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1.引言
配电网能效及互动节电综合管理系统,是基于用电环节与配电环节的信息集成,通过物联网能效需求响应终端、通讯网络、网络计量采集设备、智能传感控制管理设备等构建供电企业和电力用户之间准实时、双向互动信息共享平台,从而提高电网需求和用户需求的智能化互动水平、能源利用效率和最大发挥电力设备使用效率,提升供电企业市场营销管理水平、服务品质和用户侧自动需求响应管理水平,扩大电力市场、促进节能减排、提高配电网经济运行。
2.配电网能效管理及互动节电管理系统架构
配电网能效管理系统由于规模大,结构复杂,设计的设备节点数量多,信息流大且分散。为了便于管理,我们设计了层次化为七层的能效管理及互动节电管理系统如图1所示。
图1 配电网能效管理及互动节电管理系统架构图
从上图看到配用电网架复杂、节电数量多而分散、业务种类复杂。为了达到配用电测高效、安全、准实时双向的通信支撑,需要详细研究适用于电力通信领域的通信方案。
3.电力物联网有线通信方式介绍:
3.1 以太网结合光纤EPON技术
无源光网络(PON)的概念提出较早,它可以节省光纤资源、对网络协议透明,在光接入网络中扮演着重要的角色。同时,以太网技术经过多年发展,靠其简便实用、价格低廉的特性,统治了局域网,事实上是承载IP数据包的最佳载体。随着IP业务在城际和骨干网传输中所占的比例不断加大,以太网也在通过传输速率、可管理性等方面的改进,逐渐向接入网、城域网甚至骨干网上渗透。而EPON是以太网与PON的结合(ethernet passive optical network,基于以太网的无源光纤网络),它具备了以太网和PON的优点,正成为光接入网领域的热门。
基于EPON的无源串行模式采用单纤波分复用技术(下行1490nm,上行1310nm),仅需一个OLT(光线路终端)和一根主干光纤,传输距离可达20公里。在ONU(光网络单元)侧通过多级光分路分给最多为64个用户,可大大降低OLT和主干光纤的成本压力。典型方案如图2所示。
图2 配网EPON典型方案图
我国中压配电网大部分采用多分段、开环运行的放射形接线方式供电,该接线方式和EPON的服务架构最为接近。因此,智能配电网通信组网技术选用EPON作为通信技术支撑将是最合理可靠的。
针对智能配、用电系统的特殊应用环境和特殊应用要求.国内展开对下一代PON的研究.解决高性能电磁兼容和大容量数据转发延时的难题.以适应智能配、用电系统现状和发展。对下一代PON技术中的芯片级控制策略(如多点控制协议MPMC、动态带宽分配DBA、前向编码纠错FEC、大容量数据低延时转发等技术)、协议级管理策略(如多协议优先级QoS、VLAN等技术)以及针对智能电力配、用电系统的应用级(如电磁加固、抗干扰等技术)均进行深入研究。
3.2 RS485通信技术
RS485通讯有二线制和四线制两种,四线制属于全双工的通讯方式,但是也只能进行点对点的传输,所以其使用也逐渐减少,如今工业组网使用最普遍的即为二线制半双工RS485通讯。
RS485通讯组网采用的是主从结构的总线模式。即使用一条总线,将一定数量的具有RS485通讯功能的设备连接起来,在同一条通讯总线中只有一个主站,其他均为从站,每个从站在组网时已设置好通讯地址。在同一总线中的设备使用相同的通讯协议,现使用最普遍的为MODBUS协议。在每一个通讯过程中,先由主站以广播的形式下发命令数据帧,数据帧通过通讯总线传到每个从站,从站在接收数据后首先查看数据帧中地址位,只有地址位符合的从站才会对控制指令进行回应。理论上,通信速率在100Kbps及以下时,RS485的最长传输距离可达1200米,但在实际应用中传输的距离也因芯片及电缆的传输特性而所差异。在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大,最多可以加八个中继,也就是说理论上RS485的最大传输距离可以达到10.8公里。如果真需要长距离传输,可以采用光纤为传播介质,收发两端各加一个光电转换器,多模光纤的传输距离是1公里以内,而采用单模光纤可达50公里的传播距离。
由此可看出,要成功完成RS485通讯的布网,需要同时注意硬件上的网路线路的连接和软件上的通讯协议两个方面。在硬件连接上需注意连接的稳定性,采用抗干扰能力强的布线方式,布线采用具有屏蔽层的双绞线,并保证总线阻抗的连续性,同时在通讯终端进行阻抗的匹配,以吸收总线终端反射的干扰信号。在软件程序的设计上采用标准的MODBUS协议,以兼容市场上大部分的使用RS485通讯的设备。
RS485总线不应采用星形或环形连接,最佳的接线方式为手拉手式连接,如图3所示:
图3 RS485手拉手连接图
3.3 PLC通信技术
电力线载波技术简称PLC技术,是英文Power line Communication的简称。电力载波是电力系统特有的通信方式,电力载波通讯是指利用现有电力线,通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术,最大特点是不需要重新架设网络,只要有电线,就能进行数据传递,利用1.6~30MHz,频带范围在电力线路上传输信号。在发送时,利用GMSK或OFDM调制技术将用户数据进行调制、线路耦合,然后在电力线上进行传输.在接收端,先经过耦合、滤波,将调制信号从电力线路上滤出,再经过解调,还原成原信号,如图4所示。目前可达到的通信速率依具体设备不同在4.5~45MB/s之间。
图4 PLC通信结构图
另外,电力线载波通讯因为有以下缺点,导致电力载波技术主要应用-网络通讯(电力上网)未能大规模应用:
(1)配电变压器对电力载波信号有阻隔作用,所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送;
(2)三相电力线间有很大信号损失(10dB-30dB)。通讯距离很近时,不同相间可能会收不到信号。一般电力载波信号只能在单相电力线上传输;
(3)不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同,藕合方式有线-地藕合和线-中线藕合。线-地藕合方式与线-中线藕合方式相比,电力载波信号少损失十几dB,但线-地藕合方式不是所有地区电力系统都适用;
(4)电力线存在本身因有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50HZ和60HZ,则周期为20ms和16.7ms,在每一交流周期中,出现两次峰值,两次峰值会带来两次脉冲干扰,即电力线上有固定的100HZ或120HZ脉冲干扰,干扰时间约2ms,因此干扰必须加以处理。有一种利用波形过零点的短时间内进行数据传输的方法,但由于过零点时间短,实际应用与交流波形同步不好控制,现代通讯数据帧又比较长,所以难以应用;
