CN111010419A - 泛在电场数据采集系统与方法 - Google Patents

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CN111010419A CN201911059611.2A CN201911059611A CN111010419A CN 111010419 A CN111010419 A CN 111010419A CN 201911059611 A CN201911059611 A CN 201911059611A CN 111010419 A CN111010419 A CN 111010419A
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崔勇
张茜
赵录兴
陈玉峰
林珊珊
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Beihang University
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
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State Grid Corp of China SGCC
Beihang University
China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开一种泛在电场数据采集系统及方法。该系统包括：多个电场测量边缘网络，所述电场测量边缘网络用于采集电网中预先设定的测量点处的电场数据；多个数据汇聚节点，用于汇聚所述电场测量边缘网络采集到的电场数据，得到汇聚后的电场数据；多个云服务器，用于获取所述汇聚后的电场数据并处理所述汇聚后的电场数据，得到处理后的电场数据；多个电场数据用户终端，所述电场数据用户终端用于并发地访问所述多个云服务器，查询所述处理后的电场数据。该系统及方法提供了更加灵活、高效的电场数据采集服务和大规模高并发的信息共享服务。

Description

泛在电场数据采集系统与方法
技术领域
本发明涉及智能电场物联网系统技术领域，尤其涉及一种泛在电场数据采集系统与方法。
背景技术
目前，电场物联网通信技术可分为有线与无线两种。传统的电网数据采集方式通过有线传输，线路及实施复杂。传统的无线技术构成的局域网则难以将广域范围内产生的海量数据上传至云端进行统一的数据分析和信息共享，也难以适应大规模高并发的数据查询需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种泛在电场数据采集系统与方法，以解决目前电场数据采集中存在的覆盖范围小、数据查询不便的问题。
第一方面，本发明提供一种泛在电场数据采集系统，包括：
多个电场测量边缘网络，所述电场测量边缘网络用于采集电网中预先设定的测量点处的电场数据；
多个数据汇聚节点，所述数据汇聚节点与所述电场测量边缘网络点一一对应地设置，用于汇聚所述电场测量边缘网络采集到的电场数据，得到汇聚后的电场数据；
多个云服务器，每个所述云服务器与一所述数据汇聚节点连接，用于获取所述汇聚后的电场数据并处理所述汇聚后的电场数据，得到处理后的电场数据；
多个电场数据用户终端，所述电场数据用户终端用于访问所述多个云服务器，并查询所述处理后的电场数据。
进一步地，每一所述电场测量边缘网络包括多个电场传感装置，每一所述电场传感装置布置在预先设定的测量点处，用于采集电场数据；
相应地，
所述电场数据中包括：用于指示各所述预先设定的测量点的电场位置标识、用于指示各所述电场传感装置的传感装置访问标识、各所述电场传感装置的工作参数和/或工作状态；
所述汇聚后的电场数据中包括：用于指示各数据汇聚节点的汇聚节点访问标识；
