基本信息
- 项目名称：
- 面向物联网应用的电能量采集终端
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 随着信息技术的发展，一个无所不在的物联网通信时代即将来临。作为物联网发展的基础，数据采集过程显得尤为重要。为配合落实国家电网关于"智能电网"计划的实施，采用高性能ARM处理器，自主研发IPv4/IPv6嵌入式双协议栈，工业级硬件设计开发了一种面向物联网应用的电能量采集终端，克服了传统手动抄表效率低下的缺点，在传输方式上不仅多种通信接口，还融入了FPGA技术，使得终端更具运行效率和智能性。
- 详细介绍：
- 随着现代信息技术的发展，一个无所不在的物联网(Internet of things, IOT)通信时代即将来临。当前的互联网仅限于人与人之间的互联，而物联网的目标是通过各种信息传感设备与智能通讯系统把全球范围内的物理物体、信息技术系统和人有机的连接起来，从而能够通过数据采集、分析、预测、优化等技术，来更好的感知和管理物理世界。2004年日本确立了u-Japan战略，该战略的理念是以人为本，实现所有人与人、物与物、人与物之间的连接，并且日本为物联网在教育、医疗、交通、电力等方面的应用建立了大规模的云计算平台。2009年温家宝总理提出“感知中国”的构想，强调了物联网给人民生活带来的提升。 虽然在我国物联网技术已经得到了一定的发展，但是其在诸如电力等关系国计民生的重要领域中的应用依然薄弱。作为物联网发展的基础，数据采集过程的效率就显得尤为重要。在电力行业中传统的挨家挨户敲门查电表的方式依然存在，并且弊端愈加明显。基于以上的现状，开发一款具有电量现场数据采集、电价计量、用电管理等功能，并且能够自动将采集到的数据发送到上级主站的电能量采集终端设备就变得十分重要。由于物联网中每个物件都要有独立的地址，并且数以万计的物件通过互联后将产生巨大的网络流量，所以当前的IPv4地址数量和网络性能将不能满足要求，必须以IPv6网络进行取代。电能量采集终端的应用环境复杂，单一的数据通信方式将不能满足其应用要求，所以电能量采集终端应该在支持IPv6的基础上支持GPRS、RS485、无线、红外等多种通信方式。由于协议本身的复杂性和嵌入式设备资源的有限性，在嵌入式系统中支持诸如IPv6协议等复杂的协议将非常困难。随着FPGA以及专用处理芯片等技术的发展和成熟，利用FPGA技术将协议解析过程固化或者使用专用芯片解析协议将大大提高协议的解析速度，从而满足嵌入式设备实时数据处理的要求。本项目中将完善和整合这些核心技术的应用，使得社会公众感受到核心技术应用所带来的便利和效率。 基于以上的发展趋势和研究现状，设计了一种面向物联网应用的电能量采集终端，它具有以下优点：(1)省去了手动抄表带来的人力物力浪费，提高了工作效率；(2)提高了电力数据采集的精确度，避免了人为因素造成的损失；(3)能够实时地分析电力用户的用电特性和当前的用电情况，为监控、计费、调度等提供支持；(4)支持IPV4/IPv6双栈、GPRS、RS485、无线、红外等多种通信协议，可以实现多种环境下数据的传输；(5)借助于IPv6网络能提供服务质量和安全保证的特点和广阔的地址空间，提高了电力数据的传输速率和可靠性，并且可以为每个抄表终端分配一个唯一的IPv6地址，便于设备的寻址以及设备管理；(6)使用FPAG技术固化协议解析过程或者专用处理芯片，提高嵌入式设备的数据处理速度。 拟解决的问题： (1)传统的抄表模式不仅造成人力物力的浪费，而且手动的抄写耗时易错，效率不高。引入电能量采集后，不仅提高了电力部门的工作效率和数据的准确性，而且能够实时检测用户的用电状况，对用电的调度和用电安全管理等方面提供了有效的手段；(2)IPv4网络在通信带宽和安全保障方面无法满足大量实时电力数据的安全可靠传输，而且随着IPv4地址数目的日益枯竭，已不能适应物联网中数目庞大的地址需求。而本终端支持IPv6协议，不仅能够利用IPv6提高数据的传输速率和可靠性，为每个终端设备分配唯一的IPv6地址便于物联网中设备的寻址及管理，还可以通过其他通信技术方便的进行数据传输；(3)嵌入式设备的资源有限，而像IPv6协议这样的复杂的通信协议如果在嵌入式设备上进行解析将耗费大量的资源和时间，利用FPGA将协议的解析固化或者使用专用的芯片处理协议解析，可以大大提高其处理速度。 创新之处： (1)自行设计实现一款能够支持IPv4、IPv6、GPRS、RS485、无线、红外等传输协议的嵌入式主板，该主板将被应用到电能量采集终端中完成相应的数据采集和传输等功能；(2)自行设计实现一个拥有自主知识产权的轻型嵌入式IPv4/IPv6双协议栈，该协议栈根据具体应用环境进行适当的裁剪，在资源消耗和通信速率方面达到嵌入式设备要求。协议栈将被应用在自主开发的电能量采集终端上，使其能够支持IPv6通信，并且也能够兼容现有的IPv4网络；(3)将复杂协议的解析过程利用FPGA进行固化或者利用专用芯片进行解析，大大提高了协议解析的速度；(4)将IPv6技术引入到了电能量采集系统中，使采集终端具备接入IPv6网络的能力，充分利用下一代互联网带来的优势。支持IPv6的电能量采集终端符合物联网的发展趋势，因此在市场上将有广阔的应用前景。 另外该项目已提出专利申请3项，发表学术论文1篇。