4.电力物联网无线通信方式介绍
4.1 WiFi无线通信技术
WiFi是wireless Fidelity(无线保真),又称IEEE802.11b标准,最大的优点是传输速率高,可以达到11mbps。WiFi具有功耗低(发射功率不超过100mW)、无需布线、宽带接入、组网灵活等特点,目前在IT产业中许多终端都配置了WiFi功能,在服务业各个服务商也为客户提供了Wi-Fi上网环境,在电力行业,随着光纤和宽带无线技术的规模化,电力中的大部分地区都有了电力通信网的接入,然而在电力通信网末端,由于地理位置、环境等因素的影响,有些地区无法实现电力通信网接入,此时WiFi作为该网络的补充较为合适。WiFi作为传感网中的一种通信方式,可在智能家庭网络中发挥重要的作用,覆盖范围可以达到100m,实现各种智能设备的互联网接入功能,为用户提供高速的互联网应用解决方案,为智能电网用电服务体系建设提供了高效、可靠的宽带通信手段。
4.2 ZigBee无线通信技术
ZigBee是一种短距离、低功耗、低成本的无线自组网技术,主要用于组建近距离的无线网络。ZigBee技术基于IEEE802.15.4标准,在国内工作在2.4GHz频段下,在欧美工作在868/928MHz频段下。在2.4~2.485GHz的工作频段下,ZigBee技术采用QPSK的调制方式,数据传输速率达到250Kbps,共有16个通信信道,每个信道提供5MHz的带宽。在一个ZigBee网络内,可以支持多达65000个无线通信终端,根据网络环境的差异,各个设备节点之间的通信距离各不相同,传输范围从10米到100米不等。由于ZigBee协议的简单化,网络对于通信设备要求较低,因此成木很低。ZigBee组网技术的特点及应用场所要求ZigBee终端设备具有简单、工作稳定、成木低廉、能耗少的特点。
ZigBee的组网形式可以快速、简易、高效地组建,符合通信网络实时性、可靠性的需求。
4.3 蓝牙bluetooth无线通信技术
作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,蓝牙以低成本的近距离无线连接为基础,为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接,完成数据信息的短程无线传输。其实质内容是要建立通用的无线电空中接口(Radio Air Interface)及其控制软件的公开标准,使通信和计算机进一步结合,使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下,能够在近距离范围内具有互用、互操作的性能(Interoperability)。蓝牙以无线LANs的IEEE802.11标准技术为基础。蓝牙技术有:成本低,功耗低、体积小,近距离通信,安全性好的特点。蓝牙在物联网发展中得到一定的应用,有办公场所,家庭智能家居等环境。
4.4 GPRS无线通信技术
通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service,GPRS),使用分组交换模式以及无线接入技术。GPRS 可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同,是以封包(Packet)式来传输,因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算,因而价格较贵。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。GPRS技术由于使用流量计费,故不太适合本系统长期使用。
5.各种通信方式对比(见表2)
6.结论
通过表1的对比结果,结合我们的能效管理系统的具体架构,我们可以对各个环节的通信环节作出如下规划:
(1)大物联网能效交互终端:由于下辖用电管理节点不少于100个,用电节点不少于10000个,并且地域范围跨度比较大,故建议上行通讯GPRS、或者EPON为组合,本地通讯以WiFi来组网。
(2)智能交互终端、导轨表、分路控制器、网络断路器:本地用电节点不少于100个,需要速度较快的通信速率,考虑到智能园区和家庭需要的覆盖范围,建议上下行通信以WiFi来组网。
(3)采集器、低压网络开关智能开关、低压网络智能插座等用户一对一设备:对实时性和数据的传输速率以及信号越障能力要求较高,建议用WiFi来组网。
参考文献
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基金项目:2013年国家电网公司总部科技项目支持(编号:SGRI-WD-71-13-011)。
作者简介:
王亮【通讯作者】(1985―),男,山西人,硕士研究生,现就职于国网智能电网研究院,研究方向:物联网技术。
袁玉湘(1979―),男,博士研究生,高级工程师,IEEE会员,现就职于国网智能电网研究院,研究方向:微电子技术。
关键词:物联网;RFID;J2EE
中图分类号:TP391.4 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2011) 08-0000-02
Architecture and Application of the Internet of Things Technology
Lin Yan1,Lin Yuan2
(1.Liaoning Provincial Highway Administration,Shenyang110013,China;2.Sujiatun Bureau of Economic and Information Technology,Shenyang110101,China)
Abstract:The Internet of Things is regarded as the computer,the Internet and mobile communication network of information industry after the third time,because of its vast wave of industrial application prospects under governments'attention.The structure system of The Internet of Things on the key technology plays a decisive networked application effect.Content networking applications, can change the traditional industry management mode,let management become more intelligent,more efficient.