所述云服务器还用于从获取的所述汇聚后的电场数据中提取所述电场位置标识、所述传感装置访问标识、所述汇聚节点访问标识、各所述电场传感装置的工作参数和/或工作状态，建立并管理以所述传感装置访问标识为索引的电场传感装置数据库；
所述电场数据用户终端还用于访问所述云服务器，查询所述电场传感装置数据库，选择待设置的电场传感装置，并调整所述待设置的电场传感装置的工作参数和/或工作状态；
所述云服务器还用于获取所述电场数据用户终端调整后的所述待设置的电场传感装置的工作参数和/或工作状态，并通过与所述待设置的电场传感装置对应的数据汇聚节点下发至对应的电场测量边缘网络，以由所述待设置的电场传感装置执行所述工作参数和/或工作状态。
进一步地，每一所述电场测量边缘网络还包括多个路由器，全部的路由器与全部的电场传感装置均设置ZigBee模块，并组成局域网形式的Mesh网络。
进一步地，还包括：
设置在各所述数据汇聚节点的物联中间件，所述物联中间件用于屏蔽所述数据汇聚节点与所述云服务器在计算机软硬件之间的异构型。
进一步地，每一所述数据汇聚节点设置有以下任一种无线通信模块：NB-IoT模块、GPRS模、5G模块。
进一步地，还包括：
至少一个负载均衡装置，所述负载均衡装置用于获取电场数据用户终端发出的针对云服务器的并发访问请求，并将所述并发访问请求向多台云服务器进行流量分发，以在所述多台云服务器之间实现负载均衡。
第二方面，本发明提供一种泛在电场数据采集方法，包括以下步骤：
在电网中预先设定的测量点处布置电场测量装置；
利用局域网技术将预先设定范围内的全部电场测量装置组成一个电场测量边缘网络，以在广域范围内形成多个电场测量边缘网络；
针对每一个电场测量边缘网络，设置一具有远程无线通信功能的数据汇集节点，以汇聚各电场测量装置获取的电场数据，得到汇聚后的电场数据；
设置与全部的数据汇集节点通信连接的至少一个云服务器，获取并处理所述汇聚后的电场数据，得到处理后的电场数据。
进一步地，还包括：
所述至少一个云服务器响应电场数据用户终端的并发访问请求，向所述电场数据用户终端返回在所述并发访问请求中指定的电场数据。
进一步地，所述电场数据中包括：用于指示各所述预先设定的测量点的电场位置标识、用于指示各所述电场测量装置的传感装置访问标识、各所述电场测量装置的工作参数和/或工作状态；
所述汇聚后的电场数据中包括：用于指示各数据汇聚节点的汇聚节点访问标识；
所述至少一个云服务器从所述汇聚后的电场数据中提取所述电场位置标识、所述测量装置访问标识、所述汇聚节点访问标识、各所述电场测量装置的工作参数和/或工作状态，建立并管理以所述测量装置访问标识为索引的电场测量装置数据库；
所述至少一个云服务器响应电场数据用户终端的访问请求，获取在所述访问请求中指定的电场测量装置，并获取所述电场数据用户终端针对所述电场测量装置设置的工作参数和/或工作状态；
相应地，
所述云服务器还将所述电场数据用户终端针对所述电场测量装置设置的工作参数和/或工作状态发送至对应的数据汇聚节点；
所述对应的数据汇聚节点将获取的针对所述电场测量装置设置的工作参数和/或工作状态下发至所述电场测量装置，以由所述电场测量装置执行所述工作参数和/或工作状态。
进一步地，每一所述数据汇聚节点设置有以下任一种无线通信模块：NB-IoT模块、GPRS模、5G模块。
与现有技术相比，本发明提供的泛在电场数据采集系统和方法结合Mesh网络具有的自组织、自愈、低功耗及动态拓扑的特点与NB-IoT/GPRS/5G无线通讯协议泛在网具有的远距离、点对点通信的优势，将局域网与广域网相连接，将边缘计算与云计算互为补充和优化，从而提供更加灵活、高效的电场数据采集方式和大规模高并发的信息共享方法。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为本发明优选实施方式的泛在电场数据采集系统的组成示意图；
图2是本发明优选实施方式的泛在电场数据采集方法的流程示意图。
图3为本发明优选实施方式的泛在电场数据采集系统的另一组成示意图；
