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面向智能电网的物联网应用功能框架,以各大环节具有差异性的特点为依据,从而提出了具有差异化的实际应用需求。进一步以每一个阶段所完成功能及支持技术的不同,并考虑到物联网基本网络模型,把面向智能电网的物联网分为三层网络体系构架,这三层网络体系分别为:感知延伸层、网络层及应用层。其中,对于感知延伸层来说,主要的监测目标诸多,涵盖了家具对象、电力对象及智能安防等一系列对象。网络层又细分为接入网与核心网,主要目的是对数据进行实时采集,并实现可靠性回传。另外,对于应用层来说,主要是针对智能电网各项业务需求,进一步构建各类电力应用平台,从而到达有效管理及监控的目的。面向智能电网的物联网技术及其应用分析文/罗巧华物联网是一种新型通信网络,具备智能化识别、定位、跟踪及监控管理等多方面的功能。本课题笔者在分析面向智能电网的物联网架构的基础上,进一步对面向智能电网的物联网应用方案进行了探究,希望以此为物联网应用的完善提供有效依据。摘要
2面向智能电网的物联网应用方案探究
下面笔者从两方面对面向智能电网的物联网应用方案进行探究,一方面为面向智能用电的物联网解决方案;另一方面为面向智能电网生产环节的传感器网络应用方案。
2.1面向智能用电的物联网解决方案
基于传统模式的用户当中,其智能用电物联网应用主要的连接对象为用户的智能双向电表。对于电网企业来说,主要是以用电性质和场合的差异性为依据,进而选取不同功能的智能双向电表,对用户进行电能计量及有关电能质量的监测等应用。在智能双向电表终端设备的运用下,能够实现对用户用电信息的统一性采集。智能电表是以传感器网络及现场总线等为渠道,然后在传输网及电力接入网的作用下,把电表数据传输到与之相关的应用平台,比如用电信息采集平台等。除此之外,基于智能用电过程中,电动汽车充电系统的应用也是非常重要的。该系统的主要应用内容主要体现在:其一,充电站设施的监测部分,涵盖了充电状态检测、视频检测及安防监测等。其二,传感器及RFID系统的设置,通过有效设置,能够对电动汽车运行情况及动力电池使用情况实现实时感知。
2.2面向智能电网生产环节的传感器网络应用方案
对于面向智能电网的物联网应用,主要的目的是使电力系统生成环节的信息化得到有效提高,同时提高自动化程度。要想使此类应用得到有效实现,需要依靠物联网末端的无线传感器网络,应用场景涵盖了变电站一次设备及二次设备以及高压输电线路等;在对设备运行情况及相关线路的运行情况进行感知及预测的基础上,使电网的安全水平得到有效提高,进一步使电网的运行成本降低。如图1所示,为一种适合用在智能电网生产过程环节的传感网络结构。当中,无线传感器网络通过对感知延伸终端各路信息的充分利用,把采集到的数据汇聚到网关节点上,然后由网关节点把分类预处理之后的数据信息传输到接入网当中,进一步实现进入电力通信核心网的统一性。数据在通过分析处理之后,在ICT平台的基础上,将相关指令发出,并以同样的方法逆向往终端网络节点上传输,从而使对全网的实时监测及故障处理能够得到充分实现。
3结语
我校物联网技术专业由于是热门专业,因此报考学生不仅有普高生和职高生,还有单招生。由于在物联网班级中的学生种类最多,那么直接导致学生的学习水平差距相对比较明显。自然而然,授课的精细程度就不能一概而论。因此,微课制作的素材就需要筛选。比如视频录制素材的选取上,由于学习水平不一样,就不能采用PPT画图做成的视频。因为PPT做成的视频往往是教案的电子化,内容精简而且文字居多,观看枯燥。因此,观看这个视频的普高生和职高生比较容易接受,但是单招生接受不了。那么我们在选择视频素材的时候一定要选择具有现实场景的视频,因为这种视频真实、具体而且有趣。制作素材还有很多,这里不一一赘述。
2学习情境的设计要贴近学生日常生活
