基本信息
- 项目名称：
- 基于GPRS与J2ee架构的智能电表系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目所设计的智能电表，基于J2ee架构，采用GPRS通信，具有分时双向计量、无线抄表、远程控制、偷电漏电和短路保护、及时报警和即时通信等功能。系统电源采用硬件自动控制，使用超级电容作为备用电源，能对事故进行实时处理。采用uCOS系统，提高了系统的智能程度。采用J2ee架构，使抄表、查询云端化，管理集中化，跨入“云抄表”时代。该表具有低成本、低功耗、智能程度高等优点。
- 详细介绍：
- 随着经济高速发展，我们对电力的需求也越来越大。为保证太阳能并网发电、分布式发电的推广，相应的双向计费电表的存在就显得十分重要。同时，为了保护电力部门的利益不被非法占有，打击现在日益猖獗的窃电行为，迫切需要一种检测盗电的机制。我们特设计制作了基于GPRS通信和J2ee的双向计量的智能电表。针对用户安全、及时信息保护和紧急事故处理，本电表能具有根据实际情况处理火灾断路、短路保护等能力。一旦遇到紧急事故，能及时自动通知供电单位，报告该用户已经断电，请及时前来维护。这不但提高了电力部门的事故处理效率同，也把用户的损失降到最低。同时，很好的为供电部门提供有效的一手相关信息，为人员安排、电能调度提供可靠依据。在查询和抄表系统上应用J2ee架构，使查询云端化，管理集中化，真正跨入“云抄表”时代。 本电能表还具有双向计量功能，可设在电力用户或并网发电入口处，用来双向计量用户的电能消费、电能供应等各自情况。它通过GPRS通信方式为管理部门一次性提供各种数据。数据包括：电表的序列号、该表运行情况、用户不同时段消费的电量参数和用户不同时段供应的电量参数。电量参数包括：电压、电流、频率、功率、谐波、有功电能、无功电能、视在电能等电量参数。 如何准确、及时、可靠地计量各种参数、设定各项参数、并将各种数据抄读回来以及对各种突发事件及时、可靠地处理，无论对电力部门，还是对用户本身来说都是至关重要的事情。它不仅能准确反映了用户电能消费的具体情况和用户提供电能的详细情况，还能及时处理各种突发事件，保护用户的生命财产安全。该智能电表还具有：通过GPRS远程修改电价、计量时段等相关计量参数，为用户提供透明的信息；远程断电、拉闸限电；偷电漏电保护，自动通知供电部门；火灾自动断路、短路自动保护措施和及时报警和通知供电单位等突出功能。在实时性上，本智能电表能用并发执行多种任务功能，实时监控电能各自参数和系统运行情况。同时，用户可以通过液晶显示屏查看电能详细使用情况，但不能做任何修改。这方便用户了解自身的消费和供给情况。由于本电能表采用功能完善的STPM01计量芯片和MSP430F5438低功耗微控制器设计,再加上具有GPRS远程通信功能,因此与传统感应式机械电表、全电子式电表在性能、操作与功能上都具有很大的优势。大致归纳出以下特点： ①功耗低。我们采用超低功耗的MSP430F5438作为微处理器，超级电容蓄电（正常工作时没有电能损耗），开关电源芯片降压与巧妙的电路设计（低纹波），本表的平均功耗大约0.3w以下。而一般感应式电表的功耗为1.7w左右。 ②精度高。2.0级电子式电能表在5%-400%标定电流范围内测量的误差为±2%,而此电能表精确等级为1.0级，误差更小。感应式电表的误差范围则为+0.86%到-5.7%,而且由于机械磨损这种无法克服的缺陷,导致感应式电能表越走越慢,最终误差越来越大。国家电网曾对感应式电表进行抽查,结果发现50%以上的感应式电表在用了5年以后,其误差就超过了允许的范围。 ③功能全面本智能电表由于采用了电子表技术,可以通过相关的通信协议与计算机进行联网,通过编程软件实现对硬件的控制管理。本智能电表不仅有体积小的特点,还具有分时双向计量、无线抄表、远程控制、偷电漏电保护、火灾断路、短路保护措施、及时报警和通知供电单位等功能,而且可以通过对控制软件中不同参数的修改,来满足对控制功能的不同要求,而这些功能对于传统的感应式电表来说都是很难实现的。 ④智能化程度高本智能电表创新地在核心单片机上移植了uCOS实时系统，能够同时处理多个外部时间，智能应对各种突发情况，名副其实地能够称之为“智能”。据笔者了解，在国内外，电子式电度表在很多时候都采用的是流程化，也就是采样——计算——存储的模式，同时在实现远程抄表的技术上，特别是基于GPRS的远程抄表系统上，也由于通信的连接等待和数据收发延迟上，达不到很好的效果。我们创新性地在该电度表上移植操作系统，使之具有并发执行任务的能力，在等待信道连接和等待数据收发完成的同时，也可以正常的进行电表数据采集以及外部突发情况的检测。能够很好地适应各种应用场合和应用方式。 ⑤可靠性强本智能电表的电源采用硬件自动控制，让系统电源始终保持稳定。即使是主电源掉电，副电源也能瞬间（0.01S左右）切换，保证系统系统运行，完成相关事件处理。副电源没有采用普通的蓄电池或者锂电池，而是采用超级电容，摆脱了电池寿命和充放电电流大小的限制。超级电容免维护、能提供瞬间大电流、没有过放和过充的问题。 ⑥硬件上，实时监测GPRS的连接情况，并反馈给软件实时监测。如断线则自动重连接。通过硬件与软件上的结合，提高了系统可靠性。 ⑦设计模块化。如果对于集中数据采集系统，也可以将本表的GPRS模块更改为其它通信模块（比如RS485、电力载波等），系统能够自动识别，不需要更改硬件电路，使得本系统有良好的兼容性。 综上所述，智能电表是社会走向信息智能化的必备产品。而现目前国内智能电表功能还比较单一，功能不够完善。并且，现在市场上电表普遍是单向计量。针对以后太阳能、风能等并网发电，我们特设计出具有双向计费的多功能智能电表。在继电保护，偷电漏电处理，火灾断路以及线路故障报告等突发情况上，不需要依赖外部设备，依靠uCOS实时系统能直接并发执行多种任务。同时，本智能表具有低功耗、低成本、智能化等特点。用到的器件除了计量芯片STPM01和微处理器MSP430F5438外，其余如放大器等各种电器元件都是普通廉价的。而基于GPRS的数据通信，能比较好的解决数据通信问题。同时，在管理查询方面，我们通过J2ee架构，实现了查询云端化，管理集中化，真正跨入“云抄表”时代。总之，我们通过自己的硬件、软件创新，设计和制作出了基于GPRS的多功能低功耗智能电表。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 为了克服传统电表抄表工作繁杂、无法防盗电、不能分时计量的不足，满足社会对智能表的迫切需求，特别是在双向分时计量、远程抄表、防盗电、通信、并网、集成管理、云端查询等方面的智能化要求。目前国内这种性价比高、高效、多功能的智能电表还比较缺乏，性能与国外先进技术还有较大差距。设计和研制多功能智能电表来满足市场和社会的需要，具有很大的现实意义和经济价值。 基本思路： 采用专用计量芯片STPM01进行数据采样，依靠uCOS系统实时并发执行多种任务，通过GPRS进行数据通信和基于J2ee架构的多样化服务器端实现方便的管理及查询。利用硬件电路巧妙的控制保证系统运行稳定可靠，通过软件对数据进行实时分析处理。 创新点： ①能自动分时对电能各种参数进行双向计量； ②系统备用电源使用超级电容作为蓄电装置，安全稳定； ③操作系统采用uCOS，能实现多任务并发执行； ④数据通信采用GPRS通信，且在突发情况下立即与控制中心通信； ⑤服务器端采用J2ee b/s架构，实现管理集中化和用户查询云端化。 技术关键点： 电能计量技术、系统主副电源设计、GPRS通信技术、uCOS系统技术、J2ee技术，b/s服务模式技术，网页技术。 主要技术指标： ①电能计量误差在0.1%； ②系统电源自动控制； ③GPRS数据通信掉包率低于15%，并且具有数据包查错和自动重发功能； ④理论上不限制终端数量（具体情况视服务器内存大小）； ⑤终端不需要配置就能无缝接入网络。
科学性、先进性
