《电子技术应用》
您所在的位置:首页 > 嵌入式技术 > 设计应用 > 基于6LoWPAN的光伏汇流箱监测系统设计
基于6LoWPAN的光伏汇流箱监测系统设计
2017年电子技术应用第12期
张一豪,孙冬梅,沈玉成,曾 理
南京工业大学 电气工程与控制科学学院,江苏 南京211816
摘要: 针对传统汇流箱监测系统布线复杂、可扩展性差和成本高等缺点,以TI公司的CC2530作为硬件核心平台,设计了一套基于6LoWPAN无线传感网络技术的光伏汇流箱监测系统,通过C#.NET和SQL Sever2008开发了上位机监测平台。该汇流箱监测系统具有免布线、低成本和人机交互流畅等优点。搭建了一个包含5个监测节点、1个边界网关和一台PC服务器的测试网络。实验结果表明,该6LoWPAN监测系统实现了对汇流箱电能参数的实时监测和管理,其可靠性和稳定性能够满足光伏汇流箱监测系统的要求,具有较高应用价值。
中图分类号: TN923
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171702
中文引用格式: 张一豪,孙冬梅,沈玉成,等. 基于6LoWPAN的光伏汇流箱监测系统设计[J].电子技术应用,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

    大型光伏电站系统中,直流汇流箱是最基本的发电单位,其运行稳定程度是整个电站发电量效率的关键指标之一[1]。传统的有线汇流箱监测系统需预先铺设电缆,后期维护成本大、扩展性差,而且光伏电站存在着很强的共模干扰,极大影响了有线通信的稳定性[2]

    6LoWPAN(IPv6 Low Power Wireless Personal Area Network)致力于将IEEE802.15.4与IPv6结合起来实现无线传感网络与IP网络的无缝连接[3]。6LoWPAN在欧美一些发达国家已经得到了非常广泛的应用,美国国家电网公司将6LoWPAN制定为美国国家电网标准规范,思科、德州仪器等知名企业相继推出了相应的硬件平台。在无线传感网络领域的开源操作系统中,最著名的Contiki、TinyOS已经实现了对6LoWPAN技术的支持[4]

    本文设计了一种基于6LoWPAN无线网络技术的光伏汇流箱监测系统,该系统具有组网灵活、成本低、功耗小和通信稳定等特点,实现了汇流箱电能参数的无线采集。

1 光伏汇流箱无线监测系统设计

    基于6LoWPAN的光伏汇流箱监测系统总体架构如图1所示,按照标准物联网系统的三层架构设计,分为传感层、传输层及应用层。

qrs4-t1.gif

    传感层负责基于6LoWPAN技术组成一个无线传感网络,实现对汇流箱内的电压、电流参数和一些开关量的采集和上传,并通过用户协议以标准的IP数据包格式上传给监测平台。其中边界网关主要负责管理整个无线传感网络,保证传感网络与外界IP网络正常通信。

    传输层采用传统有线以太网方式传输。考虑到建立TCP传输方式“三次握手”连接对节点的开销较大,不适合用于传感网络6LoWPAN这种低速无线传感网络[7],并且汇流监测系统是辅助系统,对丢包率的要求并不严苛,少量丢包并不会影响整个汇流箱内数据的监测,因此传输层采用UDP传输协议。

    应用层主要是设计上位机监测平台,实现汇流箱电能参数的实时显示、存储、查询,以及汇流箱设备的信息记录等功能。

2 系统硬件设计

2.1 监测节点硬件设计

    监测节点硬件平台主要包含CC2530模块、电源模块、开关量监测模块、电压电流采集模块、串口调试模块以及常规外围电路。监测节点硬件结构如图2所示。

qrs4-t2.gif

2.1.1 电源模块

    监测节点采用PV光伏组件自主供电,汇流箱输出电压可达200 V~1 000 V,而主控芯片和其他外围电路电压为3.3 V和5 V,因此选用PT15-500S12光伏专用电源模块,将汇流箱输出电压转换为DC12 V,并通过LM2576S-5.0和TPS7A7001电源芯片将12 V电压依次压降到5 V和3.3 V。转换电路如图3所示。

