智能存储（精选九篇）
智能存储 篇1
有近300家合作伙伴和高级管理人员出席了2016财年亚太地区合作伙伴峰会。昆腾公司凭借超过35年的丰富经验, 一直致力于提供在整个数据生命周期内获取、共享和保护数字资产的智能化解决方案。在峰会上, 昆腾根据客户需求推出提供全方位的智能存储解决方案, 为客户提供更高的存储性能、低成本容量和更便捷的访问。
昆腾通过提供技术和营销方面的支持, 帮助技术合作伙伴在广播与后期制作、视频监控、网络安全、数据保护和归档等关键战略市场为用户提供领先的解决方案和产品。截至目前, 昆腾与世界各地12000家经销商保持着紧密地联系, 其中中国区的合作伙伴约200多家。昆腾在此次峰会上颁发了各项2016中国最佳合作伙伴奖。其中宝利信通科技有限公司凭借其引入昆腾领先的存储技术, 积极为用户提供专业的技术支持与整体解决方案获得2016昆腾合作伙伴年度大奖。宝利信通副总裁吴克表示:“我们很高兴与昆腾合作, 他为我们客户提供了行业领先的工作流存储和专业的技术支持, 以应对最棘手的数据管理难题。我们期待未来能与昆腾继续保持密切的合作。”
获得殊荣的合作伙伴还包括长虹佳华信息产品有限责任公司、赞华 (中国) 电子系统有限公司、齐齐哈尔市微尘物联科技有限公司、北京强氧科技发展有限公司、迈锡云天 (北京) 科技有限公司和广州市优普计算机有限公司。昆腾通过不断创新来迎合市场需求, 以专业的技术为客户订制专属的解决方案。通过近十年的强强联合, 合作伙伴更加信赖昆腾的专业解决方案。
优化要求苛刻的工作流
昆腾Xcellis高性能工作流存储系统可以优化要求苛刻的工作流程, 更具洞察力。对于视频制作、情报、监控和高性能技术应用 (例如基因学、医疗影像、石油天然气勘探) 等数据密集型行业的客户, 实现业务和任务目标取决于从数字资产中获取价值的能力。然而, 一个重大挑战是如何存储和管理这些数据, 以高性价比的方式满足端到端工作流程中的性能和访问需求。虽然横向扩展NAS产品让企业能够充分利用自己的IP基础架构, 但一直无法满足越来越庞大的数据文件和更高的内容分辨率, 以及对性能和可扩展性更高的要求。昆腾Xcellis克服了这些限制并提供综合的解决方案, 在一个系统中自动化和简化数据管理、提供独特的融合架构组合、持续的可扩展性和统一的访问。
推动未来媒体工作流
随着新格式、更高的分辨率、多格式交付以及不断变化的消费模式为内容创作者和所有者带来挑战与机会, 存储对于未来的成功越发关键。昆腾专业的视频存储能够为后期制作和广播专业人士提供快捷、简便且全面的高性能共享存储, 以满足当前复杂的协作式工作流需求。无论是构建4K后期制作工作室、升级现有Xsan部署, 还是建立新的广播设施, 基于Xcellis?工作流存储的Stor Next Pro专业视频存储均可提供完美的平台, 为苛刻的媒体制作提供支持。
降低视频监控复杂性
智能存储 篇2
5月初，美光斥资12亿美元收购恒忆，完成收购后美光成为同时拥有DRAM、NAND以及NOR技术的记忆体晶片大厂。对于这么大的收购举动，有传言，是英特尔在后面起到的推动作用，因为三星的快速崛起，不想一家独大的局面在存储市场出现。当然，也有传言，美光收购恒忆的动机是为了满足诺基亚(Nokia)等客户的一站式购足需求。无论如何，着眼技术创新方面，记者本人认为这种收购的出现，是能够起到推进作用的。在收购后不久，我们有幸在第十五届IIC CHINA上邀请了，美光亚洲区嵌入式业务部的刘群先生，就相变存储技术
未来发展的状况，做精彩的演讲。
随着世界各国尤其是中美两国在智能电网上的实质性启动，智能电表市场也在起步腾飞。智能电表担负着存储客户使用信息和网络信息的作用，同时在不远的将来更多的功能也将被加入进来，如绿色能源的双向接入，终端的用户也可以把自家屋顶太阳能产生的电力传输到电网上。由于上述需求的推动，对智能电表的存储系统就提出了更高容量，成本降低控
制和可靠性提高的要求。
相变存储器即是英文Phase Change Memory--PCM 的缩写。就是一种利用六族与第四、五族的化合物作为存储材料的存储器。该种化合物是一种相态可逆变的物质。可以在有序结构(晶态-低阻)和无序结构(非晶态-高阻)之间变化。
通过图片可以看出，电流电压曲线图是从一个PCM的存储单元获得。读取操作是工作在电压500毫伏且电流小于100微安以下的区间内，所以没有对GSt产生加热的效应。晶态和非晶态的存储状态也就没有变化。当电压大于500毫伏且电流大于500微安时，电阻加热器就会融化GST材料。此时晶态和非晶体的状态就会发生变化。
基于相变技术的存储器具有三个特性，包括位修改(直接写入)，高写入次数，工艺和成本的可延续性。下面图片是对现在流行的存储器之间的比较。
对产品带来这么多特性的PCM相变存储器，那么具体的应用又如何?刘群先生表示，现在目前智能能电表的存储系统采用NVRAM，EEPROM等方案，但是这些解决方案都存在有成本高、容量小、设计复杂等缺点，而运用PCM相变存储器设计的智能电表可以很好地规避这些缺点。由于PCM具有位改写，成本和工艺的可持续性，高擦写次数，从而可以很好的整合原有的存储系统。只使用一颗PCM相变存储器就可以整合NOR flash, EEPROM, NVRAM, 从而提供更低的成本，更加环保，更加可靠，以及更大的容量。
针对采用相变存储器的智能电表设计，刘群也谈到，作为存储器的重要生产厂商，为满足客户的需求，美光也推出了两款代号为“omneo”的相变存储器。分别是：P8P –高速并行接口，128Mb 容量，100万次的写入次数。P5Q-高速SPI 接口，支持1、2，4位输入输出，也是128Mb 容量, 高达66Mhz。100万次的写入次数。Omneo 给嵌入式提供了一种更快写入速度，更高的写入次数的存储器。从而拓展了客户对存储系统的设计。并且在本次西安站IIC CHINA展览会现场，观众可以参观样品展示。
智能存储 篇3
移动互联网时代的来临，越来越多的人开始习惯使用智能手机、平板电脑等设备通过网络观看视频或转发微博。智能终端的普及，虽然让用户的视野更广阔，娱乐更加丰富多彩，但巨大的信息量，也让电子产品的存储空间逐渐不够用。
尽管各大厂商在存储技术上不断突飞猛进，但存储空间加大的同时产品价格也在成倍提升。有没有一种方法既可以让用户拥有足够的存储空间，又不花过多的钱更换产品呢？日前落幕的台北电脑展给出了答案——无线存储设备。据了解，用户只要通过一部具备无线WiFi功能的智能手机或是平板，就可以访问、上传、编辑、远程播放无线存储产品上的文档、图片、音乐、电影等文件。
解决了智能移动终端空间问题的无线存储设备，一下成为业界的香饽饽，引得无数科技企业纷纷推出与之相关的产品。在这个蓝海市场上，谁会成为行业大战中的胜利者？
无线存储走红
哪里有抱怨，哪里便有商机。马云赴香港出席青年创业论坛时，曾这样总结他的创业心得：“这个世界机会太多了，你就看看每天互联网上抱怨的事情那么多，这些都是机会。你加入抱怨永远没有机会。你要将别人的抱怨、投诉、仇恨、不靠谱的地方变成你的机会。”
无线存储的走红，就是企业从用户的抱怨中产生的灵感。随着移动智能终端的普及，它已成为生活、工作中不可分割的一部分。但数据的传送和存储变得令人纠结，一根数据线只能连接一台设备……最后的结局是，背包中总是塞满各种各样长长短短纠缠在一起的数据线和其他附件设备。
爱国者副总裁郭宏志告诉《IT时代周刊》：无线存储的前景非常好。它既是对有线移动硬盘的一次技术升级，把有线的移动存储变成无线，让用户使用更方便，又可以帮助平板、智能手机解决内存空间不足的问题。