图4为本发明优选实施方式的泛在电场数据采集系统的电场测量边缘网络的拓扑图；
图5为本发明优选实施方式的泛在电场数据采集系统的电场测量节点的组成示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
云计算是一种利用互联网实现随时随地、按需、便捷地使用共享计算设施、存储设备、应用程序等资源的计算模式。边缘计算则是将计算节点以及应用分布式部署在靠近终端的数据中心。这使得边缘计算在服务的响应性能和可靠性方面均高于传统中心化的云计算。
具体而言，边缘计算可以理解为是指利用靠近数据源的边缘地带来完成的运算程序。将边缘计算与云计算相结合，互相补充优化，可以分布式地处理电场数据，减少网络延时，缓解高并发时的流量压力。
本发明实施例的泛在电场数据采集系统结合Mesh网络的自组织、低功耗、动态拓扑的特点，与NB-IoT/GPRS/5G无线通讯协议泛在网的远距离、点对点通信的优势，为电场数据提供更加灵活高效的数据采集与获取方法。
本发明实施例的泛在电场数据采集系统，采集方便，在云服务器进行统一数据分析与信息共享。
本发明实施例的泛在电场数据采集方法部署在电场测量系统中，并结合互联网思维，在云端按照统一标准和算法进行数据处理和信息共享，以适应大规模的高并发场景，满足海量数据处理的需要。
如图1所示，本发明实施例的泛在电场数据采集系统，包括：
多个电场测量边缘网络10，所述电场测量边缘网络用于采集电网中预先设定的测量点处的电场数据；
多个数据汇聚节点20，所述数据汇聚节点与所述电场测量边缘网络点一一对应地设置，用于汇聚所述电场测量边缘网络采集到的电场数据，得到汇聚后的电场数据；
多个云服务器30，每个所述云服务器与一所述数据汇聚节点连接，用于获取所述汇聚后的电场数据并处理所述汇聚后的电场数据，得到处理后的电场数据并存储在多个云数据库中；
多个电场数据用户终端40，所述电场数据用户终端用于访问所述多个云服务器，并查询所述处理后的电场数据。
这里，全部的n个电场测量边缘网络均属于电场测量边缘层；全部的n个数据汇聚节点均属于数据汇聚节点层；全部的m个云服务器属于云端层；全部的k个电场数据用户终端属于用户层。
进一步地，还包括：
设置在各所述数据汇聚节点的物联中间件，所述物联中间件用于屏蔽所述数据汇聚节点与所述云服务器在计算机软硬件之间的异构型。
进一步地，每一所述电场测量边缘网络包括多个电场传感装置，每一所述电场传感装置布置在预先设定的测量点处，用于采集电场数据；
相应地，
所述电场数据中包括：用于指示各所述预先设定的测量点的电场位置标识、用于指示各所述电场传感装置的传感装置访问标识、各所述电场传感装置的工作参数和/或工作状态；
所述汇聚后的电场数据中包括：用于指示各数据汇聚节点的汇聚节点访问标识；
所述云服务器还用于从获取的所述汇聚后的电场数据中提取所述电场位置标识、所述传感装置访问标识、所述汇聚节点访问标识、各所述电场传感装置的工作参数和/或工作状态，建立并管理以所述传感装置访问标识为索引的电场传感装置数据库；
所述电场数据用户终端还用于访问所述云服务器，查询所述电场传感装置数据库，选择待设置的电场传感装置，并调整所述待设置的电场传感装置的工作参数和/或工作状态；
所述云服务器还用于获取所述电场数据用户终端调整后的所述待设置的电场传感装置的工作参数和/或工作状态，并通过与所述待设置的电场传感装置对应的数据汇聚节点下发至对应的电场测量边缘网络，以由所述待设置的电场传感装置执行所述工作参数和/或工作状态。
进一步地，每一所述电场测量边缘网络还包括多个路由器，全部的路由器与全部的电场传感装置均设置ZigBee模块，并组成局域网形式的Mesh网络。
进一步地，每一所述数据汇聚节点设置有以下任意一种或多种无线通信模块：NB-IoT模块、GPRS模、5G模块。
在数据汇聚节点设置有NB-IoT模块、GPRS模块、5G模块等无线通信模块时，电场数据用户终端可以通过app或应用网页设置各数据汇聚节点上当前有效的通讯模块。
