文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.171702
中文引用格式： 張一豪，孫冬梅，沈玉成，等. 基于6LoWPAN的光伏匯流箱監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(12)：44-47.
英文引用格式： Zhang Yihao，Sun Dongmei，Shen Yucheng，et al. The design of photovoltaic junction box monitoring system based on 6LoWPAN[J].Application of Electronic Technique，2017，43(12)：44-47.
0 引言
大型光伏電站系統(tǒng)中，直流匯流箱是最基本的發(fā)電單位，其運(yùn)行穩(wěn)定程度是整個(gè)電站發(fā)電量效率的關(guān)鍵指標(biāo)之一[1]。傳統(tǒng)的有線匯流箱監(jiān)測系統(tǒng)需預(yù)先鋪設(shè)電纜，后期維護(hù)成本大、擴(kuò)展性差，而且光伏電站存在著很強(qiáng)的共模干擾，極大影響了有線通信的穩(wěn)定性[2]。
6LoWPAN(IPv6 Low Power Wireless Personal Area Network)致力于將IEEE802.15.4與IPv6結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)的無縫連接[3]。6LoWPAN在歐美一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用，美國國家電網(wǎng)公司將6LoWPAN制定為美國國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，思科、德州儀器等知名企業(yè)相繼推出了相應(yīng)的硬件平臺(tái)。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的開源操作系統(tǒng)中，最著名的Contiki、TinyOS已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對6LoWPAN技術(shù)的支持[4]。
本文設(shè)計(jì)了一種基于6LoWPAN無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的光伏匯流箱監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有組網(wǎng)靈活、成本低、功耗小和通信穩(wěn)定等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了匯流箱電能參數(shù)的無線采集。
1 光伏匯流箱無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于6LoWPAN的光伏匯流箱監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，按照標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，分為傳感層、傳輸層及應(yīng)用層。
傳感層負(fù)責(zé)基于6LoWPAN技術(shù)組成一個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對匯流箱內(nèi)的電壓、電流參數(shù)和一些開關(guān)量的采集和上傳，并通過用戶協(xié)議以標(biāo)準(zhǔn)的IP數(shù)據(jù)包格式上傳給監(jiān)測平臺(tái)。其中邊界網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)管理整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，保證傳感網(wǎng)絡(luò)與外界IP網(wǎng)絡(luò)正常通信。
傳輸層采用傳統(tǒng)有線以太網(wǎng)方式傳輸。考慮到建立TCP傳輸方式“三次握手”連接對節(jié)點(diǎn)的開銷較大，不適合用于傳感網(wǎng)絡(luò)6LoWPAN這種低速無線傳感網(wǎng)絡(luò)[7]，并且匯流監(jiān)測系統(tǒng)是輔助系統(tǒng)，對丟包率的要求并不嚴(yán)苛，少量丟包并不會(huì)影響整個(gè)匯流箱內(nèi)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，因此傳輸層采用UDP傳輸協(xié)議。
應(yīng)用層主要是設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)測平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)匯流箱電能參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、查詢，以及匯流箱設(shè)備的信息記錄等功能。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)主要包含CC2530模塊、電源模塊、開關(guān)量監(jiān)測模塊、電壓電流采集模塊、串口調(diào)試模塊以及常規(guī)外圍電路。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.1.1 電源模塊
監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用PV光伏組件自主供電，匯流箱輸出電壓可達(dá)200 V~1 000 V，而主控芯片和其他外圍電路電壓為3.3 V和5 V，因此選用PT15-500S12光伏專用電源模塊，將匯流箱輸出電壓轉(zhuǎn)換為DC12 V，并通過LM2576S-5.0和TPS7A7001電源芯片將12 V電壓依次壓降到5 V和3.3 V。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。
2.1.2 電流電壓采集模塊
本文所選霍爾電流、電壓傳感器分別為南京信瑞譜傳感技術(shù)有限公司CHCS-LSP3-10A 系列和CHVS-AS3.3系列，其測量范圍分別為0~20 A和0~1 500 V。電流、電壓信號(hào)經(jīng)由霍爾傳感器輸出0～3.3 V電壓信號(hào)，通過一個(gè)RC濾波器和電壓跟隨器輸出待采集的模擬信號(hào)。圖4為數(shù)據(jù)采集電路，AO為電流或者電壓霍爾傳感器信號(hào)輸出端。
2.1.3 開關(guān)量監(jiān)測模塊
開關(guān)量的監(jiān)測對象包括防雷器的失效狀態(tài)以及斷路器的開關(guān)狀態(tài)。防雷器的遙信端口、斷路器狀態(tài)信號(hào)線經(jīng)光耦器件TLP521隔離后與主芯片相連，正常情況下防雷器的遙信端口、斷路器狀態(tài)信號(hào)均為低電平，光耦輸出高電平；當(dāng)防雷器感應(yīng)雷擊、受損或者斷路器開斷時(shí)，光耦輸出高電平。圖5為開關(guān)量監(jiān)測電路。
2.2 6LoWPAN邊界網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)
6LoWPAN邊界網(wǎng)關(guān)是連接6LoWPAN傳感網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)的橋梁，是6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的核心[8]。本文所設(shè)計(jì)的邊界網(wǎng)關(guān)僅負(fù)責(zé)對6LoWPAN報(bào)文和以太網(wǎng)報(bào)文的相互轉(zhuǎn)換。邊界網(wǎng)關(guān)僅需承載數(shù)十個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，對數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)也并沒有較高要求。綜合考慮性能和成本，邊界網(wǎng)關(guān)采用與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)基本相同的硬件結(jié)構(gòu)，不同之處在于去掉了數(shù)據(jù)采集電路，增加了以太網(wǎng)模塊。其中以太網(wǎng)模塊采用集成MAC和PHY的ENC28J60網(wǎng)絡(luò)芯片以及網(wǎng)絡(luò)變壓器HR911105A。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖6所示。
