CN113179291A - 一种物联网安全用电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种物联网安全用电系统，包括云平台，所述云平台连接数据应用终端，且云平台通过信息传输与通讯系统连接多个智能就地终端，智能就地终端连接有信息采集系统，信息采集系统实时监测用电情况，系统分为电力监控、环境监控和电气火灾监控、视频监控四大部分；智能就地终端包含通讯管理模块、配电自动化模块、智能监控主机模块和电源管理模块；本发明基于物联网技术，通过对客户的生产经营场所的用电数据进行实时采集上传、并经云平台的综合分析，可实时监控该客户的生产经营是否正常，还可及时发现电气火灾隐患、事故，保障资产安全，是一种低成本实现用电监控的有效方法。
Description
技术领域
本发明涉及物联网技术，具体是一种物联网安全用电系统。
背景技术
随着我国市场经济与高新技术产业的快速发展，物联网成为继互联网之后的 又一研究热点。越来越多的行业成了物联网应用的新领域，传统工业设备与新型 物联网终端作为数据采集的重要节点，将逐步得到更加广泛的部署；通过对监测 设备和传感器的全面感知，利用大数据分析，智能决策与预警系统，实现设备的 控制精准化、管理可溯化、决策智能化。这是今后各行业物联网发展的重要方向，随着物联网技术的发展，各种物联网平台系统纷纷出现。由于信息不对称和 沟通不畅通，系统缺乏标准化工作导致当物联网应用呈现出碎片化、垂直化、异构化，使得所建立的系统从物联网感知层到上层应用层都受到设备异构性、互通性以及设备接入流程复杂性的制约。如何根据物联网平台的各种要求开发统一的系统组件及其直接的组织关系，建立物联网架构，实现物联网平台设计与实现的 统一是当前研究的重点。本章从物联网的基本理念、总体框架及架构、物联网的 协议探讨建立物联网平台的体系结构，为各行业的设备信息化，平台接入智能化 等技术提供理论和实践的支持。
安全用电一直是物联网智慧用电的重点问题，其核心是监控用电的自动运营能力，但受限于技术及成本，一直缺乏有效的解决方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种物联网安全用电系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种物联网安全用电系统，包括云平台，所述云平台连接数据应用终端，且云平台通过信息传输与通讯系统连接多个智能就地终端，智能就地终端连接有信息采集系统，信息采集系统实时监测用电情况，系统分为电力监控、环境监控和电气火灾监控、视频监控四大部分；智能就地终端包含通讯管理模块、配电自动化模块、智能监控主机模块和电源管理模块；云平台分为WEB端和采集端可灵活部署应用于主流云服务商的云服务器，采用UNIX/LINUX混合平台结构；数据应用终端用于进行遥测、遥信、电度、多源数据处理、计划值、计算量处理、人工输入数据、数据质量标志等的调度处理工作。
所述云平台包括感知层、接入层、网络层、IoT联接管理层和垂直行业应用分析层，其中感知层连接接入层；接入层的硬件的接口包括网线传输、WIFI、RS232、RS485实现感知设备接入，输出接口包括RJ45，GPRS、NB-IoT、LORA、LTE；网络层向对接物联网感知层设备，对接IoT设备管理平台，IoT联接管理层实现设备的智能接入，对设备的智能管理以及设备采集数据进行汇集、存储及可视化展现。
所述信息传输与通讯系统采用的通信协议兼容ModbusRTU、ModbusTCP、IEC61850、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、MQTT，IEC60870-5-104。
信息传输与通讯系统包括智能物联网关和终端智能网关两部分。
智能物联网关包括硬件层、驱动层、系统层、应用支持层和应用层，硬件层主要模块有存储器件、I/O接口以及通用外设端口，网关的驱动有通信驱动、传感器驱动、开发板Xilinx的驱动以及硬件层外设；系统层包括BootLoader引导系统和Linux Core；应用层位于智能物联网关最上层，对外层应用软件系统提供支撑，应用层中扩展了设备接入模块，提供了对多种不同行业设备的智能接入；应用层的模块功能主要有：主控模块、平台通讯模块、设备接入管理模块。