在移动智能终端未普及之前，数据来源无非数码相机拍照、摄像机摄像，以及从互联网下载内容，在笔记本上创建和产生。而现在手机和PAD成为数据的来源。大家经常用的手机拍照、手机摄像，内容是通过手机和PAD产生的。
但问题由此产生。因为PAD和手机的容量都是有限的，需要将内容转移。另外，越来越多搭载Win8系统的超极本和PAD，因为体积更轻薄，同时要求整机功耗更低，大都采用了SSD固态硬盘作为存储介质。但SSD固态硬盘价格昂贵，大多内置容量为64GB、128G，有的电脑甚至为32GB。这样的存储容量显然无法满足用户的需求，所以一定需要外接扩容的设备。
在这样的情况下，无线存储呼之欲出。在郭宏志看来：“无线存储设备是最好的智能终端时代最好的存储产品，它可以很好地支持手机、PAD、超极本。它为用户解决面临的实际问题，带来更好的使用体验。”
据了解，无线存储的最大特点是能基于WiFi热点来实现传输、分享甚至编辑文件，让我们在移动互联网时代轻松实现移动存储。它不但可以实现U盘、移动硬盘的扩展分享，操作方便而且简单，更重要的是还能实现无线路由器桥接，有效解决平板电脑、智能手机内置存储容量不足等问题。
无线存储设备的便捷，让电商网站也为之疯狂。据了解，京东商城为了满足用户的购买欲望，曾特意针对苹果、安卓手机、平板等智能终端推出了无线存储产品，举行过一次无线存储设备的促销活动，结果大受欢迎。
争夺战打响
无线存储被市场接受，意味着一场新的战争开始。
《IT时代周刊》在采访中发现，无线存储设备的走红，已吸引来希捷、西部数码等传统存储巨头的注意，同时国内老牌存储企业爱国者以及Echoii、酷络（KULUO）等市场新贵也纷纷进入其中，迫不及待地想在这个新的蓝海市场上获得一份蛋糕。
事实上，为了在无线存储设备大卖前抢占时间优势，无数企业纷纷涌入这一市场。“一次技术创新引发了一场科技革命，一场科技革命推动了一个时代发展。我们不是苹果，但我们的存在会让苹果产品更加耀眼。”日前，投身于无线产品市场的Echoii公司在发布自己的迷你无线存储器时，曾如此为自己的产品打气。
今年4月，西迈科技（香港）旗下专注于无线移动分享设备的酷络（KULUO）亦宣布投入千万元，联合韩国三星、苹果手机软件开发方，攻克软件应用、硬件配置等难题，全力研发新型无线存储产品。
与这些市场新贵相比，老牌硬盘及存储解决方案提供商希捷早在2011年年底，便推出了一款移动无线存储产品。据悉，这款产品能帮助用户从Windows PC或Mac OS X电脑轻松获取内容。
而爱国者切入这一市场只比希捷稍晚，于2012年9月推出无线存储产品，其中最让市场感兴趣的是融合了无线存储功能、无线路由器功能、充电宝的功能和自建WiFi热点，能形成内部局域网功能的无线存储设备PB716和PB72。
郭宏志告诉《IT时代周刊》，移动互联网时代，手机和PAD使用的频率和时间越来越高，成为主要的互联网终端。现在，手机和PAD屏幕尺寸更大，处理器性能更高，存储、电量等方面都是急需解决的问题。
但更主要的是，无线存储是未来的发展趋势之一。与个人云存储相比，无线存储依旧有自己的优势。目前，国外有微软SkyDrive、苹果iCloud、亚马逊CloudDrive等网盘产品，国内有百度云、新浪微盘、华为网盘、金山快盘、115网盘和360云盘等。
虽然云存储被叫嚷了很久，开始从传统存储供应商手中不断攻城略地，但似乎也只是一直处于“预热”的状态。市场研究机构Gartner预测，到2016年将有36%的数字内容存储至云端，2015年个人云服务将被广泛使用，但在2014年将云服务用做主要存储手段的消费者不足10%。
个人云存储止步的原因，在于它本身面临着巨大的挑战，短期内难以成为消费市场上的主流。目前，网络黑客攻击日益增多，云服务成为主要目标。糟糕的是很多开发者并不采用正确的加密协议，导致在短期内个人云服务面临的安全风险并不会消失。
市场已经成熟，竞争还会远吗？相信对处于产业链条上的存储企业来说，这一个新兴的市场无论是谁都不会放弃。
浅议智能网络存储技术 篇4
一、网络存储的应用
网络存储的应用可以说从网络信息技术诞生的那天就已经开始, 应用的领域随着信息技术的发展而不断增加, 总体上来讲可以分为以下几大类:
1:ISP的全称是Internet Service Provider, 即互联网服务提供商目前国内主要的ISP商家有中国电信, 中国网通, 中国联通, 中国铁通, 中国教育与科研网, 长城宽带。
2:ICP是Internet Content Provider的缩写, 意为“Internet内容提供商”, 即提供Internet信息搜索、整理加工等服务。如新浪、搜狐等。
3:ASP是Application Service Provider的缩写, 意为“网络应用服务商”, 主要为企、事业单位进行信息化建设、开展电子商务提供各种基于Internet的应用服务。
4:NSP是Network Storage Provider的缩写, 意为“网络存储服务商”, 主要为企业, 个人提供网络存储、传输、处理等服务的商家, 如DBank数据银行、IDC企业。
二、网络储存技术的分类
1、直接依附存储系统 (DAS) , 又称为以服务器为中心的存储体系。
其特征是:存储设备为通用服务器的一部分, 该服务器同时提供应用程序的运行, 即数据访问与操作系统、文件系统和服务程序紧密相关。当用户数量增加或服务器正在提供服务时, 其响应速度会变慢。在网络带宽足够的情况下, 服务器本身成为数据输入输出的瓶颈。
2、网络依附存储系统 (NAS) , NAS的结构是以网络为中心的。
这种存储系统中, 与DAS不同的是:应用和数据存储部分不在同一服务器上, 即有专用的应用服务器和专用的数据服务器。其中专用数据服务器不再承担应用服务, 称之为"瘦服务器" (Thin Server) 。数据服务器通过局域网的接口与应用服务器连接, 应用服务器将数据服务器视做网络文件系统, 通过标准LAN进行访问。由于采用局域网上的通用数据传输协议, 如NFS、CIFS等, 所以NAS能够在异构的服务器之间共享数据, 如Windows NT和UNIX混合系统。该服务器一般可以支持多个I/O节点和网络接口, 每个I/O节点都有自己的存储设备。
3、存储区域网络 (S A N) , 它是一种以光纤通道 (F i b e Channel, FC) 实现服务器和存储设备之间通讯的网络结构。
SAN的核心是FC, 其中的服务器和存储系统各自独立, 地位平等, 通过高带宽 (传输速率为800Mb/s, 双全工时可达1.6Gb/s) FC集线器或FC交换机相连, 可避免大流量数据传输时发生阻塞和冲突。各应用工作站通过局域网访问服务器, 在各存储设备之间交换数据时可以不通过服务器, 这样就大大减轻了服务器承受的压力。
三、SAN的介绍和它的发展前景
1、SAN的实现方式:
通过光纤通道连接到一群计算机上。在该网络中提供了多主机连接, 但并非通过标准的网络拓扑。SAN专注于企业级存储的特有问题, 主要用于存储量大的工作环境。大多数分析都认为SAN是未来企业级的存储方案, 这是因为SAN便于集成, 能改善数据可用性及网络性能, 而且还可以减轻存储管理作业。
2、NAS与SAN的比较
A:共同点:它们都提供集中化的数据存储和整合优化, 都能有效的存取文件, 都允许在众多的主机间共享并支持多种操作系统, 都允许从应用服务器上分离存储。而且, 它们都提供数据的高可用性, 都能通过冗余部件和RAID保证数据的完整性。
B:不同点:首先, 实施和维护的难易程度不同;其次, 二者的设备管理难易成度不同.