Keywords:Internet of Things;RFID;J2EE
物联网是通过各种感知设备和互联网,连接物体与物体的,全自动、智能化采集、传输与处理信息的,实现随时随地和科学管理的一种网络;是对当今各种新技术、新理念的高度融合,它打通了电子技术、自动化技术、通信技术、生物技术、机械技术、材料技术等以往关联不大的技术之间的通道,使得这些技术真正融合为一个整体,从而实现了通信从人与人向人与物、物与物的拓展。物联网行业应用需求广泛,潜在市场规模巨大,它将成为全球下一个万亿元级规模的新兴产业。目前物联网技术发展已列入我国国家级重大科技专项,可以肯定其代表了下一代信息技术发展方向,将会像互联网一样成为全球经济发展的又一个驱动器,带领全球经济走出危机。
一、物联网的应用架构
(一)基于RFID的物联网应用架构。RFID可能是三类技术体系中最灵活的能够把“物”改变成为智能物件的,它的主要应用是把移动和非移动资产贴上标签,实现各种跟踪和管理。RFID只是编码的一种载体,此外还有其他基于物理、化学过程的载体。
(二)基于传感网络的物联网应用架构。物联网中的传感网络主要是指无线传感网络(WSN,Wireless Sensor Networks)。WSN由分布在自由空间里的一组“自治的”无线传感器组成,共同协作完成对特定周边环境状况,包括温度、湿度、化学成分、压力、声音、位移、振动、污染颗粒等的监控。
(三)基于M2M的物联网应用架构。业界认同的M2M理念和技术架构覆盖的范围应该是最广泛的,包含了EPCGlobal和WSN的部分内容,也覆盖了有线和无线两种通信方式,一个典型的M2M系统包括:M2M应用,M2M中间件,网络层,M2M网关层,远程设备。
二、物联网中的关键技术
物联网涉及的新技术很多,其中关键技术主要有射频识别技术、传感器技术、网络通信技术和云计算(传输数据计算)。
(一)射频识别技术。俗称“电子标签”,是特联网中非常重要的技术,是实现物联网的基础与核心。这一技术由三个部分构成:标签(Tag),附着在物体上以标识目标对象;阅读器(Reader),用来读取(有时还可以写入)标签信息,既可以是固定的也可以是移动的;天线(Antenna),其作用是在标签和读取器之间传递射频信号。此技术的可以应用于供应链管理系统,高速公路的自动收费系统。射频技术发展面临的主要问题和难点有:射频识别的碰撞防冲突问题,射频天线研究,工作频率的选择,安全与隐私问题。
(二)传感器技术。传感器是提取信息的关键器件,是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集手段。由于物联网通常处于自然环境中,传感器要长期经受恶劣环境的考验。即使是最现代化的电子计算机,假如没有准确的捕获和转换,一切准确的测试与控制都将无法实现。在物联网方面的应用中,需要传感器在感知信息方面和自身的智能化和网络化方面有较大方面的提高。
(三)网络通信技术。最基础的物物之间的感知通信是不可替代的关键技术。网络通信技术包括各种有线和无线传输技术、交换技术、组网技术、网关技术等。其中M2M技术是指所有实现人、机器、系统之间建立通信连接的技术和手段,同时也可代表人对机器(Man-To-Machine)、机器对人(Machine-To-Man)、移动网络对机器(Mobile-To-Machine)之间的连接与通信。M2M技术适用范围广泛,可以结合Wifi、BlueTooth、Zigbee、RFID和UWB等近距离连接技术,此外还可以结合XML和Corba,以及基于GPS、无线终端和网络的位置服务技术等。此技术可用于安全监测、自动售货机、货物跟踪领域。目前M2M技术的重点在于机器对机器的无线通信,而将来的应用则将遍及军事、金融、交通、气象、电力、水利、石油、煤矿、工控、零售、医疗、公共事业管理等各个行业。
三、物联网的典型应用
(一)智能交通。智能交通解决交通拥堵、提高行车安全、提高运行效率的重要途径。我国交通问题的重点和难点是城市道路拥堵。在道路建设跟不上汽车增长的情况下,对车辆进行智能化管理和调配就成为解决拥堵问题的主要技术手段。在中国已经有20多个省区市实现公路联网监控、交通事故检测、路况气象等应用,路网检测信息采集设备的设置密度在逐步加大,有些高速公路实现了全程监控,并可以对长途客运危险货物运输车辆进行动态监管。
(二)智能家电。物联网的预期应用中,智能家居是一个重要的应用领域。智能家居,由网络家民和家庭网络所组成的家庭设施,通过学习、推理等方法为用户提供服务和自主管理能力。家庭网络,是融合控制网络和多媒体信息网络于一体的家庭信息化平台,用以实现在家庭范围内信息设备、通信设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、照明设备、家庭求助报警、保安(监控)装置及水电气热表等设备的信息互联。网络家电,是将普通家用电器利用数字技术、网络技术及智能控制技术设计改进的新型家电产品,可以实现互联组成一个家庭内部网络,同时这个家庭网络又可以与外部互联网相连接。
(三)煤炭管理。在煤炭企业仓储管理中,计算机管理信息系统已经有了广泛应用,将物联网应到煤炭企业的仓储管理中,建立智能化的现在仓储管理系统,可以极大提高仓储的管理效率。
图1.煤炭企业物流系统模型