大学生现在处在我国高速发展的信息时代,数码科技产品无处不在。因此,在微课的情境设计中,如果经常使用含有电子产品使用的情境,会让学生感觉教师的准备力度不够。相反,如果不使用电子产品,而是使用日常生活中的琐事为例,就会给学生提供生活琐事的解决方案。比如,情境设计中使用校园停车场不够这个情境,学生就会通过这个问题想到智能停车管理系统,卡口系统,视频采集技术等。由于物联网技术本身集成度大,融合度高,因此涉及到的技术非常多,那么学生一时间难以把这些知识串起来。这样情境设计对教师想要传达给学生某个知识点时,就显得异常复杂。对于基础不好的同学来讲,这时就容易出现为难情绪。
3课程设计偏重非专业性
国外金融危机引起的增长低迷还没有消退,但大量围绕电力、通信、交通、环境的智慧型基础设施依然加紧实施。基础性的关键技术研究不断进步,如美国加州大学、麻省理工学院、奥本大学、宾汉顿大学、克利夫兰大学等在极低功耗无线传感网络、自组织传感器网络、传感器网络系统的应用层设计、基于IP的移动网络和自组织网络方面、结合无线传感器网络等方面开展研究,新加坡国立大学在无线传感器网络方面进行研究,物联网标准也在加快研究。另外,RFID技术、GPS/GIS技术的应用持续升温,IPv6、M2M、3GPP等技术的研究渐趋成熟,近距离无线通讯、传感器网络、泛在网络等网络技术也随物联网技术应用而快速成长,这也显示了物联网技术研究的不断进步。国内最早于1999年启动传感网工程,由中科院对物联网技术工程项目进行专门研究。近年来有更多的科研院所参与了物联网的研究,在物联网无线传感器网络节点方面研究突出的有南京邮电大学的UbiCell系列节点、中国科学院计算技术研究所的GAINS系列节点、香港科技大学的无线传感器网络节点;在无线传感器网络的软件及平台方面突出的有:南京邮电大学无线传感器网络研究中心开发的基于移动的无线传感器网络中间件平台、南京邮电大学的无线传感器网络集成开发平台MeshIDEMeshIDE、中国科学院宁波计算所的无线传感器网络分析与管理平台。在物联网理论研究方面提出许多具有创新性的想法的有,南京邮电大学、哈尔滨工业大学、清华大学、上海交通大学、北京邮电大学。归纳总结上述研究不难看出,第一类属于基础性研究,如标准、节点、网络、平台等等,这类研究会对今后物联网应用提供支撑;第二类属于技术应用研究,如RFID、GPS/GIS、IPv6、M2M、3GPP等等,技术比较成熟,但更需要要研究整合应用;第三是理论方面研究,也有待于实践的验证。然而,上述三方面都不属于完整的物联网系统研究,该课题正好是要从一个完整的物联网出发去对物联网系统进行研究。
二、研究目标和内容
课题的研究,是根据智慧实验室建设的环境对感知、控制的具体要求以及使用人的功能要求,研究设计在小规模试验的环境下建立一个可供体验、实训、研究的物联网技术支撑平台及网络架构。1.研究智慧实验室建设传感网网络架构,根据新校区智慧实验室建设,各智慧教室的空间分布情况及功能分布情况进行相关的研究设计,提出完整的传感网网络架构方案。2.物联网技术支撑平台,研究传感及控制系统集成模块、管理系统模块及智能处理模块三个部分集成为一个整体的物联网,构成物联网技术支撑平台方案。该课题研究的核心内容是由感知及控制系统集成模块、管理系统模块及智能处理模块三个部分集成后形成的物联网。该系统不仅将三个部分叠加到一起,还将三个部分有机的集成,特别是智能处理模块要达到智能化的功能,要随时访问另外两个模块的数据,并根据访问的数据分析处理做出准确的判断,输出控制信号到控制系统交给执行机构执行。因此,要解决的重点问题是构成由三个系统模块组成的有机集成系统——物联网。要突破的难点问题是如何按照智慧实验室建设环境下对感知、控制的具体要求及使用人的功能要求,设计出有机集成的三个系统模块方案,并使其达到功能要求的智能化。
三、研究方法和实施步骤