总之:NAS和SAN各有其长短之处, 在实际应用中也各有不同之处。对于经济实力不足, 有传统以太网络, 且急需扩充存储空间的用户, NAS无疑是一种便宜、快速的方案。而对于拥有强大经济后盾, 对网络性能要求较高及未来发展势头强劲的用户, 则应该选择SAN。
3、SAN的现状及其发展趋势
现状:由于自身所具有的高速、集中化存储管理及几近无限的扩充能力这些特点, 特别适合对海量数据的视音频数据进行存储、传输和实时处理, 所以采用FC技术的SAN目前在很多电视台得到了推广, 甚至已成电视台运做的核心。在视频处理领域里, SAN就像数字视频网络中的大本营, 不但承担着视频数据的存贮、迁移、交换、共享, 而且掌管着网络设备的登记、删除、查询、维护。可以这么理解, SAN是电视台视频网络的主干, 在SAN网上可以挂接诸如新闻生产系统、非线性编辑系统、广告非线性插播系统、数字化节目库系统等。SAN在日益广泛的应用中也暴露了一些缺点和不足。SAN网络仍然采用传统网络结构进行存储操作, 网络结构主要由交换机与集线器构成, 将这些传统规范的硬件应用于新的存储结构中, 并应用传统的网络管理技术进行存储管理, 最终导致了系统的匹配问题。SAN系统出现之初, 的确为我们解决了企业数据存储与共享的问题。当存储数据达到TB级, 高带宽网络站点 (视频工作站) 很多时就会出现很多问题, 导致系统性能严重下降。而第二代SAN---SDD (SAN Data Director) 的出现, 弥补了这些不足。
发展趋势:SAN是目前人们公认的最具有发展潜力的存储技术方案, 而未来SAN的发展趋势将是开放、智能与集成。NAS是目前增长最快的一种存储技术, 然而就二者的发展趋势而言, 在应用层面上SAN和NAS将实现充分的融合。也可以说, NAS和SAN技术已经成为当今数据容灾备份的主流技术, 关键在于如何在此基础上开发完善全方位、多层次的数据容灾备份系统, 在分布式网络环境下, 通过专业的数据存储管理软件, 结合相应的硬件和存储设备, 来对全网络的数据备份进行集中管理, 从而实现自动化的备份、文件归档、数据分级存储以及灾难恢复等功能。
参考文献
[1]邵波等, 计算机网络安全技术与应用, 电子工业出版社, 2005.11
智能存储 篇5
(一) 政务云数据中心构架特征。政务云数据中心通过对收集的数据信息进行甄别, 将有效的数据集中存储并根据用户的访问需要提供有针对性的服务, 使用户可以在服务平台实时地获取安全的数据, 政务云数据中心的用途决定其必须具有全面的数据库和方便访问操作的信息交换平台, 现阶段其主要包括服务层、支撑层、信息共享交换层、基础设施层、业务数据库层五个大结构, 而业务数据库又根据储存信息的不同分为人口信息数据库、经济法人信息数据库、宏观经济数据库和地理信息数据库, 从数据库的类别上看, 政务云中并不包括企业微观的经济数据, 所以相关方面的访问操作并不能够满足。
(二) 数据特征模型。数据特征模型又称DOTM, 是对数据对象的抽象化表示, 通常受到其中不同参数的变化影响, 在数据对象的来源点被自动生成, 生成后可按照自身参数的变化范围选择合适的计算机物理存储设备, 使之具有一定水平的性能比, 而且通过有效的智能存取算法可以使访问操作过程中所涉及到的流量被大幅度的降低, 从而有效的减缓操作对于存储和网络构成的压力, 使操作流程更加的连贯, 大大提升了访问操作的实际效率和作用[1]。
(三) 云数据共享交换平台体系架构。云数据共享交换平台主要由存储服务层、存储逻辑层、存储智能层、存储物理层四个部分组成, 存储服务层能够在集中管理与用户操作之间建立单独的一组管理通道, 使其操作有一种固定的流程, 用户可以根据提示自行完成操作, 其整个操作流程并不涉及到共享交换平台, 这样不会给平台带来数据分流的压力, 用户的体验与平台没有发生直接的关系。存储逻辑层是建立在现代存储平台的基础上而组建的应用层, 它对信息数据处理手段进行了一定程度的融合, 各种信息处理手段都可以在此层面找到痕迹。存储智能层的主要作用就是实现对数据的甄别, 由于在存储设备与云计算程序之间会储备大量的数据, 如果这些数据都进行存储, 将会给系统带来巨大的压力, 而且无法保证访问的正常进行。存储物理层是将物理存储介质与网络有机结合的层面, 以实现存储的最大化为目的, 通过对甄别后的有效数据进行垂直和水平分布后, 满足用户的实时读取, 将磁盘或其他存储设备的存储能力扩大化。
二、存储智能层数据过滤技术
(一) 智能扫描技术。智能扫描技术就是在进行云计算之前对所输入的数据进行智能化的甄别, 以减少计算的对象, 并缓解存储的压力, 用户对计算机输入的指令并不都是真实的, 特别是在传输的过程中会出现大量的无效数据, 如果对无效数据不进行控制, 不仅存储量增大, 而且传输也会受到影响, 所以进行智能扫描是实现云处理的必要条件, 现阶段进行智能扫描主要是通过最简关联过滤、列映射、谓词过滤的计算办法。最简关联过滤的算法主要适用于全部的结构化、部分的半结构化和非结构化数据方面, 通过对连贯的数据或并不连贯但呈块状结构分布的数据进行计算, 所以它自身具有运算速度快的特点, 但是由于他只是对关联关系进行过滤, 所以过滤的准确性并不是很高。
(二) 存储索引技术。存储索引技术就是根据存储数据的属性将其进行一定范围的归类, 并设定进行索引的指令, 通常此项技术是以列的形式将相关数据进行存储, 并根据存储的数据设定一定的数字范围及物力位, 数据可以根据自身的数字范围确定自己的存储物力位, 用户下达指令后, 系统也可以根据其数字范围迅速准确的确定其物力位, 然后再进行快速读取, 存储索引技术是实现海量数据快速查找的有效技术[2]。
(三) 智能压缩技术。智能压缩技术是在储存索引技术上的延伸, 由于存储通常情况下以行的方式计算, 而以列的方式存储量会更大, 所以此技术将行、列进行混合, 打乱了原有的数据存储模式, 实现海量存储, 再通过对数据块的排列和分组实现快速查找数据, 将跨过多个block的数据实现存储与管理双向同时进行, 但是智能压缩技术下的数据在进行使用的过程中要进行解压操作, 不然其数据不能够被读取。
结论
在计算机应用日渐普及, 网络覆盖持续扩大的信息环境中, 存储的信息数据量巨大, 如何对数据进行有效的甄别, 减小社会服务难度成为信息技术发展过程中急需解决的问题, 政务云中心数据存储架构与智能存取技术的出现有利的缓解了现阶段面临的实际困难, 使集中处理, 有效管理, 方便访问有了可能。
参考文献
[1]韩晶.大数据服务若干关键技术研究[D].北京:北京邮电大学, 2013.