整个系统采用J2EE架构,用户通过访问服务器获得数据。在物联网层提供各种数据接口,利用GIS和仓储中的传感器,直接将数据发送到系统数据库中,以便顶层平台可对数据进行处理。平台实际需要的物理服务器3台,分别作为应用服务器,数据库服务器,数据库备份服务器。
图2.平台技术架构图
通过利用物联网技术,将物联网作为数据基础采集平台,提出新的煤炭作业物流运作模式,可最大程度的提高信息共享程度,将订单、生产计划、仓储、物资采供、物资供应以及运输销售过程中的车辆调度中的所有信息全部共享。
四、结论
物联网的发展涉及产业创新、结构调整和发展方式转变,直接推动国家信息化进程,是改善民生、利国惠民的重要技术手段和推动新兴产业发展的突破口,更是提升国家综合国力的关键。我国有着广阔的市场空间,但国内的生产现状还停留在低附加值的状况,物联网这一新技术的出现,不仅对传感器市场带来具大的潜力,更会对传统行业带来新的发展机遇。
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【关键词】数字化信息系统(DIS);物联网;无线传感器;物理实验教学;新课改
0 引 言
物理学是以实验为基础的自然科学, 通过实验可以促进学生正确形成概念和掌握规律,理解和掌握物理知识,培养学生的观察能力、动手能力、思维能力和创新能力。新课标提出:重视将信息技术应用到物理实验室,加快中学物理实验软件的开发和应用。因此提高实验教学的有效性是物理教学的重中之重。
DIS,即数字信息系统实验(Digital Information System),是以真实实验为基础,借助传感器、计算机来完成的实验。它改变了传统的实验教学方法,形成新的教学模式。基于物联网技术的DIS物理实验是实时,准确的,它不同于传统的实验教学,学生可以自由的探究学习,这无疑会给传统低效的实验模式带来巨大冲击。
1 当前高中物理实验教学现状
教学实验简单化,实验过程程序化,操作实验书面化。不关注实验注意事项,不讲实验误差,以程序化的实验步骤开展教学,不注重启发与探究,以教师口头讲实验,学生观看多媒体视频来代替操作实验,甚至设计大量的实验习题,以“书面实验”代替“操作实验”。近3年来江苏高考物理实验得分率持续走低,学生实验操作能力低下,考察实验内容抽样得分率均未达百分之三十。
不是教师懒惰,更不是轻视实验教学的作用,造成这种尴尬局面的主要原因是实验仪器的制约。
例如:探究F合、m、a三者之间的关系(见图1),需要知道力和加速度的即时大小,使用传统实验仪器来获取任意时刻F合、a两个变量值很难做到。广大教师开发智慧,设法固定一个变量F合而只需观察a的变化,使用滑轮加重物,以重物重力g代替恒定力F合(见图2)进行物理实验。可问题是此时重物呈加速下降的失重状态,绳子拉力小于所挂重物的重力,所以重物重力并不能真正代替绳子拉力。
这种实验器材注定了实验存在不可避免的误差。
2 DIS
DIS(Digital Information System)实验技术,又称“数字化信息系统”,是由“传感器+数据采集器+实验软件包(教材专用软件、通用扩展软件)+计算机”构成的新型实验系统。
DIS实验系统配备有多种传感器,能够实时准确地测量各种物理量并转化成电信号送入数据采集器,多种传感器还可以组合进行更加仿真的实验,观察更多的物理量的变化;数据采集器接收各类传感器提供的电信号,并将其转换成能被计算机接收的数字量,通过数据线提交给计算机;计算机根据实验软件包,对获取的数字量进行分析处理,提供多种形式的数据展示。
DIS系统克服了传统物理实验仪器的诸多不足。首先,测量精度更高、更准确,并且实现了数据的实时记录。其次,计算机记录并处理实验数据,处理速度快,准确性高。第三,DIS实验采用多媒体进行实验过程和结果的展示,提高了实验的可视性、真实性。可见,DIS实验不是计算机与传统实验简单叠加,而是信息技术与物理实验的完美整合。
3 物联网技术
物联网是指通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,将任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术。高中物理实验涉及的物联网关键技术有:传感器技术、无线传感器网络(WSN)技术、射频识别(RFID)技术、网络通信技术等。
在物理实验中,传感器将探测到的物理量转换为电学量,并提供输出,以便进一步处理显示、研究。
无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。大量的传感器节点将探测到的数据,通过汇聚节点经其它网络发送给了用户,从而真正实现“无处不在的计算”理念。
射频识别即RFID(Radio Frequency IDentification)技术,又称电子标签、无线射频识别,是一种通信技术,可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。
适用于于高中物理实验的物联网通信技术主要有两类: IEEE 802.15.4/Zigbee协议和蓝牙技术。IEEE 802.15.4/Zigbee协议是基于IEEE802.15.4标准的一种短距离、低功耗的无线通信技术,主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入到各种设备中去。蓝牙技术是一种全球开放性的短距离无线通信规范,采用快速跳频、前向纠错和优化编码等技术,被认为是近年来无线数据通信领域的重大进展之一。