有线传输和无线传输是变形监测物联网数据及指令传输采用的2种主要方式。有线传输由于受到传输距离的限制,其应用范围有限;无线传输目前主要采用基于GPRS/CDMA的无线数据通信方式,GPRS(GeneralPacketRadioService,通用分组无线业务)和CDMA(CodeDivisionMultipleAccess,码分多址)是在GSM系统上发展起来的新的数据通信技术,其特点与优势就是将移动通信与因特网这两大热门技术联合了起来,带动了物联网领域向全IP网络的方向发展,为远程监测、区域大、布线困难、数据流量小的应用场合提供了很好的应用机会。本系统的数据传输是通过CDMA或GPRSDTU(DataTransferUnit,数据传输单元)的无线终端设备实现的。一般地,常常采用2种工作模式实现数据传输,一是传输两端均为DTU设备的点对点模式;二是一端为DTU、一端为无线数据服务中心的中心对多点模式,此时仅需保证现场具有良好、强烈的信号,保证传输效果即可,故对现场设备并无特殊要求。考虑到城市轨道交通内不同区域信号强度不同,通信信息覆盖范围也有差别等情况,中心对多点的工作模式被确定为本系统的工作模式,而现场的CDMA或GPRSDTU则通过设置于采集计算机的无线数据服务中心实行集中管理。
2变形监测物联网应用层的软件配置
DAMS-IV型智能分布式工程安全监测系统是本系统的应用层,该系统是在WindowsNT网络环境下,基于Windows98/NT工作平台开发的一款工程安全自动化监测系统,具有较广泛的使用功能,例如,演示学习系统、在线安全评估、辅助工具、文档资料、测值的离线性态分析、报表制作、监控模型/分析模型/预报模型管理和帮助系统等日常工程安全管理的所有常规内容。
3静力水准系统工作原理
静力水准仪利用连通液的原理,多支通过连通管连接在一起的储液罐的液面总是在同一水平面,通过测量不同储液罐的液面高度,经过计算可以得出各个静力水准仪的相对差异沉降。
4工程应用
本工程为宁波轨道交通某新建车站基坑近接某既有车站开挖工程,新建车站为明挖地下4层岛式车站,设计埋深为32.22m,覆土厚度3m,与既有线车站主体建筑的水平距离约16~24m。新建车站基坑埋深大,地质条件复杂,施工风险大,为实时掌握新建车站基坑施工对既有线车站线路变形的影响情况,保障既有线路安全运营,对本工程采用变形监测物联网系统进行线路变形沉降静力水准监测。
4.1测点布设
根据新路变形沉降监测需要,分别在既有运营线路车站的左、右线路中线各布设1条监测线,每条监测线布设10个监测点,监测点间隔12m,共布设20个静力水准监测点。每条监测线对应1个基准点,基准点采用独立坐标系统,布设在离最外侧监测点40m左右的轨道结构外侧,远离变形区域。监测点的平面布设位置如图4所示。
4.2数据通信
信号通信设备由通信电缆、供电电缆、标准RS-485现场总线、电源箱等组成,现场RJ-S型智能电容式静力水准仪通过RS-485现场总线与标准型模块化智能数据采集单元DAU2000实现通信,DAU2000数据采集单元通过GPRSDTU通信模块实现与因特网的连接。DTU的基本用法是在DTU中放入1张开通GPRS/CDMA功能的SIM卡,DTU上电后先注册到GPRS/CDMA网络,然后通过GPRS/CDMA网络和数据处理中心建立连接,将数据采集单元获取的数据传输到控制中心的PC机上。
4.3数据采集及分析
高校是较早利用物联网技术的阵地之一。凭借在红外激光、无线通信、自动识别、传感射频、认证编址等高新技术方面的优势,尤其是RFID技术的广泛使用,如校园卡、门禁卡等,许多高校已经初步实现了物联网技术在校园内的大规模集成化应用,而且具备信息化、网络化、智能化、可视化等先进技术特征。中国电信、中国移动等通讯部门与部分高校签署的校园信息化建设协议为校园电子设施的改造提供了技术保证。当前,学生可以通过射频卡(校园卡)或手机卡在学籍管理工作中进行快捷注册,在公寓门禁管理、图书借阅等方面进行自主识别,在就餐消费、电费、网费缴纳等领域实现便捷支付。在安全系统领域,如对学生进行识别、定位、查询、管理等方面,也开始有了初步探索。