所述终端智能网关主要有数据釆集模块、主控模块、设备管理模块、网络接入模块和远程交互模块；其中主控模块是系统的资源分配和系统配置模块；网关模块新增了同时支持低功耗物联网通信模组和4G通信模组；终端智能网关具有Agent模块和与其相连接的主控模块、数据采集模块、设备管理模块、网络接入模块、远程交互模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于物联网技术，通过对客户的生产经营场所的用电数据进行实时采集上传、并经云平台的综合分析，可实时监控该客户的生产经营是否正常，还可及时发现电气火灾隐患、事故，保障资产安全，是一种低成本实现用电监控的有效方法。
通过现场安装的智能监测终端，实时采集并上传电路的电流、电压、功率、剩余电流、频率、温度等参数，经云平台的综合分析、诊断并自动绘成动态曲线，及时发现该电路的用电行为（电压、电流、功率等）及电气火灾故障隐患（漏电、过载、短路、三相不平衡、过压、接触不良、温升异常等），借助手机、PC等智能终端，可实时查看用电数据、异常报警，随时随地实现对电气火灾故障隐患的透明化监控管理。当监测电路发生异常时，能够迅速发出报警信息并准确显示故障点和故障原因，通知相关人员及时排査隐患，把电气火灾事故消灭在萌芽状态。
附图说明
图1为本发明的系统逻辑图。
图2为本发明中智能物联网关的总体系统图。
图3为本发明中云平台的IoT联接管理层的系统图。
图4为本发明中终端智能网关的系统图。
图5为终端智能网关数据采集模块的工作流程图。
图6为终端智能网关设备管理模块的工作流程图。
图7为终端智能网关网络接入模块的工作流程图。
图8为终端智能网关远程交互模块的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-4，本发明实施例中，一种物联网安全用电系统，包括云平台，所述云平台连接数据应用终端，且云平台通过信息传输与通讯系统连接多个智能就地终端，智能就地终端连接有信息采集系统，信息采集系统实时监测用电情况，对数据进行统计与分析，根据系统分析结果提供节能策略与设备控制，从而达到有效节能的目的；数据采集主设备采用多接口、可扩充的高性能通讯管理机，支持多数通讯协议，利用其转发功能将数据转发至平台，系统分为电力监控、环境监控和电气火灾监控、视频监控四大部分；智能就地终端包含通讯管理模块、配电自动化模块、智能监控主机模块和电源管理模块，是集配电网监控、保护、安防、门禁、环境监测、设备状态监测管理、通信和备用电源功能于一体的装置，支持营销计量、电能质量、配电自动化等功能，业务数据集中上送，各功能模块相互独立运行，与各业务系统独立对接，充分满足智能配电网自动化的发展要求，能有效实现配电网自愈和互动，缩短故障处理时间，提高设备运行管理水平；云平台分为WEB端和采集端可灵活部署应用于主流云服务商的云服务器；采用UNIX/LINUX混合平台结构；在统一的支撑平台的基础上，可灵活扩展、集成和整合各种应用功能，各种应用功能的实现和使用具有统一的数据库模型、人机交互界面，并能进行统一维护，数据存储主要是将采集的运行信息存入数据库；运行集中监控系统配置了实时数据库和历史数据库，借鉴IEC61970CIM数据模型标准，支持多应用，便于数据结构的扩展，实时数据库提供实时信息，保存最新2小时内的实时数据；实时数据保存在内存中，定时存入历史数据库(测量量按照采样周期定时存入历史数据库，事件信息、告警信息、变位信息实时存入历史数据库)；实时数据库提供API接口，实现高效的实时数据处理；数据应用终端用于进行遥测、遥信、电度、多源数据处理、计划值、计算量处理、人工输入数据、数据质量标志等的调度处理工作。
遥测：遥测工程转化一次侧实际值、遥测人工置数、零飘处理、遥测越限报警、各种日月最大最小平均统计等、事故追忆等功能；遥信：实时处理开关状态、刀闸状态、保护硬接点遥信、状态量遥信、主变分接头位置及保护动作事项、保护告警事项、事故总遥信、预告总遥信等状态变化时迅速生成变位事项，遥信取反、遥信人工置数、检修或挂牌设置、事故判断、双点遥信、遥控封锁和允许、开关、保护动作次数的统计；电度：可接收处理电度表码值和脉冲计数值，并进行标度转换、可人工设置电度底码、积分计算电量、电度量的日、月和峰、谷、平统计；多源数据处理：多源数据是指对于实时数据库中的某一数据点拥有多个数据来源，多源数据处理，可根据预先设定的原则和顺序选取采用的数据，不