4 物联网技术助力DIS实验
在教育领域,新课改倡导“为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具”,物联网无所不在、物物相连的组网技术为物联网时代的教学提出全新的信息化教学的理念。物联网技术在高中物理实验教学中的运用,就是用射频识别、无线传感器等设备取代传统验证性实验设备甚至DIS中的有线传感器,实现各个物理量数据的实时获取与共享。
(1)目前高中学校使用的DIS实验系统大多采用数据线实现传感器与数据采集器、数据采集器与计算机之间的连接。这种情况下,传感器和数据采集器都受到连接线的限制,有点施展不开。
蓝牙技术具有抗干扰能力强、通信质量稳定、功耗低、成本低的优点,已被广泛应用于无线传感器网络中,采用无线蓝牙传感器代替有线传感器,能有效避免线缆障碍,灵活操作。
(2)高中DIS实验系统数据采集器采用四路并行输入,这就决定了我们的实验必须在不超过四个传感器的前提下完成,限制了实验的发展空间。
基于物联网原理,采用无线蓝牙传感器代替有线传感器,利用无线数据采集器搭建小型局域网,在局域网内快速传递数据,轻松解决传感器数量的限制,有效管理较多数量的蓝牙传感器协同工作(模型结构见图3)。
(3)一个学习小组使用一套DIS实验系统对应一台计算机,决定了小组间的实验数据相对孤立。
进一步运用物联网技术,可以对教室内所有传感器建立小型物联网,将所有数据实时共享,这样,各组的计算机都可以随时查看教室内所有传感器的实时数据,增加小组间交互学习的机会,提高DIS实验系统的使用效率。这里有两种途径建立物联网:第一种是使用真正的无线传感器构建基于ZigBee的无线传感器网络(wireless sensor network, WSN );第二种是在无线蓝牙传感器上粘贴RFID无源标签,通过超高频RFID读写器来确定传感器身份以此建立物联网。
5 待解决的问题
(1)成本较大。ZigBee标准中规定一个ZigBee无线网络一般包含3种设备: 协调器、路由器、终端节点,其中协调器的价格较高;而使用RFID标签,要求识别距离15米左右,需采用超高频RFID设备,价格较高。所以成本是制约物联网实验室发展的关键。
(2)师生培训。目前国内研究方向主要集中在如何使用DIS实验系统,而师生对DIS试验系统的认知情况却少有人问津。黄捷2011年对福建省1023名高中物理教师采样调查,对DIS数字实验系统比较熟悉的仅占12%。而新颖的物联网技术与设备的使用,更需要加强师生的技能培训。
6 结束语
物联网、WSN、传感器、RFID等高新技术、设备都是物理学发展和进步的成果,再将其应用到物理实验教学当中,带给物理这一“古老”学科的一缕现代气息,使得物理实验教学重现活力。有了先进的实验手段,学生们必定能够收获令我们意想不到的成功。
同时,我们也应注意,不能对DIS等先进实验手段和设施产生完全依赖心理,刻意将这些工具投入到所有物理实验中去,《普通高中物理课程标准(实验)》倡导利用日常器具做实验,日常器具不但具有简便、直观等优点,而且有利于学生动手,发展学生的实验技能,培养学生的创新意识。
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由于网络和通信技术的发展,嵌入式系统在经历了几十年的发展历程后,又进入了一个新的历史发展阶段,即从普遍低端应用进入到一个高、低端并行发展,并且不断提升低端应用技术水平的时代,其标志就是32位嵌入式系统的发展。
网络、通信、多媒体、信息家电时代的到来,以及未来物联网(The Internet of things)和泛在计算(Ubiquitous Computing)的发展,为32位嵌入式系统的高端应用提供了空前巨大的发展空间,形成了巨大发展市场。据Forrester预计,2016年全球物联网产值可达6200亿美元的规模。2020年市场上将有500亿个联网装置。
目前,我国嵌入式系统的发展十分迅速,其发展正从嵌入式系统走向嵌入式产业,巨大的市场需求不断加速嵌入式系统的产业化进程。
一、嵌入式系统概述
现代计算机技术分为两大分支:通用计算机系统和嵌入式计算机技术。
通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算,技术发展方向是总线速度的无限提升,存储容量的无限扩大。由国防科大研制的天河二号通用计算机系统,以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能,成为目前全球最快超级计算机。
超级通用计算机主要用来承担重大的科学研究、国防尖端技术和国民经济领域的大型计算课题及数据处理任务。如大范围天气预报、卫星照片整理、原子核物理的探索、制定国民经济的发展计划等。
而嵌入式计算机系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有特殊要求的专用计算机系统。
