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，其運行穩(wěn)定程度是整個電站發(fā)電量效率的關鍵指標之一^[1]。傳統(tǒng)的有線匯流箱監(jiān)測系統(tǒng)需預先鋪設電纜，后期維護成本大、擴展性差，而且光伏電站存在著很強的共模干擾，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結合起來實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡與IP網(wǎng)絡的無縫連接^[3]。6LoWPAN在歐美一些發(fā)達國家已經(jīng)得到了非常廣泛的應用，美國國家電網(wǎng)公司將6LoWPAN制定為美國國家電網(wǎng)標準規(guī)范，思科、德州儀器等知名企業(yè)相繼推出了相應的硬件平臺。在無線傳感網(wǎng)絡領域的開源操作系統(tǒng)中，最著名的Contiki、TinyOS已經(jīng)實現(xiàn)了對6LoWPAN技術的支持^[4]。

    本文設計了一種基于6LoWPAN無線網(wǎng)絡技術的光伏匯流箱監(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，實現(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)設計

    基于6LoWPAN的光伏匯流箱監(jiān)測系統(tǒng)總體架構如圖1所示，按照標準物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的三層架構設計，分為傳感層、傳輸層及應用層。

    傳感層負責基于6LoWPAN技術組成一個無線傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)對匯流箱內(nèi)的電壓、電流參數(shù)和一些開關量的采集和上傳，并通過用戶協(xié)議以標準的IP數(shù)據(jù)包格式上傳給監(jiān)測平臺。其中邊界網(wǎng)關主要負責管理整個無線傳感網(wǎng)絡，保證傳感網(wǎng)絡與外界IP網(wǎng)絡正常通信。

    傳輸層采用傳統(tǒng)有線以太網(wǎng)方式傳輸?？紤]到建立TCP傳輸方式“三次握手”連接對節(jié)點的開銷較大，不適合用于傳感網(wǎng)絡6LoWPAN這種低速無線傳感網(wǎng)絡^[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苛，少量丟包并不會影響整個匯流箱內(nèi)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，因此傳輸層采用UDP傳輸協(xié)議。

    應用層主要是設計上位機監(jiān)測平臺，實現(xiàn)匯流箱電能參數(shù)的實時顯示、存儲、查詢，以及匯流箱設備的信息記錄等功能。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 監(jiān)測節(jié)點硬件設計

    監(jiān)測節(jié)點硬件平臺主要包含CC2530模塊、電源模塊、開關量監(jiān)測模塊、電壓電流采集模塊、串口調試模塊以及常規(guī)外圍電路。監(jiān)測節(jié)點硬件結構如圖2所示。

2.1.1 電源模塊

    監(jiān)測節(jié)點采用PV光伏組件自主供電，匯流箱輸出電壓可達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、電壓信號經(jīng)由霍爾傳感器輸出0～3.3 V電壓信號，通過一個RC濾波器和電壓跟隨器輸出待采集的模擬信號。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輸出端。

2.1.3 開關量監(jiān)測模塊

    開關量的監(jiān)測對象包括防雷器的失效狀態(tài)以及斷路器的開關狀態(tài)。防雷器的遙信端口、斷路器狀態(tài)信號線經(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)信號均為低電平，光耦輸出高電平；當防雷器感應雷擊、受損或者斷路器開斷時，光耦輸出高電平。圖5為開關量監(jiān)測電路。

2.2 6LoWPAN邊界網(wǎng)關硬件設計

    6LoWPAN邊界網(wǎng)關是連接6LoWPAN傳感網(wǎng)絡與IP網(wǎng)絡的橋梁，是6LoWPAN網(wǎng)絡的核心^[8]。本文所設計的邊界網(wǎng)關僅負責對6LoWPAN報文和以太網(wǎng)報文的相互轉換。邊界網(wǎng)關僅需承載數(shù)十個監(jiān)測節(jié)點，對數(shù)據(jù)的存儲也并沒有較高要求。綜合考慮性能和成本，邊界網(wǎng)關采用與監(jiān)測節(jié)點基本相同的硬件結構，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)絡芯片以及網(wǎng)絡變壓器HR911105A。網(wǎng)關結構如圖6所示。