智能存储 篇6
信息化贯穿在智能电网的所有环节,各种信息化系统(如SG186、SG-ERP)及各种自动化系统(用电信息采集、配电自动化、输变电设备状态监测等)都对海量数据的计算和存储等资源提出了巨大的需求[1]。云计算与云存储能够解决智能电网对海量数据的存储的难题,最大限度地整合系统的存储能力,减少电网的重复投资,大幅提高当前系统的整体性能,对智能电网的发展起到巨大的推动作用[2]。
智能电网是信息通信与电力系统充分融合的能源网络,信息交互贯穿于智能电网的各个环节,特别是在电力市场化的趋势下,电网与运营商、服务商供应商、用户等利益相关方的联系更为密切,信息安全问题更为突出[3]。智能电网中信息系统的安全属性一般包括:保密性,除信息内容的保密外,还包括信息状态的保密;完整性,是指示经授权不能进行更改或破坏的特性,包括数据完整性与系统完整性;可用性,是信息可被授权实体访问并按需求使用的特性。其中最重要的是数据的保密性和完整性[4,5]。
数据的安全存储,最常用的方法就是将数据加密保存,通过密码技术来实现存储安全。例如,文献[6]中对文件格式进行了改进,将密钥信息或完整性保护信息保存在文件头中。文献[7]则是将所有的密钥信息和文件名保存到一个单独的文件中。当需要使用这些信息时,就根据文件名从文件中查询相应的信息。云存储时,根据云安全联盟安全模型,主要通过采取大量的密码技术和加固技术来向用户提供可信任的安全云。例如,文献[8]中采用对称和非对称加密技术,对称加密用于加密数据文件,非对称加密技术用于对对称加密采用的密钥进行加密。
智能电网的环境中,特别是SCADA中,数据采集和存储的频率很高,数据量大。文献[5-6]中密钥管理需要有文件操作,效率很低,难以满足智能电网云存储下的要求。而文献[8]中,私钥由随机数组成,不方便使用且对数据的完整性无能为力。本文利用HBase高性能优势和密码技术,将密钥与密文的管理分离,设计了一种基于Hadoop的智能电网数据安全存储的方案。该方案具有密钥管理灵活方便,效率高等优势,能够有效保护云存储中数据的保密性的完整性。
1 相关技术
1.1 云计算与云存储
云计算是一个以数据计算和处理为核心的系统,它将分布在众多计算机中的大量数据资源和处理器资源整合在一起协同工作。云存储是在云计算概念上延伸和发展出来的,是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能,将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作,共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统[9]。
1.2 开源Hadoop平台与HBase数据库
Hadoop是一个分布式系统基础架构,是基于云计算技术的开源平台。用户可以在不了解分布式底层细节的情况下,开发分布式程序,充分利用集群的威力高速运算和存储。Hadoop包含两个部分:一个分布式文件系统HDFS(Hadoop Distributed File System)和一个Map Reduce实现。
HBase是一个Hadoop上的高可靠性、高性能、面向列、可伸缩的分布存储系统,利用HBase技术可在廉价PC Server上搭建起大规模结构化存储集群。HBase是一个稀疏的,排序的,长期存储在硬盘上的,多维度的映射表。这张表的索引是行关键字,列关键字和时间戳,每个值是一个的字符数组。数据都是字符串且每一行都有一个可排序的主键和任意多的列。
数据行有三种基本类型的定义:行关键字(Row Key)、时间戳(Time Stamp)和列(Column)。行关键字是数据行在表中的唯一标示,时间戳是每次数据操作对应关联的时间戳。列定义为:
2 基于Hadoop的智能电网数据安全存储设计
2.1 存储方案设计
由于云安全的核心是密码技术和加固技术,因此可以使用密码技术来保护云存储中智能电网数据的保密性和完整性。目前可以采取的加密算法主要分为两种:对称加密算法和非对称加密算法。对称加密算法加密速度快,但是其不足之处在于加/解密使用相同的密钥,安全性无法保证并且密钥也难于管理;而非对称密钥体系虽然不需要进行密钥的协商,但是需要一套公钥管理方案,此外非对称加密算法加密速度慢且效率低,只适用于对少量数据进行加密。智能电网中的数据源较多,数据量大,时间效率要求高,要求加密速度快和效率高的加密算法。因此对称加密算法适合于对数据的加密。而非对称加密算法适合于对元数据或对密钥进行加密。为此,我们设计了图1所示的方案。摘要信息是对数据进行消息签名得到的数据;密文是对数据进行加密后得到的数据;密钥信息是对数据加密时所使用的密钥进行信息隐藏后得到的数据。
云中存储的数据是加密的,如果没有相应的密钥信息,没有人能看到其中的信息。对于完整性,对要存储的数据预先生成一个消息摘要,这样当读取数据的时候,就能够验证云中数据的完整性。此外,为了方便对密钥信息的操作,方案将密文和密钥的信息的存储解耦,使得对密钥信息的任何操作都不会对密文造成影响。存储数据时具体的步骤如下:
第一步,生成摘要。首先用消息摘要算法对要存储的数据生成一个数字摘要。
第二步,加密数据。利用密钥生成函数生成随机密钥,并用这个密钥对所要存储的数据进行加密,得到相应的密文。
第三步,随机密钥隐藏。对第一步中得到的随机密钥进行信息隐藏。
第四步,存储密文。将密文存储到云(HDFS)中。
第五步,保存相关信息。在密文成功存储到云以后,将第一,三步得到的密钥信息与数字摘要信息,并同文件名存储到HBase中。
(1)随机密钥信息的隐藏方案设计
为了解决对称加密算法的密钥管理问题,需要对随机密钥进行信息隐藏。加密是一种十分有效的信息隐藏方案。因此,为了对随机密钥进行信息隐藏,我们设计了以下的密钥隐藏方案,如图2所示。
在方案中,利用数据源的各种属性及一个填充数生成摘要信息,再通过Hash函数生成所需要的密钥。属性中可以包含用户密码信息,这样当用户修改了密码信息后,随机密钥信息随之改变,却不需要对所有的密文重新加密,提高了效率,降低了复杂性。此外,对于用户和系统来说,只有密码信息需要管理,简化了密钥的管理。
使用随机填充数主要防止字典攻击和预先计算攻击。为了增强保密性,数据源属性的组合信息,消息摘要算法及具体的Hash函数应该是保密的。以变电站为例,变电站的属性以IEC61970中Substation类的属性为标准,设计了图3的密钥生成方案。
(2)HBase中Meta Table表的设计
为了将密钥信息和摘要信息存入HBase中,我们设计了表Meta Table的结构。如表1所示。
Meta Table主要有三列,分别是行关键字Row Key用于存储文件名,时间戳Timestamp及列族Metadata,Metadata包含hidden Key和message Diggest两个标签分别保存密钥信息和摘要信息。此外,对于不需要加密的数据来说,采用hidden Key为全0来加以区别,而message Diggest则正常使用检查数据的完整性。
方案中采用Hbase的主要原因是智能电网中特别是SCADA系统其数据采集和存储的频率很高,普通的关系数据库承受不了那样的压力。此外关系数据库随数据量剧增,其查询的效率会越来越低,而HBase却不会,它是一个高可靠性、高性能、可伸缩的分布存储系统,在数据很大的情况下,仍然能够保持很高的性能。
2.2 数据读取方案设计
当读取数据时,主要有两部分工作获取保密的信息和完整性检查。具体的方案设计如图4所示。
首先从HBase和HDFS中获取相应的数据,然后根据密钥信息确定HDFS中数据是否为密文并根据实际情况进行相应处理,最后检查数据的完整性,以确定数据的完整性。具体的步骤如下:
第一步,数据读取。从HDFS中读取密文;从HBase中读取相关数据。
第二步,判断数据类型。根据密钥信息,确定从HDFS中的数据是否需要解密。如果密钥信息是0,则说明读取的数据是明文,不需要解密直接跳第四步。若不为0,则说明需要解密密文数据。