进一步地，还包括至少一个负载均衡装置，所述负载均衡装置用于获取电场数据用户终端发出的针对云服务器的并发访问请求，并将所述并发访问请求向多台云服务器进行流量分发，以在所述多台云服务器之间实现负载均衡。
如图2所示，本发明实施例的泛在电场数据采集方法，包括以下步骤：
步骤S100：在电网中预先设定的测量点处布置电场测量装置；
步骤S200：利用局域网技术将预先设定范围内的全部电场测量装置组成一个电场测量边缘网络，以在广域范围内形成多个电场测量边缘网络；
步骤S300：针对每一个电场测量边缘网络，设置一具有远程无线通信功能的数据汇集节点，以汇聚各电场测量装置获取的电场数据，得到汇聚后的电场数据；
步骤S400：设置与全部的数据汇集节点通信连接的至少一个云服务器，获取并处理所述汇聚后的电场数据，得到处理后的电场数据。
进一步地，还包括：
所述至少一个云服务器响应电场数据用户终端的访问请求，向所述电场数据用户终端返回在所述访问请求中指定的电场数据。
进一步地，所述电场数据中包括：用于指示各所述预先设定的测量点的电场位置标识、用于指示各所述电场测量装置的传感装置访问标识、各所述电场测量装置的工作参数和/或工作状态；
所述汇聚后的电场数据中包括：用于指示各数据汇聚节点的汇聚节点访问标识；
所述至少一个云服务器从所述汇聚后的电场数据中提取所述电场位置标识、所述测量装置访问标识、所述汇聚节点访问标识、各所述电场测量装置的工作参数和/或工作状态，建立并管理以所述测量装置访问标识为索引的电场测量装置数据库；
所述至少一个云服务器响应电场数据用户终端的访问请求，获取在所述访问请求中指定的电场测量装置，并获取所述电场数据用户终端针对所述电场测量装置设置的工作参数和/或工作状态；
相应地，
所述云服务器还将所述电场数据用户终端针对所述电场测量装置设置的工作参数和/或工作状态发送至对应的数据汇聚节点；
所述对应的数据汇聚节点将获取的针对所述电场测量装置设置的工作参数和/或工作状态下发至所述电场测量装置，以由所述电场测量装置执行所述工作参数和/或工作状态。
如图3所示，该泛在电场数据采集系统，包括：电场测量边缘层，电场汇聚节点，物联中间件，云服务器，云数据库，负载均衡，电场用户端。
其中，该电场测量边缘层的网络为局域网，传输速率高。如图4的拓扑图所示，在该电场测量边缘层内，包括多个地理位置上相互分离的电场测量节点(其包括上述的电场测量装置)、协调器和路由器；其中，各协调器、各路由器和各电场测量节点(其包括电场传感器)均内置ZigBee模块，以构成无线Mesh网络。
无线Mesh网络也称“多跳”网络。Mesh网络的信息通讯更加灵活有效率。Mesh网络中，各路由器之间可以直接通讯，某一路由路径出现了故障，信息可以自动地沿着其他路由路径进行传输，因此，Mesh网络有低功耗、动态拓扑的特点。因此，该电场测量边缘层内的电场测量节点可以跳到非拥塞的节点进行传输，具备自组织、自愈功能。
具体地，每一数据汇聚节点有内置NB-IoT/GPRS/5G模块，用于将电场测量边缘层内利用本地局域网采集到的电场数据转发至云服务器。
也即，每一个电场传感器采集到的电场数据需要经过边缘层mesh网络的路由器发送到数据汇聚节点的NB-IoT模块；而NB-IoT模块将汇聚后的电场数据通过NB-IoT/GPRS/5G模块发送至远程的云服务器。
其中，NB-IoT模块运营在授权频段上，构建于蜂窝网络，只消耗约180KHZ的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，部署成本低，可实现平滑升级。NB-IoT网络部署只需节点，其明显优势是电场数据被采集后可直接传输至云平台，无需通过路由器或网关，显著简化了现场部署。NB-IoT网络节点的传输距离达十几公里，传输速度约为100kps；电池续航可达10年(AA电池)。
其中，GPRS模块是利用公用运营商网络为用户提供无线长距离数据传输的技术，实时性强，数据传送速率高，通信费用低，传输容量大，建设成本低，具有良好的可扩展性。