同来源的数据在数据库中都有标明，同一测点的多源数据在满足合理性校验后按照人工定义的优先级存放（优先级的次序可由用户灵活设置），除了单点的多源数据切换外，还要求能够方便的实现多源数据自动和手动切换功能；计划值：对计划值的修改提供按授权和时间上的控制，并产生事件记录，实时值与计划值按照用户要求，可采用图形、曲线、表格等方式进行实时比较，并可统计和计算；计算量处理：可对实测值、人工输入值及计算值进行数学运算及逻辑判断、自定义函数处理等加工计算，计算量取自数据库（包括实时数据库、历史数据库等），计算的结果放回到数据库中，其属性与实测值相同；人工输入数据：数据能够人工输入到实时数据库（RTDB）、历史数据库以及数据表中，禁止多个用户同时在同一数据点输入数据，并向用户显示说明信息框；数据质量标志：平台对所有遥测量和计算量配置数据质量码，以反映数据的可靠程度。
具体的，所述云平台包括感知层、接入层、网络层、IoT联接管理层和垂直行业应用分析层，其中感知层位于面向设备接入的物联网系统架构的最底层，主要利用传感器、智能硬件、遥感技术、ZigBee等各类终端设备，在不同的地理位置采集信息，并通过GPRS、WIFI、ZigBee、RS485、RS232等网络通讯方式将采集的数据实时发送到接入层；物联网下感知层的设备设计的功能有简易和复杂之分，既有微芯片级的小设备，又有汽车、楼宇电力监测设备等大型设备，设备的区分标准不能以设备的大小来区分，而应以设备的功能和结构的复杂程度来作为划分标准；按照设备的功能来分，感知层的设备可以是功能简单的设备，主要包括部分传感器、RFID设备、ZigBee设备等简易的终端；相比之下，功能复杂的设备结构设计复杂，成本较高，功能强大；例如，智能终端，M2M终端，汽车，电力终端等；接入层的实现主要是依靠网关的嵌入式硬件和软件来完成，硬件的接口包括网线传输、WIFI、RS232、RS485等，方便多种不同接口的感知设备接入，输出接口包括RJ45，GPRS、NB-IoT、LORA、LTE等方式；用户根据不同的使用场景选择合适的输出接口；驱动层存在的目的是为上层接口提供外部设备的驱动功能，并且实现设备的驱动程序；上层程序可以实现对底层结构操作的透明化调用，只需要开发者调用统一的接口，便可以完成对设备的数据上报、命令交互、远程控制等，可以有效屏蔽底层异构设备的复杂性；网络层向对接物联网感知层设备，对接IoT设备管理平台，网络是指终端设备和IoT设备管理平台之间进行远程信息交换的介质，网络层根据不同的应用场景及业务需求可以选择相应的数据传输方式，例如对低功耗广域网的NB-IoT、基于LTE空口优化的Emtc以及LoRa的解决方案；对于视频等实时性和速率较高的场景可以采用4G、5G或者wifi网络带宽比较大的传输方式来满足需求，可以满足随时随地的信息交换和共享；对于像没有基站信号覆盖的场景还可以采用自组网的LoRa网络，它适合在没有基站覆盖的大范围开放空间使用，IoT联接管理层在面向不同行业的物联网设备接入管理平台总体架构中，应用层主要功能是实现设备的智能接入，对设备的智能管理以及设备采集数据进行汇集、存储及可视化展现；应用层的设备管理平台本文中称为IoT联接管理平台，其总体架构如图所示；目前国内外的大型IoT平台诸如像AWS，Google，微软企业领头开发的物联网接入生态系统，大型电信运营商的物联网管理平台，如中国电信IOT物联网平台和中国移动“OneNet物联网平台”；大型科技企业有亚马逊旗下的AWS-IoT服务平台、百度的天工开物物联网平台和华为技术有限公司的OceanConnect平台；垂直行业应用分析层由两部分组成；一部分是大数据存储以及数据建模等为其他平台提供数据服务的数据平台，另一部分是基于这些数据的业务应用和分析平台，结和特定的行业场景实现具体应用；垂直行业数据分析及应用平台包括对数据的智能化分析以及多种实际应用，为行业部门提供各种信息服务并辅助以科学决策，实现对数据的宏观把握，精确分析各类数据的高峰、低谷以及发现各类预警的信息，提供报警机制，长效的管理，充分发挥大数据分析的高效及性能。
所述信息传输与通讯系统采用的通信协议兼容ModbusRTU、ModbusTCP、IEC61850、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、MQTT，IEC60870-5-104。