嵌入式计算机系统与通用计算机系统的本质区别在于系统应用不同。嵌入式系统是将一个计算机系统嵌入到对象系统中。这个对象可能是庞大的机器,也可能是小巧的手持设备,用户并不关心这个计算机系统的存在。嵌入式计算机系统的技术要求是对象的智能化控制能力,技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。
早期,人们勉为其难地将通用计算机系统进行改装,在大型设备实现嵌入式应用。然而,对于众多的对象系统(如家用电器、仪器仪表、工控单元……),无法嵌入通用计算机系统,况且嵌入式计算机系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同。这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。
二、嵌入式系统发展现状
目前,我国嵌入式系统市场处于快速增长时期,我国政府充分认识到它的重要作用,在政策、资金等方面给予大力支持。2004年国家发改委、科技部、商务部联合颁布的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》,把嵌入式产业作为国家发展的一个重要领域。
相关统计表明,2012年我国电子制造规模达5.45万亿元,位居世界第二;电视、程控交换机、笔记本电脑、显示器和智能手机等主要电子信息产品的产量居全球首位。
我国嵌入式系统的应用主要分布在电信、医疗、汽车、安全和消费类等行业。来自2010-2011年度的行业调查数据显示,目前嵌入式产品应用最多的三大领域是“消费电子、通信设备、工业控制”,所占比例分别是26% 、17%和13%,三大领域所占比例之和接近60%
1.信息家电
信息家电是融合了计算机技术、数字通信技术的消费电子产品,是3C (Computer,Communication and Consumer Electronic)融合的产物。
后PC时代,家用电器将向数字化和网络化发展,电视机、微波炉、数字电话等都将嵌入微处理器并通过家庭网关与Internet连接,构成家庭信息网络.届时,人们可以远程控制家里的电器设备,可以视频点播,实现交互式电视,还可以提供各种网上服务等。
信息家电是网络上的家电,而不是PC的外设。信息家电本身具有一定的智能,并支持某种统一的、标准的通信协议和控制协议,能够互相识别,而不必像计算机外设那样必须受PC控制。信息家电的出现将推动家庭网络市场的兴起,同时家庭网络市场的发展又反过来推动信息家电的普及和深入应用。
2005年6月,微软、索尼等17家国际企业推出的数字家庭标准,进一步为信息家电的发展扫清了技术屏障。不到一个月,以联想为首的5家中国企业也迅速结成“闪联”,希望能在信息家电市场大展身手。
信息家电的不断发展打开了嵌入式系统最大的一个市场,信息家电也为家用电器的更新换代创造了契机。据预测,进入21世纪,信息家电的市场份额将高达数万亿美元。面对如此巨大的市场,电脑和家电企业无不为之动心。世界著名的电脑和家电企业如IBM、夏普、微软、英特尔、康柏、苹果、松下、NEC、东芝等都大力开发研制自己的信息家电产品。我国的许多公司如海尔、联想、长虹、海信、TCL等也投入信息家电的开发工作。
目前信息家电在产品取向上有两种:一是在传统的家用电器之上应用信息技术,使之能够与网络连接。二是在传统的家用电器之外应用信息技术开发新的产品。而这些数字融合产品,都离不开嵌入式系统的支持,可以说,嵌入式系统是家庭信息网络、IT融合的重要技术基础。
2.移动计算设备
移动计算设备也是嵌入式系统的重要应用领域。移动计算设备包括PDA、手机、平板电脑、笔记本电脑等。
目前,PDA与传统手机实现融合,出现一个新的产品:智能手机。智能手机就是一台嵌入式系统。借助移动互联网的发展和全球制造成本的降低,这两年智能手机需求有了极大的提升。
2011年,智能手机出货量只占到全部手机的35%,2012年这一数字为46%。随着智能手机的价格逐渐降低,尤其是2012年,中国已经出现了多款性价比极高的智能手机,这直接刺激了大量用户放弃传统手机选择智能手机。
据市场数据跟踪公司IDC预测, 2013年全球智能手机出货量预计将占54%,这意味着智能手机出货量首次超过非智能手机。
同时,2013年全球平板电脑出货量也将超过台式个人电脑,2014年将超过笔记本电脑。IDC还推测,2013年平板电脑的出货量将比上年增加48.7%,达到1.9亿台,创下史上最高记录,而台式个人电脑将减少4.3%。
3.自动化与测控仪器仪表
我国的工业生产需要完成智能化、数字化改造,智能控制设备、智能仪表、自动控制等为嵌入式系统提供了巨大的市场。在金融业、电力系统和服务业,嵌入式也在发挥着越来越重要的作用。
测控仪器仪表遍及大中小企业,测控仪器仪表种类繁多,新型的测控仪器仪表无一不是嵌入式系统。水、电、煤气表的智能化、远程自动抄表。安全防火、防盗系统,其中嵌有的专用控制芯片代替传统的人工检查,并实现更高,更准确和更安全的性能。
在工控和仿真领域,几乎所有的计算机控制系统都采用嵌入式系统,象分布式控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)等大型复杂的控制系统,更离不开嵌入式系统的应用。目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式系统在应用中,如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。
