《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于6LoWPAN的光伏匯流箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
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
摘要: 針對(duì)傳統(tǒng)匯流箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線復(fù)雜、可擴(kuò)展性差和成本高等缺點(diǎn),,以TI公司的CC2530作為硬件核心平臺(tái),,設(shè)計(jì)了一套基于6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的光伏匯流箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過C#.NET和SQL Sever2008開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái),。該匯流箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有免布線,、低成本和人機(jī)交互流暢等優(yōu)點(diǎn)。搭建了一個(gè)包含5個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),、1個(gè)邊界網(wǎng)關(guān)和一臺(tái)PC服務(wù)器的測(cè)試網(wǎng)絡(luò),。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該6LoWPAN監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)匯流箱電能參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理,,其可靠性和穩(wěn)定性能夠滿足光伏匯流箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求,,具有較高應(yīng)用價(jià)值。
中圖分類號(hào): TN923
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(cè)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.
The design of photovoltaic junction box monitoring system based on 6LoWPAN
Zhang Yihao,,Sun Dongmei,Shen Yucheng,,Zeng Li
School of Electrical Engineering and Control Science,,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,,China
Abstract: In view of the shortcomings of traditional photovoltaic junction box monitoring system, such as complicated wiring, poor scalability, high cost and so on, this paper designs a photovoltaic junction box monitoring system based on 6LoWPAN wireless sensor network technology with the CC2530 of TI company as the core hardware platform,and develops the PC monitoring platform through the C#.NET and SQL Server 2008. The monitoring system has the advantages of free wiring, low cast, great human-computer interaction and so on. A network including 5 monitoring nodes, 1 border gateway and a PC server is created to evaluate the performance of the monitoring system, and the experiment result shows that the 6LoWPAN monitoring system achieves real-time monitoring and management of power parameters in junction box, whose reliability and stability can meet the requirements of photovoltaic junction box monitoring system, and has high application value.
Key words : 6LoWPAN,;photovoltaic junction box monitor;Contiki,;border router

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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    基于6LoWPAN的光伏匯流箱監(jiān)測(cè)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,。

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    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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)系統(tǒng)是輔助系統(tǒng),對(duì)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(cè),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(cè)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(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

    監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

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2.1.1 電源模塊

    監(jiān)測(cè)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。

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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(cè)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,。

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2.1.3 開關(guān)量監(jiān)測(cè)模塊

    開關(guān)量的監(jiān)測(cè)對(duì)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(cè)電路。

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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(duì)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(cè)節(jié)點(diǎn),,對(duì)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(cè)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,。

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3 監(jiān)測(cè)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(duì)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(duì)硬件的開發(fā)要求,。本文采用Contiki2.6版本,此版本已對(duì)6LoWPAN技術(shù)全面支持,,實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)頭壓縮處理的方法,。本設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和邊界網(wǎng)關(guān)軟件實(shí)現(xiàn)均基于Contiki系統(tǒng)?;贑#.NET和SQL Sever2008開發(fā)了系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái),,實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì)匯流箱電能參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理。

3.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

    在對(duì)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(cè)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(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖7所示,。

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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(duì)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(duì)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。

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3.3 監(jiān)測(cè)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(cè)平臺(tái),。監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù),;(4)打印歷史數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)如圖9所示。

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4 測(cè)試

    為了驗(yàn)證本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能,,搭建了模擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試,。測(cè)試平臺(tái)包括5個(gè)監(jiān)測(cè)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(cè)節(jié)點(diǎn)使用電位器來模擬匯流箱電能參數(shù)。監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)節(jié)點(diǎn)連接成功后,sokit顯示監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)報(bào)文,,對(duì)報(bào)文數(shù)據(jù)解析可得序號(hào),、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、節(jié)點(diǎn)短地址,、節(jié)點(diǎn)ID,、功能碼和電壓值。測(cè)試結(jié)果表明,,監(jiān)測(cè)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(cè)平臺(tái)功能測(cè)試

    為觀察方便,,每個(gè)監(jiān)測(cè)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(cè)平臺(tái),,上位機(jī)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果表明,,監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng),。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次簡(jiǎn)單,且具備與IP網(wǎng)絡(luò)良好的兼容性,?;贑ontiki2.6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,?;贑#.NET和SQL Sever2008開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)對(duì)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(cè)系統(tǒng)要求,,具有較高應(yīng)用價(jià)值,。

參考文獻(xiàn)

[1] 于仝,王濤.基于Web的大型光伏電站匯流箱遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[C]//中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)電力信息化專業(yè)委員會(huì),、國網(wǎng)信息通信有限公司.2013電力行業(yè)信息化年會(huì)論文集,,2013.

[2] 馬立軍.基于ARM7與CC2530的光伏匯流箱的設(shè)計(jì)[C]//中國計(jì)量協(xié)會(huì)冶金分會(huì).中國計(jì)量協(xié)會(huì)冶金分會(huì)2012年會(huì)論文集,2012.

[3] 田廣東,,葉鑫.基于Contiki的6LoWPAN邊界路由器的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,42(3):61-63,,70.

[4] BOUAZIZ M,,RACHEDI A.A survey on mobility management protocols in Wireless Sensor Networks based on 6LoWPAN technology[J].Computer Communications,2016,,74 (1):3-15.

[5] PARK Y K,,DINH N T,KIM Y.A network monitoring system in 6LoWPAN networks[C].International Conference on Communications & Electronics.2012:69-73.

[6] WANG H,,WANG B G,,ZHAO S Q,et al.Design and implementation of IPv6 border router for wireless sensor networks[J]. Advanced Materials Research,,2014,,989-994:4737-4741.

[7] 耿道渠,李小龍,,代富江,,等.6LoWPAN子網(wǎng)接入(IPv4)Internet的研究與實(shí)現(xiàn)[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(5):931-936.

[8] 張弓,,周衛(wèi)星,,魏燕達(dá),等.基于6LoWPAN的智能電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù),,2014(12):113-116.

[9] 陳克濤,,張海輝,,張永猛,等.基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),,2014(5):183-188.

[10] 李枝琴,宋勐翔,,王慧鋒.基于6LoWPAN的教室燈光監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),,2016(S1):210-214.



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)

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