其中，5G模块是最新一代蜂窝移动通信技术，性能目标是提高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。
具体地，物联中间件用于屏蔽计算机软硬件之间的异构型，避免重复性，实现互操作和数据预处理，并用于建立统一的运行平台和友好的开发环境，减小高层应用需求和网络复杂性差异。
具体地，云服务器包括数据计算组件、数据获取组件和报警逻辑组件，用于提供虚拟机及其他资源，可装载相应的应用。
该数据计算组件，设置于云服务器；用于接收数据汇聚节点转发的电场数据，并在云服务器中进行计算处理。
该数据获取组件，设置于云服务器；用于连接电场数据用户终端(如运行有APP的用户手机，运行有B/S网页的电脑)，并可供电场数据用户随时随地获取电场数据。
该报警逻辑组件，设置于云服务器；用于制定及执行电场数据报警逻辑，可用于被智能协调器下载。
具体地，电场数据报警逻辑为：当测量到的电场数据大于预先设定的人类安全范围时，生成报警信息，以进行报警。
该云数据库，用于存储多种数据分析模型；并将电场传感器采集到的数据与数据分析模型进行比对，归纳汇总，得到分析结果。
如，将各个数据汇聚节点上传的电场数据进行统计，例如按时间记录，按地域记录，按数值大小记录等。分析结果包括电场数据报警分析，电场数据异常分析，节点运行状态分析等。
具体地，负载均衡装置用于向多台云服务器进行并发流量分发，实现多台云服务器之间的负载均衡。
具体地，电场数据用户终端可通过手机App、公共网页对存储在云端的电场传感器数据进行查看，并对电场传感器的开关状态、数据采集周期、警报阈值的设置等工作参数和工作状态进行控制。
如图5所示，电场测量节点包括电源供电模块、电场传感器、ZigBee节点模块、射频天线、及微控制器。电场传感器通过通信接口将采集到的电场数据发送至ZigBee节点模块，并由ZigBee节点模块生成射频信号，通过射频天线发出。微控制器还根据ZigBee节点模块与数据汇聚节点之间的通信状态，展示通信状态信息。
综上，本发明实施例的系统及方法结合Mesh网络具有的自组织、自愈、低功耗及动态拓扑的特点与NB-IoT/GPRS/5G无线通讯协议泛在网具有的远距离、点对点通信的优势，将局域网与广域网相连接，将边缘计算与云计算互为补充和优化，从而提供更加灵活、高效的电场数据采集方式和大规模高并发的信息共享方法。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
以上已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个//该[装置、组件等]”都被开放地解释为装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (10)

1.一种泛在电场数据采集系统，其特征在于，包括：
多个电场测量边缘网络，所述电场测量边缘网络用于采集电网中预先设定的测量点处的电场数据；
多个数据汇聚节点，所述数据汇聚节点与所述电场测量边缘网络点一一对应地设置，用于汇聚所述电场测量边缘网络采集到的电场数据，得到汇聚后的电场数据；
多个云服务器，每个所述云服务器与一所述数据汇聚节点连接，用于获取所述汇聚后的电场数据并处理所述汇聚后的电场数据，得到处理后的电场数据；
多个电场数据用户终端，所述电场数据用户终端用于访问所述多个云服务器，并查询所述处理后的电场数据。
2.根据权利要求1所述的泛在电场数据采集系统，其特征在于，
每一所述电场测量边缘网络包括多个电场测量装置，每一所述电场测量装置布置在预先设定的测量点处，用于采集电场数据；
相应地，
所述电场数据中包括：用于指示各所述预先设定的测量点的电场位置标识、用于指示各所述电场测量装置的测量装置访问标识、各所述电场测量装置的工作参数和/或工作状态；
所述汇聚后的电场数据中包括：用于指示各数据汇聚节点的汇聚节点访问标识；