进一步的，信息传输与通讯系统包括智能物联网关和终端智能网关两部分。
其中，智能物联网关是为了解决物联网采集设备的统一接入，赋予终端设备网络通信能力和智能计算能力，实现物联网终端设备数据采集上报和网络通信功能，平台可以对网关进行动态配置，该网关与物联网领域的新技术相结合，支持低功耗、低成本的NB-IoT场景下的设备接入与数据上报；对于没有直连IP能力的设备可以通过4G模组，结合网关终端软件系统实现设备智能接入；对于有IP能力的设备采用网关Agent的形式，终端设备集成网关AgentSDK，软件体系，所述智能物联网关包括硬件层、驱动层、系统层、应用支持层和应用层，硬件层为网关硬件系统提供支撑平台，通常包括常用的存储器件、硬件的外设端口、以及微处理器等；本网关硬件层主要模块有存储器件、I/O接口以及通用外设端口，例如以太网接口，通信模块4G/NB模块，RTC时钟模块、提供GPS模块等；ZynqApSoc采用的是基于FPGA的可编程架构设计，实现软件定义硬件，而且Xilinx中的SSI技术可以开发板提供低延时、低功耗的网络带宽网，硬件层的上方对接的是模块驱动层，驱动层完成硬件层设备各模块的驱动程序，并向外提供嵌入式操作系统的外部访问接口，协调外设与内部系统的关系保证系统的正常运行；网关的驱动主要有通信驱动、传感器驱动、开发板Xilinx的驱动以及众多的硬件层外设；驱动层为上层系统提供了硬件接口的便捷访问和初始化服务，能够有利于系统的正常运行，系统层主要包括BootLoader引导系统和Linux Core,一般情况下BootLoader是负责系统内存空间映射的创建，先于操作系统启动；Linux内核的主要模块有VFS、进程管理、内存管理、设备管理以及网络服务等，是系统运行的核心和资源调度的中心；应用支持层是针对系统支持的功能模块，动态的支持某些JAR包、JDK或者第三方链接库，实现轻量级的系统支持，提高系统开发效率；应用支持层中最关键的部分是系统初始化脚本，它在系统启动时，在操作系统层面上对整个系统的资源分配和程序检测进行调度和控制；此外嵌入式和第三方链接库可以为开发平台提供语言开发环境支持，例如Python或者JAVA语言开发环境；应用层位于智能网关最上层，对外层应用软件系统提供支撑，可以针对不同需求进行定制化功能扩展；应用层负责网关和远程服务平台的直接交互；本应用层中扩展了设备接入模块，提供了对多种不同行业设备的智能接入；应用层设计中的模块功能主要有：主控模块、平台通讯模块、设备接入管理模块。
所述终端智能网关的目的是保证对不同行业物联网设备的接入，设计的模块是网关通用功能模块，能实现物联网设备与网关的正常通信和数据传输等功能；网关的智能体现在对不同行业物联网设备普适性，和对新功能模块的动态扩展；智能网关终端软件系统主要有数据釆集模块、主控模块、设备管理模块、网络接入模块和远程交互模块；其中主控模块是系统的资源分配和系统配置模块；网关模块新增了同时支持低功耗物联网通信模组和4G通信模组，使得设备可以在网关里实现4G和低功耗网络的切换，方便设备实现低功耗物联网场景和4G场景下的接入；终端智能网关具有Agent模块和与其相连接的主控模块、数据采集模块、设备管理模块、网络接入模块、远程交互模块。
利用服务端技术将智慧网关部分功能抽象为集成Agent,终端设备作为子设备连接到智能网关，并通过智能网关接入到物联网平台，此种场景适用于终端设备没有网络通信能力，需要借助网关或Agent网关实现设备通信，Agent会提供一个基础的能力，类似于数据中间件，并通过在服务端开放相关API,终端物联网设备可以通过此Agent中间件快速接入到平台中，使用Agent模块进行通信，需要经过设备初始化、绑定、状态更新、数据上报和发布以及命令接收和数据更新等步骤，本文的研究重点在设备接入管理平台，网关软件设计抽象己经实现，为了加快设备接入到云平台，故网关软件抽象成网关Agent不作为本文重点工作；主控模块负责整个系统资源调度，在设备端初始化时，读取初始化信息，在各个子线程调度各模块，主要包括以下几个重要步骤：初始化系统、读取相关配置、调度子系统模块还有日志维护功能，日志模块用来记录客户端的主要操作和报错信息方便用户排查；数据采集模块主要负责收集终端监测设备的采集数据，并通过接口对数据进行处理、任务可以进行手动配置，封装、存储和发送等，系统采集功能由主控程序定期调度执行，其工作流程如图5所示；设备管理模块主要负