第三步,获取随机密钥。利用数据源属性(密码信息)获取密钥,并对密钥信息进行信息恢复得到随机密钥。
第四步,解密数据。用第三步得到密钥,对密文进行解密。
第五步,检查完整性。生成密文的数字摘要信息,并与第一步中摘要信息相比较,确定数据的完整性。如果不一样,则说明云中的数据被篡改了,若一样,则说明数据正常。
2.3 方案设计分析
方案中对于数据的完整性和保密性,都是通过密码学的方法来实现的,如果选取了恰当的加密算法和消息摘要算法,能充分保证云存储中智能电网数据的完整性和保密性。此外,该方案还具有以下优点:
(1)安全性高。对于每个加密文件来说,每一次的加密所用的密钥都是不同的,因此可以说其基本上达到了一次一密的效果,安全性很高。即使任何一个密文被破解,其他的文件仍然很安全;
(2)密钥管理方便。对于用户来说,可以只有一个普通的密码而已甚至没有密码,方便使用;
(3)用户更改密码方便。当用户出于安全方面考虑需要更改密码时,不需要对所有的密文解密然后再用新的密钥加密,提高了系统的效率。
3 实验与分析
为验证方案的有效性,我们搭建了Hadoop集群并开发了原型系统。其中,Hadoop集群一共有3台机器,所用的节点均为同等配置,每台机器内存2 G,硬盘空间160 G,操作系统是Window7,同时安装Cygwin来虚拟Linux环境。三台机器上均安装了hadoop-0.20.2、jdk-6u26-windows-i586和Cygwin。加密算法采用AES(高级数据加密标准)算法,密钥长度为256位。消息签名算法采用SHA-256算法。
3.1 原型系统的开发与实现
该系统采用Java语言开发,采用开源云计算平台Hadoop框架和HBase数据库。以某供电局SCADA的数据进行测试。图5展示了该数据的部分内容。
(1)原型系统的数据存储
利用密钥生成函数生成的256位随机密钥。随机密钥:
WqQBnzVM1yLOzNxWJQU5VceJJnxOMowrXX4SM2/+Tb Q=。将数据存储到云中后,云的数据如图6所示。
HBase中的密钥数据如图7所示。
在图7中,密钥信息为f4bY7AXJEp+AStv1x1iYkdTGs GYS4OWGuDtMBB8n5DA=;摘要信息为YsitRtAegYv+0LydsQSsytWvFo PDkcwb K/f//evzm I=。
通过与前面的随机密钥对比,我们可以发现HBase中存储的密钥信息与随机密钥是不一样的,这也说明了信息隐藏方案的有效性。
(2)原型系统读取数据
读取数据时,首先从HDFS中获取密文,然后从HBase中获取相应的密钥信息。对数据进行解密。解密数据与图5比较,可以确定数据的正确性。
为了验证其完整性,我们用相同的SHA-256消息签名算法对解密后数据进行数字签名,其结果为:
YSitRtAegYv+0LydsQSsytWvFoHPDkcwbK/f//evzm I=。这和HBase中摘要信息是一致的,也就验证了其完整性,也证明了方案的有效性。
3.2 原型系统的性能测试与分析
针对智能电网中数据大小差异大,时间要求高等特点[10],我们选择了存储耗时作为衡量方案标准,利用加权平均的方式来测试其性能。
为了了解方案的总体上的性能,选择在不同大小数据文件下进行测试。并根据智能电网数据大小差异大的特点,确定在数据文件大小为1 M,5 M,10 M,50 M,200 M,500 M,800 M下进行测试。实验结果如表2所示。
为了更直观地看到结果,图8采用折线图将其展现。其中纵坐标是时间,单位ms,横坐标表示数据文件的大小。
由图8可以发现,安全存储方案的效率十分接近于直接存储。这是因为数据存储时网络传输时间占主导作用,而其他的时间在数据较大的时候几乎可以忽略不计。
4 总结
本文研究了基于云存储的智能电网数据安全存储问题,分析了智能电网信息系统的安全问题,设计了一种基于智能电网的数据安全存储方案,开发了原型系统,并对其优点和性能进行了分析。相关实验证明方案的有效性和可行性,适用于保护智能电网上的数据安全。
摘要：针对智能电网下海量数据的存储问题及数据保密性和完整性需求,分析了现有安全存储方案的特点,结合智能电网应用环境的特殊场合,设计了一种基于Hadoop的智能电网数据安全存储方案。该方案充分利用了HBase高性能优势和现代密码技术,将密钥与密文的管理分离,具有安全性好、密钥管理方便及效率高等特点。开发了基于Hadoop的原型系统,对方案的时间开销进行了分析,并通过相关实验证明了方案的有效性和可行性。
关键词：智能电网,云计算,Hadoop,数据安全,安全存储
参考文献
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智能存储 篇7
关键词：IGBT智能驱动,过流保护,故障监测存储,数据测量
本文设计的系统在实现IGBT的智能驱动与保护的基础上,对各种故障数据进行监测、存储,最终可供上位机读取,大大降低了IGBT故障率和维护的成本。系统框图如图1所示。驱动信号经过智能驱动器对IGBT进行优化的开通和关断,并且提供可靠的保护;当IGBT发生故障时,故障采集存储单元对故障信号进行采集存储,供上位机读取查看。
1 智能驱动器设计
本文所设计的驱动保护电路主要包括4部分:驱动信号的光电转换、FPGA数字控制、多级栅极驱动、故障的检测及保护。功能框图如图2所示。
1.1 多级动态栅极驱动
传统的栅极驱动结构不能兼顾开关损耗和di/dt引起的电流、电压尖峰。在本设计中采用多级动态栅电阻,利用Mosfet的组合即可实现多等级动态栅极驱动电阻,从而更精确控制开通和关断过程。如图3所示。
1.2 保护电路设计
1)过流保护。当IGBT正常开通时,Vce饱和时的压降只有2~3 V,当IGBT短路后,IGBT快速退饱和,Vce快速上升,如图4a所示。通过硬件比较电路与设置的保护阈值Vref相比较,比较器翻转送出故障信号S1,FPGA决策后快速关断IG-BT,如图4b所示。
当IGBT在开通瞬间发生短路,Ic急剧增大,导致di/dt增大,在寄生电感Le E(辅助发射极e和功率发射极E之间很小的寄生电感)上感应出电压Ve E=-Le E×(di/dt),如图4b所示。通过硬件比较电路捕捉此电压变化,送出故障信号S2并由FPGA做出保护动作。
2)过压保护。在变流器过载或桥臂短路时关断IGBT,会产生非常高的电压尖峰,此时IG-BT极易损坏。为此采用有源钳位的方法来抑制关断过压尖峰。如图5所示,当集电极电位过高时,TVS管D2被击穿,电流Iz向栅极注入电流,抬高栅极电压,减慢关断过程。为防止Vge被过大抬升导致IGBT损坏,利用双向TVS管D3进行栅极钳位。
3)欠压保护。欠压包括电源欠压和栅极欠压。电源欠压导致驱动信号不能正确传输、逻辑控制电路发生错误,严重影响驱动器功能的可靠性;栅极欠压有可能使正在运行的IGBT退出饱和区,严重威胁IGBT的寿命。为此采用电压检测芯片对电源电压和栅极电压进行实时检测,一旦有欠压发生,关断IGBT。
2 故障采集存储设计
本文所设计的采集存储电路主要包括7个部分:信号采集电路、信号调理电路、ADC数模转换电路、FPGA控制模块、FLASH、SDRAM和USB组成。如图6所示。
2.1 Vce测量电路设计
本设计采用2个测量支路分别对关断电压和导通压降进行测量。集电极电压测量电路如图7所示,IGBT关断时的关断电压测量由电阻R4,R5完成;IGBT导通时饱和压降测量支路由二极管D4,D5,开关S,电流源I1,I2及电阻R5组成。稳压管D6保护输出后级电路。Uout为测量输出电压。
当IGBT处于关断状态时,开关S断开,D4承受反压,此时集电极电压经由R4,R5分压,则
式中:Uceoff为IGBT关断集电极电压。
当IGBT导通后,开关S闭合。电流源I1,I2分别流过二极管D5,D4。此时IGBT的导通电阻相比较于R5小得多,因此I2几乎全部流过D4;而相对二极管D5的导通电阻,R4阻值很大,可认为R4开路,I1全部从D5流过。