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

    Contiki完全采用C語言開發(fā)，可移植性強，對硬件要求非常低^[9]。本設計所選用的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技術全面支持，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)報頭壓縮處理的方法。本設計監(jiān)測節(jié)點和邊界網(wǎng)關軟件實現(xiàn)均基于Contiki系統(tǒng)?；贑#.NET和SQL Sever2008開發(fā)了系統(tǒng)監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了上位機對匯流箱電能參數(shù)的實時監(jiān)測和管理。

3.1 監(jiān)測節(jié)點軟件設計

    在對Contiki協(xié)議棧層次框架和路由機制研究分析后，確定了監(jiān)測節(jié)點模塊的軟件框架分為驅動層、中間層和應用層。驅動層主要包括無線收發(fā)功能驅動，A/D采集驅動；中間層通過移植Contiki系統(tǒng)的6LoWPAN協(xié)議棧，實現(xiàn)傳感網(wǎng)絡通信；應用層完成數(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)點的軟件流程如圖7所示。

3.2 邊界網(wǎng)關軟件設計

    邊界網(wǎng)關需實現(xiàn)對傳感網(wǎng)絡的管理和保證與IP網(wǎng)絡通信，其軟件實現(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)絡均使用IPv4協(xié)議，為實現(xiàn)兩者相互兼容，本文通過分析Contiki原協(xié)議棧，調用其適配層協(xié)議棧相關接口函數(shù)對報文進行壓縮與解壓縮、分片與重組等處理工作，以實現(xiàn)IPv6/IPv4兼容。邊界網(wǎng)關軟件流程如圖8所示。

3.3 監(jiān)測平臺軟件設計

    本文使用C#.NET和SQL Server 2008軟件開發(fā)上位機監(jiān)測平臺。監(jiān)測平臺主要實現(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)實時顯示匯流箱電能參數(shù)、監(jiān)測節(jié)點在線情況以及匯流箱防雷器與斷路器的運行狀態(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)測平臺的功能結構如圖9所示。

4 測試

    為了驗證本監(jiān)測系統(tǒng)的功能，搭建了模擬網(wǎng)絡進行測試。測試平臺包括5個監(jiān)測節(jié)點模塊、1個邊界網(wǎng)關模塊、聯(lián)網(wǎng)的路由器以及1臺PC上位機，其中監(jiān)測節(jié)點使用電位器來模擬匯流箱電能參數(shù)。監(jiān)測節(jié)點每隔一定時間采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至邊界網(wǎng)關，邊界網(wǎng)關接入路由器，PC上位機通過WiFi連接至路由器接收監(jiān)測節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)。

4.1 端到端數(shù)據(jù)傳輸驗證

    通過sokit網(wǎng)絡測試工具，將PC配置為UDP服務器，IP地址配置為10.13.118.76，端口號為1000，并啟動UDP偵聽。當監(jiān)測節(jié)點連接成功后，sokit顯示監(jiān)測節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)報文，對報文數(shù)據(jù)解析可得序號、數(shù)據(jù)長度、節(jié)點短地址、節(jié)點ID、功能碼和電壓值。測試結果表明，監(jiān)測端向服務器端傳送數(shù)據(jù)過程中，邊界網(wǎng)關實現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡與IP網(wǎng)絡的通信。

4.2 上位機監(jiān)測平臺功能測試

    為觀察方便，每個監(jiān)測節(jié)點上傳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，上位機監(jiān)測平臺啟動服務器并連接至本地數(shù)據(jù)庫，通信狀態(tài)顯示為正常連接，當接收到數(shù)據(jù)后，監(jiān)測平臺將其解析并存入數(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)。測試結果表明，監(jiān)測平臺能夠穩(wěn)定、可靠、準確地工作。

5 結論

    本文設計了以CC2530為硬件核心的6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡光伏匯流箱監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)網(wǎng)絡層次簡單，且具備與IP網(wǎng)絡良好的兼容性?；贑ontiki2.6網(wǎng)絡協(xié)議棧完成了邊界網(wǎng)關的設計，實現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡與IP網(wǎng)絡相互通信?；贑#.NET和SQL Sever2008開發(fā)了上位機監(jiān)測平臺，具有良好的人機交互。實驗結果驗證了所設計的6LoWPAN監(jiān)測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸、實時顯示和管理功能，滿足實際匯流箱監(jiān)測系統(tǒng)要求，具有較高應用價值。

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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 電氣工程與控制科學學院，江蘇 南京211816）