责网关与物联网终端设备的对接，支持设备内部设定的不同协议的自动转换,完成对终端设备类型的自动设别、设备采集数据自动提取、数据信息格式化与存储等操作，设备管理模块系统流程分为四步，读取设备上传数据、判断设备类型、解析采集的数据并对数据进行匹配和格式化操作最后存储到Flash闪存中，当调度主控制模块时，将数据报告给远程交互模块，其工作流程如图6所示；网络接入模块用于网关节点与IoT设备管理平台进行通信，其通信流程如图所示，网关节点有GPRS、4G、NB通信方式，NB模组的工作方式与4G不同，NB模组目前支持UDP和Coap协议，暂不支持Tcp协议，网关节点通过串口将设备与网络模组连接，通过发送AT命令将监测设备的数据发送到平台，完成数据双向流通，当网络模块工作时，网关通过向串口发送AT指令，来完成上网、连接服务器，查看接收数据，上报数据等操作，4GLTE采用拨号的形式进行入网，若拨号未成功，网络通信模块会检测网络异常并进行重连操作，在重连次数达到设定值后，避免能耗的损失会停止重连，其工作流程如图7所示；设备和平台远程交互如图所示，远程交互模块主要功能是实现设备数据多点上报、接收平台下发的命令和数据并作出相应的动作反馈、与平台保持心跳连接，上报平台设备的基本状态，远程交互模块实现网关应用系统与主控平台之间的通讯，在平台提供相应的功能模块支持后，可以完成对设备的远程配置，其工作流程如图8所示。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种物联网安全用电系统，包括云平台，其特征在于，所述云平台连接数据应用终端，且云平台通过信息传输与通讯系统连接多个智能就地终端，智能就地终端连接有信息采集系统，信息采集系统实时监测用电情况，系统分为电力监控、环境监控和电气火灾监控、视频监控四大部分；智能就地终端包含通讯管理模块、配电自动化模块、智能监控主机模块和电源管理模块；云平台分为WEB端和采集端可灵活部署应用于主流云服务商的云服务器，采用UNIX/LINUX混合平台结构；数据应用终端用于进行遥测、遥信、电度、多源数据处理、计划值、计算量处理、人工输入数据、数据质量标志等的调度处理工作。
2.根据权利要求1所述的一种物联网安全用电系统，其特征在于，所述云平台包括感知层、接入层、网络层、IoT联接管理层和垂直行业应用分析层，其中感知层连接接入层；接入层的硬件的接口包括网线传输、WIFI、RS232、RS485实现感知设备接入，输出接口包括RJ45，GPRS、NB-IoT、LORA、LTE；网络层向对接物联网感知层设备，对接IoT设备管理平台，IoT联接管理层实现设备的智能接入，对设备的智能管理以及设备采集数据进行汇集、存储及可视化展现。
3.根据权利要求1或2所述的一种物联网安全用电系统，其特征在于，所述信息传输与通讯系统采用的通信协议兼容ModbusRTU、ModbusTCP、IEC61850、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、MQTT，IEC60870-5-104。
4.根据权利要求1或2所述的一种物联网安全用电系统，其特征在于，所述信息传输与通讯系统包括智能物联网关和终端智能网关两部分。
5.根据权利要求4所述的一种物联网安全用电系统，其特征在于，智能物联网关包括硬件层、驱动层、系统层、应用支持层和应用层，硬件层主要模块有存储器件、I/O接口以及通用外设端口，网关的驱动有通信驱动、传感器驱动、开发板Xilinx的驱动以及硬件层外设；系统层包括BootLoader引导系统和Linux Core；应用层位于智能物联网关最上层，对外层应用软件系统提供支撑，应用层中扩展了设备接入模块，提供了对多种不同行业设备的智能接入；应用层的模块功能主要有：主控模块、平台通讯模块、设备接入管理模块。
6.根据权利要求4所述的一种物联网安全用电系统，其特征在于，所述终端智能网关主要有数据釆集模块、主控模块、设备管理模块、网络接入模块和远程交互模块；其中主控模块是系统的资源分配和系统配置模块；网关模块新增了同时支持低功耗物联网通信模组和4G通信模组；终端智能网关具有Agent模块和与其相连接的主控模块、数据采集模块、设备管理模块、网络接入模块、远程交互模块。
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