三、嵌入式系统发展趋势
可以预见,随着信息产业发展的第三次发展浪潮的到来,嵌入式系统会获得更为巨大的发展契机。所谓信息产业发展的第三次发展浪潮是指无处不在的泛在计算和物联网。
物联网是新一代信息技术的重要组成部分。顾名思义,“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思:一是物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;二是其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通信。物联网就是“物物相连的互联网”。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用,被称为继通用计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。
目前,物联网已经成为我国国家发展战略,其受重视的程度不言而喻,2012年2月14日,中国的第一个物联网五年规划——《物联网“十二五”发展规划》由工信部颁布。同时,教育部工信部授权理工科高校开设物联网课程,为学生传授物联网相关知识。部分大学开始增设“物联网工程”专业并实现招生,为未来物联网的发展培养储备人才。
新的发展给嵌入式系统带来新的理念,2011年4月,Intel、微软、通用汽车、高通、飞思卡尔、ARM. TI和三星等公司在旧金山联合成立了“Smart技术世界”。Smart system(智能系统或智慧系统)的特点是:1、处理器不是我们以前用的最简单的8位处理器了,而是32位处理器或SOC等。2、内含高层次的嵌入式操作系统。3、有联网功能,彻底解决原先嵌入式系统的孤岛现象。
新的发展对嵌入式系统带来新的技术革命。第一,嵌人式设计要从面相对象到面相角色转变,物联网的计算是跟时间有关的。第二,需要软硬件协同设计技术。第三,需要嵌人式软件建模、自动分析和验证技术。
总之,由于我国对物联网发展的大力扶植和产业推动,必将会更快速地推动智能化电子应用领域的扩张,越来越多的嵌入式设备将会走进我们的生活,改变我们的生活,为我们展现更精彩的世界。
基金项目:邵阳市科技局2012年科研资助项目(J1215)
参考文献:
[1]周立功.ARM嵌入式系统基础教程 [M].北京:北京航空航天大学出版社.2005
[2]王莹.泛在计算时代的嵌入式系统 [J].电子产品世界,2013(2):1-2.
[3]江虹,吕杨.嵌入式系统的发展与挑战[J].云南大学学报,2007(29).
[4]张春毛,戴青云.嵌入式系统及其发展前景[J].石家庄职业技术学院学报,2006(4).
[5]王田苗.嵌入式系统设计与实例开发[M].北京:清华大学出版社.2003
作者简介:
关键词:防火墙;数据统计;流量监测;流量控制
中图分类号:TP393.08
目前采用的TCP/IP协议族潜在着安全漏洞以及安全机制不健全,INTERNET网上的黑客趁机而入,非法进入企业的内部网并存取、破坏、窃听数据。防火墙是保护网络安全最主要的手段之一,它通过监测、限制、修改跨越防火墙的数据流,尽可能地对外屏蔽网络内部的结构、信息和运行情况,以此来实现内部网络的安全保护[1][2]。
目前国内外有较多为企业设计流量防火墙等流量监控软件,技术相对成熟,但为个人设计的流量监控软件却大多数是只监不控。如360流量防火墙软件,Netlimiter,Negie等。360流量防火墙软件,简单易用,但流量管理都是临时的,每次开机后都得重新对一些程序进行限速,没法实时显示流量趋势;Netlimiter,会询问用户是否允许程序建立连接、并设置流量上限值,在windows xp2以上系统使用该软件会出现蓝屏现象。本文就是要为个人设计一个能够自动监控的流量防火墙软件,更好的为个人计算机信息安全提供有效保障而研究开发的软件系统,利用windows 7系统开发,开发环境为VC6.0,可在windows xp、windows 7、windows 8环境下运行。
本方案的设计是通过调用微软提供的NDIS驱动,编写程序实时捕获网络速率。软件需安装微软的WDK开发包,调用WDK开发的NDIS中间层函数,用C语言编写,并在VC6平台下进行开发。
本软件实现的功能有以下几点:(1)实时统计主机上网速率、上传、下载总流量等基本信息;(2)控制应用程序联网、控制网络及应用程序上传、下载速率;(3)进行流量检测并对检测到的流量进行分类;(4)找出占用网络带宽较大的应用程序,并计算出合适的流量上限值,给占用流量较多的应用程序设定推荐流量上限值。
系统功能模块如图1所示:
图1 QuickSurf流量防火墙系统功能模块图
1 软件系统整体框架
本项目可通过读取注册表的信息以获得当前应用程序列表,再通过调用NDIS的函数可以得到获得网络速率、应用程序速率等信息。具体程序实现用C语言,读取速率会比较快。先将网卡设置为混杂模式,收集主机和外网间的所有数据包信息。然后用现已公开的数据流分析、数据包分析、数据统计分析,来对应用程序的流量进行特征分析。定时检测,将异常流量上传到开源的服务器上进行分析对比,以节省昂贵的维护特征库的费用。调用NDIS提供的接口,手动控制应用程序联网级上传下载速率。