3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
Contiki完全采用C語言開發(fā)，可移植性強(qiáng)，對硬件要求非常低[9]。本設(shè)計(jì)所選用的CC2530芯片足以滿足系統(tǒng)對硬件的開發(fā)要求。本文采用Contiki2.6版本，此版本已對6LoWPAN技術(shù)全面支持，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)報(bào)頭壓縮處理的方法。本設(shè)計(jì)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和邊界網(wǎng)關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)均基于Contiki系統(tǒng)。基于C#.NET和SQL Sever2008開發(fā)了系統(tǒng)監(jiān)測平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對匯流箱電能參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。
3.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
在對Contiki協(xié)議棧層次框架和路由機(jī)制研究分析后，確定了監(jiān)測節(jié)點(diǎn)模塊的軟件框架分為驅(qū)動(dòng)層、中間層和應(yīng)用層。驅(qū)動(dòng)層主要包括無線收發(fā)功能驅(qū)動(dòng)，A/D采集驅(qū)動(dòng)；中間層通過移植Contiki系統(tǒng)的6LoWPAN協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)通信；應(yīng)用層完成數(shù)據(jù)的采集、濾波、上傳以及執(zhí)行接收到的命令。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖7所示。
3.2 邊界網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)
邊界網(wǎng)關(guān)需實(shí)現(xiàn)對傳感網(wǎng)絡(luò)的管理和保證與IP網(wǎng)絡(luò)通信，其軟件實(shí)現(xiàn)主要基于Contiki協(xié)議棧。由于6LoWPAN是面向IPv6協(xié)議的，而IP網(wǎng)絡(luò)均使用IPv4協(xié)議，為實(shí)現(xiàn)兩者相互兼容，本文通過分析Contiki原協(xié)議棧，調(diào)用其適配層協(xié)議棧相關(guān)接口函數(shù)對報(bào)文進(jìn)行壓縮與解壓縮、分片與重組等處理工作，以實(shí)現(xiàn)IPv6/IPv4兼容。邊界網(wǎng)關(guān)軟件流程如圖8所示。
3.3 監(jiān)測平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)
本文使用C#.NET和SQL Server 2008軟件開發(fā)上位機(jī)監(jiān)測平臺(tái)。監(jiān)測平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)系統(tǒng)配置，包括用戶登錄信息和通信參數(shù)的配置；(2)實(shí)時(shí)顯示匯流箱電能參數(shù)、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在線情況以及匯流箱防雷器與斷路器的運(yùn)行狀態(tài)；(3)保存、查詢和修改監(jiān)測數(shù)據(jù)；(4)打印歷史數(shù)據(jù)。監(jiān)測平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)如圖9所示。
4 測試
為了驗(yàn)證本監(jiān)測系統(tǒng)的功能，搭建了模擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試。測試平臺(tái)包括5個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)模塊、1個(gè)邊界網(wǎng)關(guān)模塊、聯(lián)網(wǎng)的路由器以及1臺(tái)PC上位機(jī)，其中監(jiān)測節(jié)點(diǎn)使用電位器來模擬匯流箱電能參數(shù)。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)每隔一定時(shí)間采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至邊界網(wǎng)關(guān)，邊界網(wǎng)關(guān)接入路由器，PC上位機(jī)通過WiFi連接至路由器接收監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)。
4.1 端到端數(shù)據(jù)傳輸驗(yàn)證
通過sokit網(wǎng)絡(luò)測試工具，將PC配置為UDP服務(wù)器，IP地址配置為10.13.118.76，端口號(hào)為1000，并啟動(dòng)UDP偵聽。當(dāng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)連接成功后，sokit顯示監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)報(bào)文，對報(bào)文數(shù)據(jù)解析可得序號(hào)、數(shù)據(jù)長度、節(jié)點(diǎn)短地址、節(jié)點(diǎn)ID、功能碼和電壓值。測試結(jié)果表明，監(jiān)測端向服務(wù)器端傳送數(shù)據(jù)過程中，邊界網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)的通信。
4.2 上位機(jī)監(jiān)測平臺(tái)功能測試
為觀察方便，每個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上傳6組數(shù)據(jù)，包括5組電流數(shù)據(jù)和1組電壓數(shù)據(jù)。首先登錄并配置匯流箱監(jiān)測平臺(tái)，上位機(jī)監(jiān)測平臺(tái)啟動(dòng)服務(wù)器并連接至本地?cái)?shù)據(jù)庫，通信狀態(tài)顯示為正常連接，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，監(jiān)測平臺(tái)將其解析并存入數(shù)據(jù)庫，更新顯示列表，并可以通過查詢功能獲取數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，監(jiān)測平臺(tái)能夠穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確地工作。
5 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了以CC2530為硬件核心的6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)光伏匯流箱監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次簡單，且具備與IP網(wǎng)絡(luò)良好的兼容性。基于Contiki2.6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧完成了邊界網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)相互通信。基于C#.NET和SQL Sever2008開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)測平臺(tái)，具有良好的人機(jī)交互。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的6LoWPAN監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸、實(shí)時(shí)顯示和管理功能，滿足實(shí)際匯流箱監(jiān)測系統(tǒng)要求，具有較高應(yīng)用價(jià)值。
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作者信息：
張一豪，孫冬梅，沈玉成，曾 理
（南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京211816）