所述云服务器还用于从获取的所述汇聚后的电场数据中提取所述电场位置标识、所述测量装置访问标识、所述汇聚节点访问标识、各所述电场测量装置的工作参数和/或工作状态，建立并管理以所述测量装置访问标识为索引的电场测量装置数据库；
所述电场数据用户终端还用于访问所述云服务器，查询所述电场测量装置数据库，选择待设置的电场测量装置，并调整所述待设置的电场测量装置的工作参数和/或工作状态；
所述云服务器还用于获取所述电场数据用户终端调整后的所述待设置的电场测量装置的工作参数和/或工作状态，并通过与所述待设置的电场测量装置对应的数据汇聚节点下发至对应的电场测量边缘网络电场测量装置，以由所述待设置的电场测量装置执行所述工作参数和/或工作状态。
3.根据权利要求2所述的泛在电场数据采集系统，其特征在于，
每一所述电场测量边缘网络还包括多个路由器，全部的路由器与全部的电场传感装置均设置ZigBee模块，并组成局域网形式的Mesh网络。
4.根据权利要求1所述的泛在电场数据采集系统，其特征在于，还包括：
设置在各所述数据汇聚节点的物联中间件，所述物联中间件用于屏蔽所述数据汇聚节点与所述云服务器在计算机软硬件之间的异构型。
5.根据权利要求1所述的泛在电场数据采集系统，其特征在于，
每一所述数据汇聚节点设置有以下任一种无线通信模块：NB-IoT模块、GPRS模、5G模块。
6.根据权利要求1所述的泛在电场数据采集系统，其特征在于，还包括：
至少一个负载均衡装置，所述负载均衡装置用于获取电场数据用户终端发出的针对云服务器的并发访问请求，并将所述并发访问请求向多台云服务器进行流量分发，以在所述多台云服务器之间实现负载均衡。
7.一种泛在电场数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
在电网中预先设定的测量点处布置电场测量装置；
利用局域网技术将预先设定范围内的全部电场测量装置组成一个电场测量边缘网络，以在广域范围内形成多个电场测量边缘网络；
针对每一个电场测量边缘网络，设置一具有远程无线通信功能的数据汇集节点，以汇聚各电场测量装置获取的电场数据，得到汇聚后的电场数据；
设置与全部的数据汇集节点通信连接的至少一个云服务器，获取并处理所述汇聚后的电场数据，得到处理后的电场数据。
8.根据权利要求7所述的泛在电场数据采集方法，其特征在于，还包括：
所述至少一个云服务器响应电场数据用户终端的访问请求，向所述电场数据用户终端返回在所述访问请求中指定的电场数据。
9.根据权利要求7所述的泛在电场数据采集方法，其特征在于，
所述电场数据中包括：用于指示各所述预先设定的测量点的电场位置标识、用于指示各所述电场测量装置的传感装置访问标识、各所述电场测量装置的工作参数和/或工作状态；
所述汇聚后的电场数据中包括：用于指示各数据汇聚节点的汇聚节点访问标识；
所述至少一个云服务器从所述汇聚后的电场数据中提取所述电场位置标识、所述测量装置访问标识、所述汇聚节点访问标识、各所述电场测量装置的工作参数和/或工作状态，建立并管理以所述测量装置访问标识为索引的电场测量装置数据库；
所述至少一个云服务器响应电场数据用户终端的访问请求，获取在所述访问请求中指定的电场测量装置，并获取所述电场数据用户终端针对所述电场测量装置设置的工作参数和/或工作状态；
相应地，
所述云服务器还将所述电场数据用户终端针对所述电场测量装置设置的工作参数和/或工作状态发送至对应的数据汇聚节点；
所述对应的数据汇聚节点将获取的针对所述电场测量装置设置的工作参数和/或工作状态下发至所述电场测量装置，以由所述电场测量装置执行所述工作参数和/或工作状态。
10.根据权利要求7所述的泛在电场数据采集方法，其特征在于，
每一所述数据汇聚节点设置有以下任一种无线通信模块：NB-IoT模块、GPRS模、5G模块。
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