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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
- 作为物联网发展的基础，数据采集过程的效率就显得尤为重要。在电力行业中传统的挨家挨户敲门查电表的方式依然存在，并且弊端愈加明显。而当前已有的电能量采集终端大多数都存在功能简单、通信传输协议单一、不能使用复杂的应用环境的缺点。基于以上现状，我们根据物联网发展的特征和已有的核心技术进行开发和实现，自行设计开发一个具有自主知识产权的支持IPv4/IPv6的嵌入式双协议栈，具有硬件加速能力，包括IPv6通信、RS485通信、GPRS通信、红外通信、无线通信、3G摄像头等多种核心技术的多功能电能量采集终端。
科学性、先进性
- 自行设计开发了一个具有自主知识产权的支持IPv4/IPv6的嵌入式双协议栈，完成对下一代互联网的支持和对当前IPv4网络的兼容。借助于IPv6网络能提供服务质量和安全保证的特点和广阔的地址空间，可以为每个抄表终端分配一个唯一的IPv6地址，便于设备的寻址以及设备管理。 在硬件设计方面，使用FPAG技术固化协议解析过程或者专用处理芯片，提高嵌入式设备的数据处理速度，并根据电能量采集终端的具体功能自主设计制作专用的硬件电路板，并选用合适的主控芯片形成自主的专用硬件电能量采集终端。 在实现电能量采集终端的具体功能时，我们将整合包括IPv6通信、RS485通信、GPRS通信、红外通信、无线通信、3G摄像头等多种核心技术，利用已有的关键技术形成多种功能一体化的集成的嵌入式系统。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品、现场演示
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
- 本项目设计了一种面向物联网应用的电能量采集终端，它具备以下技术特点和优势：(1)省去了手动抄表带来的人力物力浪费，能够为电力监控、计费、调度等提供支持；(2)支持IPV4/IPv6双栈、GPRS、RS485、无线、红外等多种通信协议，可以实现多种环境下的数据传输；(3)使用FPAG技术固化协议解析过程或者专用处理芯片，提高嵌入式设备的数据处理速度。 该终端作为智能电网的一部分，在电力行业将有很大的应用前景，不仅提高了电力行业的整体效率，也能使社会公众感受到核心技术带来的便利和效率。如果能将该终端应用到居民生活小区中，不仅节省了大量人力，而且将带来一定的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 传统的手动抄表终端所带来的资源浪费和效率不高已成为一个共识，并且随着智能化系统的日益发展和完善，目前在国内的大多数的高档住宅小区中都开始安装远程抄表系统，包括每个住户家的水表、电表、煤气表等计量表。小区中采用住宅集中式抄表管理系统，可实现小区联网抄录电表、水表、纯水表和煤气表的读数，在小区的管理微机上能进行自动抄录、自动计费、状态查询，能够记录并打印历史数据，提供表数据接口，并在授权情况下进行人工修改、换表和水电气表结算。如果在管理中心添置相应的MODEM或路由器，可以实现外部远程访问。而在国外，该种远程抄表系统已经应用十分广泛，基本上已经做到了“一户一表”。 目前大部分的远程抄表只具备单一的无线传输技术，比如采用GPRS、RS485、无线、红外等技术。由于无线的传输距离有限，并且容易受外界环境影响，可以在远程抄表终端支持有线的传输方式，如采用IPv4/IPv6协议、电力线载波等。由于电力线载波仍处于试验阶段，技术并不成熟，电力载波抄表的应用将需要一段较长的时间。而另一方面，基于IPv4或者IPv6网络的有线传输技术已经十分成熟可靠，而且嵌入式设备在互联网中的应用也十分广泛。如果远程抄表终端支持IPv4/IPv6网络的话，用户可以通过互联网来查看用电情况，而且终端采集可以将采集到的电力数据通过IPv4/IPv6网络传输到某个集中站，而该集中站可能在地理位置离终端较远。 IPv4网络历经多年发展，虽然技术比较成熟，但是地址短缺的问题已经日益明显。嵌入式设备不断地接入网络，需要更多的IP地址，因此嵌入式设备支持IPv6协议已经是一个趋势。但是IPv4网络到IPv6网络仍存在一个较长的过渡时期，在这段过渡时期内，需要设备能够同时支持IPv4和IPv6协议。 现场可编程门阵列技术（FPGA）已被应用到硬件加速或者专用处理器设计，如果远程抄表终端可以加入硬件加速或者专用处理器，终端的处理效率将会得到很大的提升。
