帶寬和安全保障方面無法滿足大量實(shí)時(shí)電力數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸，而且隨著IPv4地址數(shù)目的日益枯竭，已不能適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)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(shù)據(jù)的傳輸速率和可靠性，為每個(gè)終端設(shè)備分配唯一的IPv6地址便于物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備的尋址及管理，還可以通過其他通信技術(shù)方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；(3)嵌入式設(shè)備的資源有限，而像IPv6協(xié)議這樣的復(fù)雜的通信協(xié)議如果在嵌入式設(shè)備上進(jìn)行解析將耗費(fèi)大量的資源和時(shí)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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(yīng)用到電能量采集終端中完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)裙δ埽?2)自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的輕型嵌入式IPv4/IPv6雙協(xié)議棧，該協(xié)議棧根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?，在資源消耗和通信速率方面達(dá)到嵌入式設(shè)備要求。協(xié)議棧將被應(yīng)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(xiàn)有的IPv4網(wǎng)絡(luò)；(3)將復(fù)雜協(xié)議的解析過程利用FPGA進(jìn)行固化或者利用專用芯片進(jìn)行解析，大大提高了協(xié)議解析的速度；(4)將IPv6技術(shù)引入到了電能量采集系統(tǒng)中，使采集終端具備接入IPv6網(wǎng)絡(luò)的能力，充分利用下一代互聯(lián)網(wǎng)帶來的優(yōu)勢。支持IPv6的電能量采集終端符合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢，因此在市場上將有廣闊的應(yīng)用前景。 另外該項(xiàng)目已提出專利申請3項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文1篇。
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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)
- 作為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)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(dāng)前已有的電能量采集終端大多數(shù)都存在功能簡單、通信傳輸協(xié)議單一、不能使用復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境的缺點(diǎn)。基于以上現(xiàn)狀，我們根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的特征和已有的核心技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和實(shí)現(xiàn)，自行設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(shù)的多功能電能量采集終端。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 自行設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的支持IPv4/IPv6的嵌入式雙協(xié)議棧，完成對下一代互聯(lián)網(wǎng)的支持和對當(dāng)前IPv4網(wǎng)絡(luò)的兼容。借助于IPv6網(wǎng)絡(luò)能提供服務(wù)質(zhì)量和安全保證的特點(diǎn)和廣闊的地址空間，可以為每個(gè)抄表終端分配一個(gè)唯一的IPv6地址，便于設(shè)備的尋址以及設(shè)備管理。 在硬件設(shè)計(jì)方面，使用FPAG技術(shù)固化協(xié)議解析過程或者專用處理芯片，提高嵌入式設(shè)備的數(shù)據(jù)處理速度，并根據(jù)電能量采集終端的具體功能自主設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)電能量采集終端的具體功能時(shí)，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(shù)，利用已有的關(guān)鍵技術(shù)形成多種功能一體化的集成的嵌入式系統(tǒng)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、現(xiàn)場演示
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
- 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的電能量采集終端，它具備以下技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢：(1)省去了手動(dòng)抄表帶來的人力物力浪費(fèi)，能夠?yàn)殡娏ΡO(jiān)控、計(jì)費(fèi)、調(diào)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(shí)現(xiàn)多種環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸；(3)使用FPAG技術(shù)固化協(xié)議解析過程或者專用處理芯片，提高嵌入式設(shè)備的數(shù)據(jù)處理速度。 該終端作為智能電網(wǎng)的一部分，在電力行業(yè)將有很大的應(yīng)用前景，不僅提高了電力行業(yè)的整體效率，也能使社會(huì)公眾感受到核心技術(shù)帶來的便利和效率。如果能將該終端應(yīng)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(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 傳統(tǒng)的手動(dòng)抄表終端所帶來的資源浪費(fèi)和效率不高已成為一個(gè)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(nèi)的大多數(shù)的高檔住宅小區(qū)中都開始安裝遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，包括每個(gè)住戶家的水表、電表、煤氣表等計(jì)量表。小區(qū)中采用住宅集中式抄表管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)小區(qū)聯(lián)網(wǎng)抄錄電表、水表、純水表和煤氣表的讀數(shù)，在小區(qū)的管理微機(jī)上能進(jìn)行自動(dòng)抄錄、自動(dòng)計(jì)費(fèi)、狀態(tài)查詢，能夠記錄并打印歷史數(shù)據(jù)，提供表數(shù)據(jù)接口，并在授權(quán)情況下進(jìn)行人工修改、換表和水電氣表結(jié)算。如果在管理中心添置相應(yīng)的MODEM或路由器，可以實(shí)現(xiàn)外部遠(yuǎn)程訪問。而在國外，該種遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用十分廣泛，基本上已經(jīng)做到了“一戶一表”。 目前大部分的遠(yuǎn)程抄表只具備單一的無線傳輸技術(shù)，比如采用GPRS、RS485、無線、紅外等技術(shù)。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(yuǎn)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(yàn)階段，技術(shù)并不成熟，電力載波抄表的應(yīng)用將需要一段較長的時(shí)間。而另一方面，基于IPv4或者IPv6網(wǎng)絡(luò)的有線傳輸技術(shù)已經(jīng)十分成熟可靠，而且嵌入式設(shè)備在互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用也十分廣泛。如果遠(yuǎn)程抄表終端支持IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)的話，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)來查看用電情況，而且終端采集可以將采集到的電力數(shù)據(jù)通過IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥硞€(gè)集中站，而該集中站可能在地理位置離終端較遠(yuǎn)。 IPv4網(wǎng)絡(luò)歷經(jīng)多年發(fā)展，雖然技術(shù)比較成熟，但是地址短缺的問題已經(jīng)日益明顯。嵌入式設(shè)備不斷地接入網(wǎng)絡(luò)，需要更多的IP地址，因此嵌入式設(shè)備支持IPv6協(xié)議已經(jīng)是一個(gè)趨勢。但是IPv4網(wǎng)絡(luò)到IPv6網(wǎng)絡(luò)仍存在一個(gè)較長的過渡時(shí)期，在這段過渡時(shí)期內(nèi)，需要設(shè)備能夠同時(shí)支持IPv4和IPv6協(xié)議。 現(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)（FPGA）已被應(yīng)用到硬件加速或者專用處理器設(shè)計(jì)，如果遠(yuǎn)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(huì)得到很大的提升。
