0 引言

    大型光伏電站系統中,，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],。傳統的有線匯流箱監(jiān)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(wěn)定性^[2]。

    6LoWPAN(IPv6 Low Power Wireless Personal Area Network)致力于將IEEE802.15.4與IPv6結合起來實現無線傳感網絡與IP網絡的無縫連接^[3],。6LoWPAN在歐美一些發(fā)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(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(jiān)測系統,，該系統具有組網靈活,、成本低、功耗小和通信穩(wěn)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(jiān)測系統設計

    基于6LoWPAN的光伏匯流箱監(jiān)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(jiān)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?？紤]到建立TCP傳輸方式“三次握手”連接對節(jié)點的開銷較大,，不適合用于傳感網絡6LoWPAN這種低速無線傳感網絡^[7]，并且匯流監(jiān)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(jiān)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(jiān)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(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(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(jiān)測節(jié)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(jiān)測節(jié)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(jiān)測系統軟件設計

    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,，實現了對數據報頭壓縮處理的方法。本設計監(jiān)測節(jié)點和邊界網關軟件實現均基于Contiki系統,?；贑#.NET和SQL Sever2008開發(fā)了系統監(jiān)測平臺，實現了上位機對匯流箱電能參數的實時監(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(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(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(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)測數據,；(4)打印歷史數據。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)測系統的功能,，搭建了模擬網絡進行測試。測試平臺包括5個監(jiān)測節(jié)點模塊,、1個邊界網關模塊,、聯網的路由器以及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,。監(jiān)測節(jié)點每隔一定時間采集數據并發(fā)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(jiān)測節(jié)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(jiān)測節(jié)點連接成功后,，sokit顯示監(jiān)測節(jié)點上傳的數據報文,，對報文數據解析可得序號、數據長度,、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(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(jiān)測平臺,，上位機監(jiān)測平臺啟動服務器并連接至本地數據庫,，通信狀態(tài)顯示為正常連接，當接收到數據后,，監(jiān)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(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無線傳感網絡光伏匯流箱監(jiān)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(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)測系統對數據的穩(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）