- ①与传统电子式和现有智能电表相比，采用更为先进、专业的电能计量芯片、微处理芯片和运用uCOS系统，对电能参数实时采样和多任务并发处理，具有高精度、低功耗、多功能、高智能等特点。 ②主副电源高效稳定，备用电源采用超级电容安全可靠，硬件实现掉电快速（0.01S内）稳定切换，增加系统可靠性。 ③与一般智能电表相比，具有分时双向计量、偷电漏电保护、及时报警等功能，采用了GPRS数据传输，实现数据双向通信、管理集中化和用户查询云端化。完全能够实现智能云抄表。 ④使用J2SE与J2EE结合的方式，实现多样化的服务器端。 ⑤设计模块化：如果对于集中数据采集系统，也可以将本表的GPRS模块更改为其它通信模块（比如RS485、电力载波等），系统能够自动识别，不需要更改硬件电路，使得本系统有良好的兼容性。 ⑥能够用在光伏、风力并网发电的电能测量，在能源日益紧张的环境下，这样的计量系统也尤为重要了。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月，在本校大学生“挑战杯”竞赛中，获得一等奖。 2011年6月，在四川省第十一届大学生“挑战杯”竞赛中，获得一等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术转让
作品可展示的形式
- 样品、现场演示、图片、视频
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点： 运用STPM01精确采样，使用移植有uCOS系统低功耗的MSP430进行处理，采用超级电容作为蓄电装置，并且利用GPRS进行数据通信构建起以J2ee架构和b/s模式为基础的管理集中化和用户查询云端化的智能电表。 优势： 测量精度高、功能全面、低功耗、成本低、智能化程度高、可靠性强该智能电表可运用于基本电能的计量，特别适合于太阳能、风能并网发电和分时电价计量等用电场合。 预测： 在能源日益紧张的环境下，各种发电并网系统在逐渐兴趣，并网计量就不可缺少。另外，该表成本低、功耗小，适合大面积推广使用，独特的云查询功能，非常适合日后“云抄表”时代的主流产品。
同类课题研究水平概述
- 智能电表从现行技术来看主要有IC卡预付费式和远程抄表式。IC卡电表收费系统安全性高,不易仿制,收费准确,不易出错，使用寿命长。IC卡表的系统功能包括预收费功能,报警功能,断电功能,显示功能和加密功能。它的整个收费系统包括主机,IC卡电表和IC卡三部分。目前，IC卡收费系统在我国得到了较大范围的推广。但是,从系统的角度来看,由于用户终端与系统主机并没有直接联系,只有在用户持卡交费时才能了解到用户情况,信息反馈滞后。所以,用户终端仍然与整个网络脱节。另外，市场上一般的IC卡预运费式采用的是一机一刷卡系统，而刷卡系统现目前看也并不是很低廉的，功耗也不低，这对一个电能表系统来说，不管是成本还是功耗来说，都是一笔不小的开支。 远程自动抄表系统实现用电数据的自动抄收,可杜绝人工工作量大造成误操作的弊端。用户的用电数据可直接进入用电营业的计算机管理系统,管理人员可随时监视用电情况。现在国内的远传抄表系统主要有485总线和电力载波抄表两种形式,电力载波集抄系统是利用专用芯片对用电数据进行调制解调,通过电力线进行通讯以实现集中抄表。485总线方式的数据传输可靠性高,且造价较低,缺点是需布线,安装较复杂。另外拉线易被人为破坏,特别是现在各种通信线路多而杂，可靠性就令人担忧，这小区的环境也带来了不小的损害。而采用电力载波进行通信的电能表可以避免单独拉线的弊端，但是通信稳定性又让人担忧，特别是电网谐波大，负载大的场合，数据错误率就更加的严重了。现在电力载波发展不是很成熟，方案良莠不齐，技术也不成熟，因此此方案还处于实验阶段。 而本智能电表默认采用GPRS通信，该方案成熟，许多场合都在大量使用，稳定性不容怀疑。另外，本系统也考虑了和其它通信相兼容，系统设计采用模块化，如果是集中数据采集的方式，可以用RS485模块或者电力载波模块直接替换GPRS模块，不需要修改其它硬件与软件，将数据发到集中采集点。