二、高校学生管理应用物联网的必要性
进入21世纪以来,伴随着我国逐步进入高等教育大众化阶段,高等学校的在校总人数达到2700余万人。高校的规模、结构、体制等方面也随之发生了巨大变化,随着大学新校区建设、后勤管理社会化以及高等教育管理体制改革等的逐渐推进,高校学生管理工作也逐渐规范化、独立化,迫切需要进行管理机制的创新。近年来,由于国内外政局不断变化、经济全球化进程加快、国内改革不断扩大与深化引发就业方式多样化、社会矛盾频发,涉及高校学生学习、生活、就业等方面的环境因素已经发生了重大变化,影响高校学生管理工作的不确定因素明显增加,高校学生管理工作的复杂性与日俱增。随着现代信息技术的发展,作为主要传播媒介的互联网正全方位融入生活的各个角落。高校学生的思想意识形态已经被互联网传播的多元化价值观念影响,高校学生正遭受着各种意识形态和社会价值取向史无前例的猛烈冲击。尤其是进入“微”时代后,手机客户终端的无限延伸已经使得互联网发展成为一个没有边际的世界。不同的思想文化、价值观念交织碰撞,思想尚未成熟的大学生普遍存在政治信仰迷茫、理想信念缺失、价值取向扭曲、诚信意识淡薄、社会责任丧失、团结协作理念淡化、心理素质欠佳等问题。高校频发的自杀、校园暴力、偷盗、网络犯罪等恶性极端事件,对高校管理工作也是一个严峻的挑战。作为高校学生管理工作直接参与者的辅导员,鉴于当下“两眼一睁,忙到熄灯”工作状态和“干最累的活,拿最少的钱”的收入状况,无法调动自身积极向上的工作情绪。部分高校存在辅导员配备不足、工作繁杂、职责不明等问题,辅导员参与学生管理工作力不从心,效率不高。加之辅导员在高校日常管理工作中几乎要面向学校的各个职能部门,大量时间都要用在执行各部门布置的任务上,学生的全面细致管理受到极大影响。将物联网与高校学生管理工作进行有效接轨,把物联网与学生安全管理、学风建设、心理健康管理、贫困生资助管理、课外活动监控等结合起来,实现“感知管理”,从而把握主动权,可以有效预防各种危机并改变工作滞后的局面。
三、利用物联网技术实现高校学生管理工作的创新
目前,高校学生管理工作者“抓两头、略中间”的管理模式存在许多管理漏洞,问题频发。利用网络信息传递的多向性优势,学生管理工作者可以改变以往工作对象受限的现状,全面发现、掌握和解决更多学生在学习、生活和思想上的深层次问题,使更多学生同时接受全方位管理成为可能,也使得学生管理工作从平面走向立体,从被动变为主动,从现实时空走向网络时空,从而实现学生管理在工作形式与工作内容上的创新。学校将RFID识别标签嵌入校园卡、学生证、门禁卡或手机卡中,在校园全覆盖范围内可以实现对学生的实时监控。网络控制系统可以自动、实时地对学生进行识别、定位、追踪、监控。通过这种工作模式,可以突破以往校园区域范围内的信息层层传递烦琐和管理应急反应慢的局限,使学生的各类信息能够第一时间传达至校园网络系统,第一时间做出事态分类甄别。
1.实时考勤反馈促学风
良好的学习风气是学生思想品德、学习精神与综合素质的重要体现,是促进学生成长成才的基础。由于部分学生进入大学以后受到目标缺失、生活散漫、社会工作与学习安排不当、网络成瘾、恋爱等诸多因素的影响,出现了“每天睡到日三杆,上课时间不到班,上课懒把课本翻,整堂只把手机玩”的现状,学习风气令人担忧,严重影响人才培养质量。教务部门可通过嵌在学生校园卡、手机卡中的电子标签发送信号,由各个教室设置电子监控感应器(摄像头、感应器等)进行接收,网络自动进行到课学生信息核对,统计缺勤学生信息并传递给辅导员或学生本人,督促学生出勤。为杜绝学生在课堂上玩手机的现象,电子感应设备感受到嵌在手机卡内的电子标签所发出的信号后,可以通过网络自主进行判断、定位,提示上课教师及时制止,或者自行将手机锁屏,让学生在课堂内无法正常使用手机。
2.智能校园监控保安全