此时饱和压降有如下关系式:
当I1和I2大小相等、D4,D5型号相同,且所处环境温度相同时,UD4,UD5基本相等,即可得出
式中:Uceon为IGBT集电极饱和压降;UD4,UD5为二极管D4,D5的导通压降。
2.2 温度测量电路设计
针对IGBT功率模块栅极驱动电压的信号特征,把热传感器NTC作为分压电路的一部分来实现温度的测量,测量电路如图8所示。
2.3 栅压Vge和电源电压测量
本设计采用+15 V电源供电,为栅极提供可靠的驱动电压与电流。根据电源电压和栅压Vge的特点,采取电阻分压的方式进行测量。
上述测量得到的模拟信号经过信号调理电路,通过ADC转换供采集电路采样,并送往FP-GA进行运算处理后,存储在SDRAM中。当IG-BT发生故障(短路、过温、欠压、栅极驱动信号过频等),保护电路立即动作。同时,存储电路将此故障发生前一段时间内的数据转存至FLASH中,在系统断电后通过USB供上位机读取。
3 仿真及实验分析
3.1 仿真分析
为验证所设计Vce测量电路的有效性,根据基于Saber2007设计方案,对图7所示集电极电压测量电路进行了双脉冲仿真。仿真参数:IGBT为5SNA1200E330100,R4=4 MΩ,R5=40 kΩ,I1=5m A,I2=5 m A,仿真结果如图9所示。
在不同母线电压等级的阻断电压仿真结果如图9a中所示,母线电压分别为1 200 V,1 000V,800 V。可以看出,在IGBT阻断状态下,根据式(1)可得集电极关断电压测量值和实际值相差约2 V,说明测量电路能较好地跟踪母线电压的变化,测量范围可根据实际需要进行参数调整。从图9b可以看出,在IGBT饱和导通状态下,饱和压降测量值和实际值重合性好,测量误差小于10 m V。
从以上仿真结果可以得出,此测量电路能较精确地测量IGBT关断和开通时的集电极电压。
3.2 实验分析
为了验证电路系统的正确性,搭建了IGBT实验平台(见图10),进行双脉冲实验与短路实验(见图11、图12),图10中,母线电压1 200 V,负载L为60μH感性负载,驱动信号为双脉冲信号。
从图11a看出IGBT可靠开通关断,驱动电路正常工作。实验双脉冲频率为25 k Hz,超出了预设的频率范围,触发过频保护,如图11b所示。Vge和Vce信号很好地被记录下来,而由于实验过程短暂,温度一直维持在室温状态。电源电压没有出现过大波动呈+15 V。
将双脉冲平台上管IGBT用1个粗短的铜排短接,并用了1个宽度为10μs的脉冲进行短路实验。Vce=1 200 V。从图12a中可看出,从IGBT开始导通到检测到短路信号用时不到2μs(一般短路保护需要8~10μs),保护电路快速将IGBT关断,很好地起到了保护作用。图12b为此次“故障”的上位机界面,采集存储电路很好地记录下了实验的整个过程。
不同母线电压下的阻断与饱和电压值对比如表1所示。
由表1可以看出,在相同的实验条件下,随着母线电压的升高,饱和压降也逐渐增加。在相同母线电压下,阻断电压的理论值、仿真值、实测值相差约5 V。饱和压降的理论值、仿真值、实测值相差约10 m V。
4 结论
本文提出了一种新颖的IGBT数字化驱动保护与故障数据存储系统,利用数字芯片FPGA对驱动信号、保护电路的保护动作以及故障数据存储进行相应的软件设计,相对于分立器件,数字芯片对信号的处理大大提高了电路的集成度和运行的可靠性,通过实验验证了设计的正确性。
参考文献
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智能存储 篇8
关键词：安全智能存储卡,研发应用,网络
0 引言
从1994年开始的网络商业使用之后,2000年袭卷全球形成使用热潮。到今天,预估我国网络使用人口已经达到11亿人以上,随着经济发展和网络应用在各项商业行为的普及,网络应用未来仍有相当大的成长空间。现在几乎没有人可以离开网络。不论是网络的使用或是网络交易行为,都牵涉到安全的认证机制。从政府机构到金融机构乃至一般商业的会员服务,都需要安全认证机制来确认使用者的身份和交易安全。网络上确认交易方身分后才可以进行数据存取、交易行为等。作为移动通信载体的手机在人们日常生活中的重要性已经不言而喻,但它也给人们带来巨大的威胁。随着手机用途的日趋广泛,如手机电视、手机付费、手机联网等,手机内部信息的泄露、被窃取、遗失或被盗,都会给人们带来不便甚至重大损失。随着3G时代的来临,手机将从单纯的语音、信息通讯终端逐步发展成为个人信息业务终端。
1 申请工业技术应用研发项目的必要性
该项目致力于便携式安全产品的研究和开发,其中有COS智能芯片系统、SDK安全组件、基于Windows的专用CSP密码服务模块、专用PKCS11加密组件以及内置安全Linux操作系统等技术创新。同时,该项目已进入起步研发阶段,在该阶段需要新增投资和流动资金(包括人工费、材料费和其他费用)。作为一家致力于研发、营销具有自主知识产权的企业,目前迫切需要将我们的科研成果尽快转化为有益于社会的生产力,以实现企业的可持续发展,提高企业的市场竞争力,并为我国IT事业发展做出贡献。由于资金有限,除自筹部分及文理学院部分科研经费外,尚有10万的资金缺口,因此需要申请工业技术应用研发项目的资金支持,以便在短时间内把产品尽快推向市场。
2 技术研发及应用创新
安全智能存储卡(Secure Micro SD Card),是用于个人和网络客户端安全解决方案的便携式安全产品,又称为智能密码钥匙。它是基于公钥基础设施PKI体系的、采用智能卡技术来提高个人和网络应用安全性的安全产品。它利用其安全性和便携性,将数字证书、密钥或其它信息存储在专用安全设备上并由PIN码保护,为个人应用安全(文件加密、安全登陆、安全插件等)和在Internet、Intranet或VPN上实现安全通信的应用提供保障,从而建立起一个安全的个人和网络运行环境,来保证个人以及网上数据传输的机密性、完整性、有效性。
安全智能存储卡设计精巧、便于随身携带,卡内部嵌有高安全性的智能卡芯片,并在芯片上内置了安全COS系统且允许用户自行插拔和装卸安全SD卡,类似于用户在手机上插拔装卸SIM卡的方式。
用户可通过Wi-Fi,GPRS或3G在手机、上网本、MID、PDA等移动设备上实现PKI、用户认证、交易保护或VPN访问;将数据从手机、上网本、MID、PDA、MP4、DC等设备自动加密存储到Micro SD上;访问Micro SD中的数据文件时需要认证;对移动通话中的声音和文本信息加解密;随身的医疗健康保险;随身电子病历;政府机关身份辨识暨信息安全加密等等。因此,随着恒科同创安全智能存储卡的实施和推广必将产生巨大的社会和经济效益。
3 项目技术的成熟性和可靠性论述
我们开发的智能存储SD卡(专用安全设备)是在深入的调研和广泛的分析研究论证,综合我们现有的技术、人员、经验以及财力等各方面实力,并在征求许多专家建议的基础上研究和开发的,因此此项目的立项是可行的,并有可靠的保障的。具体体现在以下几个方面:
3.1 开发技术
(1)核心芯片操作系统:COS系统(Chip Operating System),内置的智能卡芯片的各种命令和操作都需要通过COS操作系统来完成处理;(2)CAPI接口规范:微软为应用程序开发者提供了在Win32环境下使用加密、验证等安全服务时的标准加密接口(具有密码服务提供者模块CSP);(3)专用PKCS11加密组件:PKCS(Public Key Cryptography Standards)是RSA公司制定的公开密码密钥标准,已广泛为业界所采用,逐步成为业界标准;(4)内置安全Linux操作系统;(5)采用16bit高性能安全智能卡芯片,芯片符合EAL 4+国际安全标准,能够抵御各种基于物理手段的攻击和非法探测。
3.2 项目管理上
本项目组成员全部具有多年软件产品实际项目开发管理的经验。从事本项目的开发管理人员都具有扎实的理论基础和丰富的项目开发经验,并对本项目的需求和目标做过详细的分析。