流量防火墙功能模型框架如图2所示:
图2 流量防火墙功能模型框架图
2 功能模块分析
2.1 数据统计
收集主机与外网通信的所有数据包,统计出网络速率、网络流量、打开连接数、应用程序流量等详细数据。数据统计模块图如图3所示:
图3 数据统计模块图
协议驱动程序负责维护一个接收缓冲区,该缓冲区以队列的形式组织。当NIC通知NDIS已从网络上就收到数据包时,作为已经在protocolChar结构中注册过的函数,NDIS将调用PacketReceiveIndicate作为接收处理函数将NIC从网络上接收到的数据缓存起来。
流量统计系统将采用三层软件结构来实现,包括NetF10w数据导出,数据采集和数据分析等部分。其中:
数据导出:支持NetRow功能的网络设备,如果其物理接口激活了NetRow功能,并配置了NetRow数据导出的目的IP地址和端口后,该网络设备接口将定期地将NetFlow流数据通过UDP协议传输到NetF10w数据采集服务器;
数据采集:数据采集服务器接受到NetF10w数据后,需要对原始的数据进行处理,如过滤聚合等,并将处理后的数据压缩存储到物理文件上;此外,有另外的进程不断地从存储的物理文件上抽取NetFlow数据,存储到关系型数据库中;
数据分析:通过分析存储在数据库中的流数据,数据分析模块可以统计各种流量信息,包括某设备一个接口的流量信息。一组IP地址的流入流出流量等,提供各种报表功能[3]。
2.2 流量控制:对指定应用程序进行联网允许设置、网络上行下行流量、应用程序上行下行流量进行设置。流量控制模块图如图4所示。
图4 流量控制模块图
关键技术为DPI和DFI技术。DPI的技术关键是高效的识别出网络上的各种应用,通过对应用流中的数据报文内容进行探测,从而确定数据报文的真正应用。DFI采用的是一种基于流量行为的应用识别技术,基于这一系列流量的行为特征,建立流量特征模型,通过分析会话连接流的包长、连接速率、传输字节量、包与包之间的间隔等信息来与流量模型对比,从而实现鉴别应用类型[4]。
2.3 流量检测:当应用程序占用了可用网络带宽的70%,并且上网速率较低时弹出提示框,提醒用户查看联网的应用程序,提示可禁用一些应用程序的联网和设置较大流量占用的程序上网速率。流量检测模块图如图5所示。
图5 流量检测模块图
对于来自Internet上的数据包,第一步是对其进行过滤和捕捉,第二步,先设计一个优先级:基于端口识别和基于特征值识别均处于第一优先级,而DFI技术识别放在第二优先级。这些数据包先进行基于端口识别和基于特征值识别,只要通过时两种方法有一种能识别出P2P流量即可;最后对识别出的P2P流量准备下一步的控制策略,对那些非P2P流量则允许通过[5][6]。
在基于P2P的分布式蠕虫检测系统中,各节点采用旁路侦听的方式监控各自对应的边界网络,需要对出入该网络的所有网络报文进行报文还原,即进行IP分片重组和TCP数据流还原,才能进一步进行蠕虫的检测和分析。基于协议分析的特征匹配检测技术的系统工作流程,首先通过截获网络数据包,送往协议命令解析模块,然后通过具体协议字段判断各层协议,同时解析数据包的数据部分,再根据系统的规则库进行特征匹配,判断该数据包是否有入侵企图,最后由响应系统对该数据做出相应的响应[7][8]。
3 结束语
QuickSurf流量防火墙(windows端)软件实现了实时统计主机上网速率、上传、下载总流量等基本信息;控制应用程序联网、控制网络及应用程序上传、下载速率;进行流量检测并对检测到的流量进行分类;找出占用网络带宽较大的应用程序,并计算出合适的流量上限值,给占用流量较多的应用程序设定推荐流量上限值的基本功能。实现了我们所预期的效果。
参考文献:
[1]谢恩宝.防火墙与入侵检测系统联动研究.信息通信.2013(08).1673-1131(2013)08-0122-01
[2]肖政宏,尹浩.基于网络流量统计分析的入侵检测研究.微电子学与计算机.2003(05).1000- 7180( 2006) 05- 003
[3]车葵,邢书涛,李玲玲.网络性能监控与流量统计系统的设计与实现.网络安全技术与应用.2009(09)
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[5]王逸欣,王锐,樊爱华,唐川.P2P流量检测技术初探.计算机与数学工程.2006(06)
[6]郦昊,吴安清.P2P流量检测技术.湖北农机化.2009(05)
[7]陈博,方滨兴,云晓春.分布式蠕虫检测和遏制方法的研究.通信学报.2007(02)
[8]钱旭,顾巍,陈凌晖,丁晓峰.网络蠕虫检测系统的设计和实现.现代图书情报技术.2007(01)
作者简介:赵禹哲(1993-),女,吉林松原人,学生,本科,研究方向:网络安全;李艳平(1972-),女,内蒙古满洲里市人,讲师,硕士,主要研究方向:云计算、物联网、网络安全;陈昕(1965-),男,安徽人,教授,博士,主要研究方向:计算机网络及其性能评价、网络安全、航电网络;李挺婷(1992.11.05-),女,广东梅州人,学生,本科,研究方向:计算机网络;黄浩(1994-),男,广东郁南人,学生,本科;田青青(1992-),女,河北邯郸人,学生,本科,研究方向:网络安全。