近年来,高校校园内火灾、偷盗、斗殴、死亡事件频发,让高校学生工作管理者猝不及防。高校管理人员对各类事件、隐患不能提前预判,应对起来相当被动。大多数高校为了扩招,校园面积增大,建筑增多,师生人数上升,管理难度随之加大,师生的人身财产安全难以保证。物联网技术可以对高校校园的安全管理进行智能化、实时化监控,突破时间、空间的限制,实现全时段、全方位智能监管。高校一般都能将分散在校园各处独立的监控录像进行联网,对校园安全情况进行录像、监管。但这种形式相对单一,人员缺岗时不能及时反馈,存在一定缺陷。为改善现有的监控设备监测单一的局面,高校可在校园的危险区域或监控盲区,如池塘、顶楼、施工场所、治安死角等场所设置RFID电子标签,当学生进入这些区域的识别范围时,由网络上传信息进行身份自动识别,并发出语音警示提醒学生注意安全或离开危险区域。同时,校方安保人员可在第一时间接到警报进行现场处理。为防止校外人员进入校园影响正常的教学秩序,进行偷盗、聚集等行为,高校可在教学区、生活区等限制校外人员进出的区域安装监控摄像头和电子报警器,当发现可疑人员进入学生宿舍时,或者当公共场所发生斗殴或聚集事件时,监控录像会自动采集图像信息进行上传,进行甄别、预警,电子报警器则会通知安保人员及时到达现场进行事件处理;在学校门口、公寓楼门口安装电磁开关和读卡机等进出控制系统,对通行位置、通行人员身份、通行时间等信息进行实时监控,如发生学生在非正常时间离校出走事件时,可立即显示、打印和报警,提示辅导员或保卫部门及时做出反应。
3.远程诊疗心理问题学生
高校学生在人际关系处理困难、过分依赖网络、角色转换与适应慢以及学习生活压力大等各种因素的影响下,心理状况令人担忧。目前,高校已成为心理弱势群体的聚集地,心理不健康状态或亚健康状态的学生约占总人数的一半左右。部分心理有问题的学生出现自卑、抑郁、偏执、焦虑、强迫、精神分裂等症状。虽然高校设立了专门的心理自助中心,并配备专门的心理辅导老师进行干预治疗,但部分学生不能主动意识到自身的心理问题,不愿进行心理辅导。高校每学期进行心理测评,虽然可以有目的地关注部分问题学生,但“踏着铃声进课堂,宿舍内外无声响,互联网络诉衷肠”的生活模式,也让高校辅导员无法及时关注学生心理状态,甚至出现学生离校出走、自杀后不能及时得知信息的局面。因此,高校可以为学生配发简易的医疗传感设备,对在校学生的生理指标进行实时监测,学生的生理指标数据通过无线通信网络传送到心理自助中心,让辅导员和心理咨询师有的放矢地进行关注和心理辅导,及早介入,有效防止意外事件的发生。
4.校园文体活动自主选择
除去正常的课堂学习之外,高校学生的自由时间比较多。由于每个学生的个性不同、兴趣爱好不同,课余时间所参与的活动也不尽相同。将所有学生聚集到一起开展文体活动的传统方式既费时费力,又让学生感觉是被强迫参与。所以,学生参与课外活动的兴趣不浓,积极性不高,活动效果不尽如人意。通过物联网的使用,学校有关部门可以根据学生在入校之初填写的个人兴趣爱好,建立档案信息,进行分类整理、汇总,每天可通过微信平台、QQ、电子邮件等形式将即将举办的各种活动信息分类别、有针对性地推送给对应的学生,让学生可根据时间自行参与自己感兴趣的活动,并实时反馈参与情况,进行总结评估。
5.智能服务学生生活
物联网技术在服务学生生活方面也可以大有作为。以购买火车票为例,传统的车站售票、代售点售票虽然是学生群体的惯性购票方式,但较浪费时间。网络时代,通过互联网电子支付平台预订车票的方式越来越受到大学生的青睐。学校后勤部门可以利用物联网为学生购买往返车票提供便利。在开学或者放假前夕,物联网络可根据已统计汇总的各个学生的乘车区间信息,自动将票务信息推送至各手机终端或者个人认证平台上,并链接网络购票系统、个人银行卡、电子支付认证系统。学生只需用手机或者认证平台选择所乘车次,点击确认,无须其他操作则可由系统自动完成购票。通过这样的方式,可以为许多学生解决“买票难”、“忘买票”等问题。物联网技术还可以利用在对高校贫困学生的资助、奖贷工作中。物联网可以将建立贫困档案学生的消费信息向财务系统进行实时反馈,实现资助资金的自主发放和使用管理。
四、结语