文獻標識碼： 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的光伏匯流箱監測系統設計[J].電子技術應用，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
大型光伏電站系統中，直流匯流箱是最基本的發電單位，其運行穩定程度是整個電站發電量效率的關鍵指標之一[1]。傳統的有線匯流箱監測系統需預先鋪設電纜，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結合起來實現無線傳感網絡與IP網絡的無縫連接[3]。6LoWPAN在歐美一些發達國家已經得到了非常廣泛的應用，美國國家電網公司將6LoWPAN制定為美國國家電網標準規范，思科、德州儀器等知名企業相繼推出了相應的硬件平臺。在無線傳感網絡領域的開源操作系統中，最著名的Contiki、TinyOS已經實現了對6LoWPAN技術的支持[4]。
本文設計了一種基于6LoWPAN無線網絡技術的光伏匯流箱監測系統，該系統具有組網靈活、成本低、功耗小和通信穩定等特點，實現了匯流箱電能參數的無線采集。
1 光伏匯流箱無線監測系統設計
基于6LoWPAN的光伏匯流箱監測系統總體架構如圖1所示，按照標準物聯網系統的三層架構設計，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絡，實現對匯流箱內的電壓、電流參數和一些開關量的采集和上傳，并通過用戶協議以標準的IP數據包格式上傳給監測平臺。其中邊界網關主要負責管理整個無線傳感網絡，保證傳感網絡與外界IP網絡正常通信。
傳輸層采用傳統有線以太網方式傳輸。考慮到建立TCP傳輸方式“三次握手”連接對節點的開銷較大，不適合用于傳感網絡6LoWPAN這種低速無線傳感網絡[7]，并且匯流監測系統是輔助系統，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數據的監測，因此傳輸層采用UDP傳輸協議。
應用層主要是設計上位機監測平臺，實現匯流箱電能參數的實時顯示、存儲、查詢，以及匯流箱設備的信息記錄等功能。
2 系統硬件設計
2.1 監測節點硬件設計
監測節點硬件平臺主要包含CC2530模塊、電源模塊、開關量監測模塊、電壓電流采集模塊、串口調試模塊以及常規外圍電路。監測節點硬件結構如圖2所示。
2.1.1 電源模塊
監測節點采用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為數據采集電路，AO為電流或者電壓霍爾傳感器信號輸出端。
2.1.3 開關量監測模塊
開關量的監測對象包括防雷器的失效狀態以及斷路器的開關狀態。防雷器的遙信端口、斷路器狀態信號線經光耦器件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為開關量監測電路。
2.2 6LoWPAN邊界網關硬件設計
6LoWPAN邊界網關是連接6LoWPAN傳感網絡與IP網絡的橋梁，是6LoWPAN網絡的核心[8]。本文所設計的邊界網關僅負責對6LoWPAN報文和以太網報文的相互轉換。邊界網關僅需承載數十個監測節點，對數據的存儲也并沒有較高要求。綜合考慮性能和成本，邊界網關采用與監測節點基本相同的硬件結構，不同之處在于去掉了數據采集電路，增加了以太網模塊。其中以太網模塊采用集成MAC和PHY的ENC28J60網絡芯片以及網絡變壓器HR911105A。網關結構如圖6所示。
3 監測系統軟件設計
Contiki完全采用C語言開發，可移植性強，對硬件要求非常低[9]。本設計所選用的CC2530芯片足以滿足系統對硬件的開發要求。本文采用Contiki2.6版本，此版本已對6LoWPAN技術全面支持，實現了對數據報頭壓縮處理的方法。本設計監測節點和邊界網關軟件實現均基于Contiki系統。基于C#.NET和SQL Sever2008開發了系統監測平臺，實現了上位機對匯流箱電能參數的實時監測和管理。
3.1 監測節點軟件設計
在對Contiki協議棧層次框架和路由機制研究分析后，確定了監測節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功能驅動，A/D采集驅動；中間層通過移植Contiki系統的6LoWPAN協議棧，實現傳感網絡通信；應用層完成數據的采集、濾波、上傳以及執行接收到的命令。監測節點的軟件流程如圖7所示。
3.2 邊界網關軟件設計
邊界網關需實現對傳感網絡的管理和保證與IP網絡通信，其軟件實現主要基于Contiki協議棧。由于6LoWPAN是面向IPv6協議的，而IP網絡均使用IPv4協議，為實現兩者相互兼容，本文通過分析Contiki原協議棧，調用其適配層協議棧相關接口函數對報文進行壓縮與解壓縮、分片與重組等處理工作，以實現IPv6/IPv4兼容。邊界網關軟件流程如圖8所示。
3.3 監測平臺軟件設計
本文使用C#.NET和SQL Server 2008軟件開發上位機監測平臺。監測平臺主要實現以下功能：(1)系統配置，包括用戶登錄信息和通信參數的配置；(2)實時顯示匯流箱電能參數、監測節點在線情況以及匯流箱防雷器與斷路器的運行狀態；(3)保存、查詢和修改監測數據；(4)打印歷史數據。監測平臺的功能結構如圖9所示。
4 測試
為了驗證本監測系統的功能，搭建了模擬網絡進行測試。測試平臺包括5個監測節點模塊、1個邊界網關模塊、聯網的路由器以及1臺PC上位機，其中監測節點使用電位器來模擬匯流箱電能參數。監測節點每隔一定時間采集數據并發送至邊界網關，邊界網關接入路由器，PC上位機通過WiFi連接至路由器接收監測節點上傳的數據。
4.1 端到端數據傳輸驗證
通過sokit網絡測試工具，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。當監測節點連接成功后，sokit顯示監測節點上傳的數據報文，對報文數據解析可得序號、數據長度、節點短地址、節點ID、功能碼和電壓值。測試結果表明，監測端向服務器端傳送數據過程中，邊界網關實現了傳感網絡與IP網絡的通信。
4.2 上位機監測平臺功能測試
為觀察方便，每個監測節點上傳6組數據，包括5組電流數據和1組電壓數據。首先登錄并配置匯流箱監測平臺，上位機監測平臺啟動服務器并連接至本地數據庫，通信狀態顯示為正常連接，當接收到數據后，監測平臺將其解析并存入數據庫，更新顯示列表，并可以通過查詢功能獲取數據。測試結果表明，監測平臺能夠穩定、可靠、準確地工作。
5 結論
本文設計了以CC2530為硬件核心的6LoWPAN無線傳感網絡光伏匯流箱監測系統。系統網絡層次簡單，且具備與IP網絡良好的兼容性。基于Contiki2.6網絡協議棧完成了邊界網關的設計，實現了傳感網絡與IP網絡相互通信。基于C#.NET和SQL Sever2008開發了上位機監測平臺，具有良好的人機交互。實驗結果驗證了所設計的6LoWPAN監測系統對數據的穩定傳輸、實時顯示和管理功能，滿足實際匯流箱監測系統要求，具有較高應用價值。
參考文獻
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作者信息：
張一豪，孫冬梅，沈玉成，曾 理
（南京工業大學 電氣工程與控制科學學院，江蘇 南京211816）