4 经济及社会效益分析
4.1 市场前景
对于网络安全而言,身份认证的安全是整个网络安全的核心。从政府机构到金融机构乃至一般商业的会员服务,都需要安全认证机制来确认使用者的身份和交易安全。
在整个智能卡发展趋势中,人们一直想尽可能的达到越方便越好。如果能在无线装置上尤其是手机上使用智能卡将会带给人类智能卡的使用革命。智能卡和读卡器或USB Key都无法直接在移动设备上使用。
大部分移动设备都有一个额外的存储卡接口,而且通常是SD接口。可将智能卡芯片内嵌至SD存储卡,并且利用它来存储安全应用。如此一来,再也不会有障碍在面前了。移动设备跟从前看起来一样。它不需要增添任何额外的接口或装置,所以手机不会改变销售成本。移动设备无需做任何改动。目前现有的应用程序可轻易转到该卡上而无需重新开发,而且SD卡的存储空间依然可用。用户只需插入即可使用。最大的优势在于这是已开发好的技术,随时可以和现有的安全芯片和应用程序一起发行。因此,智能卡商和安全应用提供商也会因为该项技术而获得更为广阔的市场。手机、PDA、笔记本电脑、PC、移动电视、便携式超声装置、数码相机、数码摄像机、MP3/MP4播放器、数码相框、GPS、图形计算器、Wifi游戏机等以及许多其它设备将会拥有基于硬件的安全解决方案。
移动设备上基于硬件的安全应用带来了无限商机。例如:在线交易的强身份认证和不可否认性、解码流加密电视、加密电话通话以及短信、安全加密本地数据库,包括敏感信息,如健康记录等。
4.2 产品分析
成本分析:本产品的研发需要计算机软件技术和硬件技术相结合,计算机软件技术属于IT行业的核心内容,它决定了用户各种资源的使用效率,高风险性和高回报率是它的主要标志。对于智能存储卡产品的研发成本,主要体现为机会成本。主要包括显成本和隐成本两个部分。
显成本就是财务可按会计法规核算的历史成本,也就是企业在产品研发上的实际开支,它包括:(1)前期市场调研的调研支出。(2)购买软件中间产品形成的资产,属递延资产。(3)固定资产中(开发环境的搭建、维护与软件开发工具的使用)的长期摊销部分,属递延资产。(4)开发人工成本—主要是指开发人员的劳务支出。隐成本,是项目可能因为各种外部环境和内部资源变化,可能带来的预期外费用。如技术进步带来的用户需求变化,可能需要更多支出用于新的软件中间产品的购买更新;产品的调研、修正和新开发工具的培训。
4.3 盈利预测
4.3.1 经济效益
根据我们目前的前期调研和考察,智能存储卡产品的预计生命周期为3-5年:每年的净利润在8万元-14万元左右。
4.3.2 社会效益分析
本项目的开发在取得较高经济效益的同时,也将带来良好的社会效益。其社会效益主要体现在以下几个方面:(1)智能安全存储卡暨专用安全设备的实施,将大大促进我国移动商务信息电子化的进程。(2)智能安全存储卡暨专用安全设备的实施,利用强身份验证,将大大提升在线支付、电子商务等交易行为等移动商务交易的规范性。(3)智能安全存储卡暨专用安全设备的实施,能有效保障个人隐私、敏感信息记录等不被泄露。(4)智能安全存储卡暨专用安全设备的实施,能利用随身电子病历等应用,更好的处理突发应急事件等。
随着手机普及率的升高和移动商务服务的多样化,作为无线网络通信中交易环境的守护神,Secure Micro SD Card解决方案将推动一个全新科技市场的发展。让我们翘首以待智能卡技术在移动领域的进一步突破!
参考文献
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智能存储 篇9
智能电控存储式油井分层测压仪通过预设智能控制指令,控制电机实现油井单层坐封解封,记录油井单层静压和油管流压,达到预定采集时间后,打捞该测压仪,地面回放记录数据,分析该油井各层压力情况[2,3]。智能电控存储式井下测压仪在前期的实验与测试过程中,能维持260h左右的测压时间。电能的供给采用性能较好的以色列航空电池组,虽然能满足单井单层测压要求,但不能实现长期连续的井下压力测试,难以形成有效的压力数据反馈链。电池电量耗尽后必须将测压仪打捞出以更换新的电池组。反复更新电池组,对人力和物力都是极大的浪费,更不能实现今后多井多层测压的要求。因此有必要对油田井下测压仪进行模块化的改进,把控制模块中的每一部分都加以优化控制,来协调整个测压系统,以实现整体系统节能降耗的目的,并提高企业的生产效率。
1 油田井下测压系统的组成及现有功耗方面的不足
1.1 油田井下测压系统的组成概述
油田单层测压仪大致由3部分组成:上部分由地面控制主机、丢手部分组成;中间部分由压力测试模块、控制模块组成;下部分由井下自动坐封、解封控制、驱动模块及地面控制软件等部分构成。
单层井下层压系统中电机丢手部分是通过电机的行星减速器和滚珠丝杠的减速驱动,放大旋转扭矩,再通过平面轴承承压(轴向力)来驱动拨叉装置,转动梯形丝杠来达到直线运动的目的。丢手部分由地面控制丢手电机使传动轴转动,定位支臂张开,下放测压仪器,仪器定位支臂支承在配产器定位机构上,地面发出控制命令,继续转动,连接套与定位支臂座分开,丢手过程结束,使整个测压部分留在井下。图1所示为丢手部分结构,图2为丢手部分内部结构。
测压系统中丢手驱动技术有以下特点:
a.丢手由整个电机带动滚珠丝杠驱动,是一个能承受40MPa和150℃高温的动密封机械装置,其受力主要来自于油井内部的高压和高温,其动密封轴还承受外部的轴向压力,由于动密封轴直径很小,它承受的外部轴向压力就会很大,在结构上需要化解这部分轴向压力,采用平面轴承来化解轴向受力的状况,通过平面轴承里的多个滚珠很小的接触点来分解其压力,使丝杠和减速器的轴向压力全部分解到由平面轴承来承受。
b.丢手驱动机构需要限位开关来控制它的行程,否则就会造成电机堵转。可在丝杠螺母上加环氧压板,随时调整其行程距离,既方便又可靠。
c.在压力密封方面,特别是动密封,采用径向双道密封,大大增加了其可靠性。密封圈全部采用氟橡胶材料,有效地保护了其控制线路及高温电机等元器件。
测压部分是经过一定时间后,井下测压仪控制模块输出信号,控制留在井下的测压电机,电机输出动力,传动轴转动,带动推拉杆轴向运动,推拉杆带动滑动外套运动压缩皮碗,实现测压仪坐封,压力计开始测地层压力并记录,测压结束后,控制模块再次发出信号,电机反向转动解封测压仪,下入打捞器捞出测压仪,取出压力计,读取压力数据,实现回放。图3所示为井下压力采集部分实物图。
单层油井测压仪主要由供电模块、限流模块、电量监测模块、定时模块、温度监测模块、通信模块、调试模块及电动机等构成。
1.2 现有功耗方面存在的不足
井下测压设备是由许多单元设备共同组成的。现有节能系统多以工艺的改造来解决设备的功耗过高问题,其中包括对内部主要耗电电机更换和采用性能更好的供电方式。然而井下测压设备仅靠改换和机械设备的改造并不能实现整个系统的高效稳定节能。目前井下测压设备采用以色列的航空级电池供电,其具有耐高温高压、输出电压平稳、输出电流大的特点。它用来给单层测压仪供电,包括给单片机供电和测压电机供电。单片机要求5V供电,电机要求12V供电[4]。电机采用外径22mm的12V直流微特电机,额定扭矩6N·m,额定电流480mA,输出最大扭矩10N·m,最大电流750mA,其作用是通过刚体控制皮碗的胀开和收缩。电池组只在测压仪坐封、解封时进行供电,且其供电时间短,电量消耗不大。通过大庆油田采油七厂葡80-63井PI1-5层段进行的分层压力测试和模拟井下环境温度进行实验室恒温箱测试,电池组对单片机部分的供电只能维持一周左右测压时间。作为测压系统中主要耗电单元的控制模块,其中测压设备下井后MCU一直处在工作状态,耗电量大。因此有必要对控制模块进行合理的节能优化,使整个系统达到有效节能降耗的目的。
2 测压系统低功耗改进研究与设计
2.1 控制模块中器件改换
测压仪井下自动坐封、解封控制及驱动模块主要由供电模块、电量监控模块、温度通信模块、调试模块及电动机等构成,都由其控制模块实现其功能。在控制模块改进方面,为了达到降低功耗的要求,首先从耗电器件的低功耗方面进行改进。电气元件是井下测压仪耗电过高的主要因素之一,因此选取采用耗电量低,工作效率高的电气元件代替原有器件。在井下测压过程中,各个模块的功能实现都要由MCU的工作实现复杂的控制。实现的功能越多其运算量就越大,耗电量也就随之越大。因此控制电路中核心芯片MCU为主要耗电芯片,所以对控制电路中的核心芯片MCU、继电器、电阻及晶振等器件进行重新选取,并在其基础上对原有软件程序进行相应的优化设计。
2.2 控制电路改造
更换了功耗较低的MCU,虽然使整体功耗有所下降,但在测压过程中控制电路中的MCU即使没有控制电机实现坐封、解封,也一直处在工作状态。虽然耗电量与控制电机坐封、解封时相比较低,可以满足短期的测压要求,但是井下测压时间周期较长,在长时间的工作中静态功耗势必增大,耗电量增加,使得电池的续航能力大大降低。通过对控制电路改进的同时增加对MCU的时钟控制电路,达到只有当测压仪进行坐封、解封测压动作时通过时钟触发电路输出的电压信号实现对MCU的供电要求,使MCU工作实现控制电机转动,其余时间处于休眠状态,这样会大大降低控制电路静态时电能的消耗,同样既节省了电能又确保了测压过程中的正常运转。
3 解决方案
3.1 硬件控制模块改进
对控制电路中的核心芯片MCU、继电器、电阻及晶振等进行重新选取,单片机等器件要求工作环境温度在125℃以上,其他器件要求工作环境温度为85℃,所有器件耐压性要大于15MPa,并且具有良好的抗震性。在控制电路中主要耗电的器件为控制芯片MCU,所以在实现原有功能的情况下将原先采用额定电压为5V的STC12C5412AD型航空用MCU改换为额定电压为3.3V的STC12LE5412AD型单片机,其与STC12C5412AD具有同样耐高温耐高压的性能,并且特有低功耗的性能。为满足MCU的工作要求,供电等级由5.0V降至3.3V。MCU输出信号对继电器进行控制开断,来实现电机的转动。原有额定电压为5V的DS2Y-S-DC5V型继电器已不能满足改换后MCU电压等级的要求,所以改换为额定电压为3V的日本进口NEC-UD-3NU型继电器。其性能稳定、额定电流大,经过测试当施加电压降至0.87V时仍能继续正常工作。晶振由原来的4MHz改换为1MHz并对原有程序进行修改。对控制模块器件改换前后进行恒温箱实验测试,恒温箱环境温度控制在近似于井下温度的55～70℃之间。改换前后加载在MCU上的电压随时间变化如图4所示。
在采用电量相同电池组的情况下,图4a所示改进前额定电压为5V的MCU当电压低于4.7V后无法正常工作,可持续工作时间为16d,能满足现有单层油井短期150h的测压时间要求。图4b所示为改换后额定电压3.3V的MCU在工作前60d时间内供电电压基本维持在3.584V左右。当供电电压低于2.1V后MCU停止工作。MCU可持续工作天数由原先的16d增至约90d。控制电路静态功耗时的电流从改进前的48mA降至2mA,实现控制模块的功耗降低,大大提高了电池组的使用时间。
3.2增加时钟控制电路
由于油田井下环境对设备尺寸的约束,将改进后的器件由直插式改换为贴片式,并在此基础上增加时钟电路来实现对MCU休眠和唤醒的控制作用,时钟控制电路的核心控制芯片是CD4060,其工作原理是输出高低电平信号来控制对MCU的供电与断电,当MCU上电时工作,断电时进入休眠状态,从而实现对MCU休眠和唤醒的作用[5]。
因为井下测压仪要求在2～3h左右坐封,在150h后解封,所以选取满足时间要求的R2、C1组成时钟振荡器。图5所示为芯片CD4060工作原理。
系统上电后,CD4060开始对由R1和C1组成的振荡器进行计数。根据坐封、解封时电机所需转动时间,选取合适的R1、C1值组成振荡器进行高低电平触发。当接近坐封时间时,Q13脚输出高电平,此时Q1三极管导通,单片机首先判断其外接EEPROM地址0x00的内容是否为0,如果地址为0,单片机系统得到3.3V的供电,单片机可以工作,控制电机正转实现测压仪的坐封。当达到坐封要求后,CD4060的Q6脚输出高电平,此时通过D1～D3逻辑,RESET为高电平,将CD4060复位,Q13脚输出低电平,停止对单片机系统供电,使其进入休眠状态,坐封完毕。经过一段时间后,CD4060的Q13脚再次输出高电平,此时Q1导通,再次给单片机供电,单片机还是首先判断其外接EEPROM地址0x00的内容是否为0,如果不为0,则将其内容加1。并判断加1后改存储器的内容是否为设定好的地址参数,如果达到了设定好的地址参数,则表示在电极正转之后,到了反转的时间,此时单片机可以控制电机反转,同样可以采用单片机内部的定时器来实现,解封完毕。
恒温箱测试实验表明:当MCU处于休眠状态时其控制电路的电流为39～49μA,远远低于2mA。使控制电路功耗实现大幅降低,明显提高了电池的使用时间。通过电路改造优化方案从理论上可实现测压仪在井下长达一年左右时间不间断的工作。
4 软件
编程软件选择Keil Software公司出品的Keil uVision3单片机C语言,该软件有丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,生成的目标代码效率非常之高并且结构很紧凑,容易理解[6]。井下现场条件复杂恶劣,干扰源比较多,这些干扰严重影响了系统的可靠性和稳定性。现场很多原因均会造成干扰,对干扰的抑制措施也会涉及到复杂的理论技术,应用性比较强。由于硬件干扰不可能完全消除,当干扰进入CPU本身时,CPU将不能正常执行程序,从而引起混乱,因此设计软件以抗干扰。软件抗干扰技术是对硬件抗干扰的一个辅助,当系统受到干扰后,通过软件抗干扰技术能够使系统恢复到正常状态[7]。
通过将原有不必要的过程进行优化,减少单片机的运算量。控制电机保护电流在750mA左右。通过指令判断CD4060高低电平触发状况,并对单片机内部EEPROM存储器地址进行改写。在单片机内部判断是否进行坐封、坐封动作。程序编写完成后,通过通信数据线将程序上传到MCU中,运行程序,以实现对测压仪坐封和解封的控制。工作流程如图6所示。
5 实验成果
改进的油井测压设备在实验室达到预定指标后,在大庆油田采油七场葡80-63井PI1-2层段进行300小时分层压力测试。测压仪达到井下预定位置后通过地面控制,定位支臂顺利打开,下放仪器坐入可调配产器内进行分层测试,测试结束后测压仪起出过程电缆上提负荷正常,测压仪起出地面后皮碗回收正常。分层压力测试曲线如图7所示,测试合格,能够满足现阶段单层井下长期测压要求。
6 结束语
通过对智能电控存储油井分层测压仪的控制电路改进,在满足井下测压数据采集等要求的条件下,实现了控制电路降低功耗的要求。将原有控制电路待机电流由起初的45mA降至2mA,并在井下测试中成功实现了其功能。使在同样状态下的电池续航能力从2周调高到理论的3个月。通过在控制电路增加时钟控制芯片实现了对MCU的休眠和触发,同时把相应的软件优化与之结合整理,并运用到测压系统中,最终将控制电路在休眠状态下静态电流进一步降至35μA左右,并在实验室恒温箱中测试和现场实验,能够顺利完成测压仪坐封和解封的控制功能。改进后的智能电控存储油井分层测压仪为实现下一步对长期油田多层井下测压提供了有利的技术支持,并为油田“精细化开采、高产、稳产”提供了重要、先进实用的测压工艺技术。
摘要：基于现有大庆油田井下智能电控存储式油井分层测压仪的电路控制部分进行降低功耗的改进研究。在满足智能电控存储式油井分层测压仪其测压过程中自动坐封及解封控制等功能不变的情况下,对目前单层井下测压仪电控部分进行软硬件改进设计。通过改进后的电控部分,降低了控制电路的功耗,同时为实现长期多层井下测压提供技术支持。
关键词：测压仪,油井分层测压,时钟电路,低功耗
参考文献
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[6]徐爱均,彭秀华.单片机高级语言C51 Windows环境编程与应用[M].北京:电子工业出版社,2001.