qrs4-t3.gif

2.1.2 电流电压采集模块

    本文所选霍尔电流、电压传感器分别为南京信瑞谱传感技术有限公司CHCS-LSP3-10A 系列和CHVS-AS3.3系列,其测量范围分别为0~20 A和0~1 500 V。电流、电压信号经由霍尔传感器输出0~3.3 V电压信号,通过一个RC滤波器和电压跟随器输出待采集的模拟信号。图4为数据采集电路,AO为电流或者电压霍尔传感器信号输出端。

qrs4-t4.gif

2.1.3 开关量监测模块

    开关量的监测对象包括防雷器的失效状态以及断路器的开关状态。防雷器的遥信端口、断路器状态信号线经光耦器件TLP521隔离后与主芯片相连,正常情况下防雷器的遥信端口、断路器状态信号均为低电平,光耦输出高电平;当防雷器感应雷击、受损或者断路器开断时,光耦输出高电平。图5为开关量监测电路。

qrs4-t5.gif

2.2 6LoWPAN边界网关硬件设计

    6LoWPAN边界网关是连接6LoWPAN传感网络与IP网络的桥梁,是6LoWPAN网络的核心[8]。本文所设计的边界网关仅负责对6LoWPAN报文和以太网报文的相互转换。边界网关仅需承载数十个监测节点,对数据的存储也并没有较高要求。综合考虑性能和成本,边界网关采用与监测节点基本相同的硬件结构,不同之处在于去掉了数据采集电路,增加了以太网模块。其中以太网模块采用集成MAC和PHY的ENC28J60网络芯片以及网络变压器HR911105A。网关结构如图6所示。

qrs4-t6.gif

3 监测系统软件设计

    Contiki完全采用C语言开发,可移植性强,对硬件要求非常低[9]。本设计所选用的CC2530芯片足以满足系统对硬件的开发要求。本文采用Contiki2.6版本,此版本已对6LoWPAN技术全面支持,实现了对数据报头压缩处理的方法。本设计监测节点和边界网关软件实现均基于Contiki系统。基于C#.NET和SQL Sever2008开发了系统监测平台,实现了上位机对汇流箱电能参数的实时监测和管理。

3.1 监测节点软件设计

    在对Contiki协议栈层次框架和路由机制研究分析后,确定了监测节点模块的软件框架分为驱动层、中间层和应用层。驱动层主要包括无线收发功能驱动,A/D采集驱动;中间层通过移植Contiki系统的6LoWPAN协议栈,实现传感网络通信;应用层完成数据的采集、滤波、上传以及执行接收到的命令。监测节点的软件流程如图7所示。

qrs4-t7.gif

3.2 边界网关软件设计

    边界网关需实现对传感网络的管理和保证与IP网络通信,其软件实现主要基于Contiki协议栈。由于6LoWPAN是面向IPv6协议的,而IP网络均使用IPv4协议,为实现两者相互兼容,本文通过分析Contiki原协议栈,调用其适配层协议栈相关接口函数对报文进行压缩与解压缩、分片与重组等处理工作,以实现IPv6/IPv4兼容。边界网关软件流程如图8所示。

qrs4-t8.gif

3.3 监测平台软件设计

    本文使用C#.NET和SQL Server 2008软件开发上位机监测平台。监测平台主要实现以下功能:(1)系统配置,包括用户登录信息和通信参数的配置;(2)实时显示汇流箱电能参数、监测节点在线情况以及汇流箱防雷器与断路器的运行状态;(3)保存、查询和修改监测数据;(4)打印历史数据。监测平台的功能结构如图9所示。

qrs4-t9.gif

4 测试

    为了验证本监测系统的功能,搭建了模拟网络进行测试。测试平台包括5个监测节点模块、1个边界网关模块、联网的路由器以及1台PC上位机,其中监测节点使用电位器来模拟汇流箱电能参数。监测节点每隔一定时间采集数据并发送至边界网关,边界网关接入路由器,PC上位机通过WiFi连接至路由器接收监测节点上传的数据。

4.1 端到端数据传输验证

    通过sokit网络测试工具,将PC配置为UDP服务器,IP地址配置为10.13.118.76,端口号为1000,并启动UDP侦听。当监测节点连接成功后,sokit显示监测节点上传的数据报文,对报文数据解析可得序号、数据长度、节点短地址、节点ID、功能码和电压值。测试结果表明,监测端向服务器端传送数据过程中,边界网关实现了传感网络与IP网络的通信。

4.2 上位机监测平台功能测试

    为观察方便,每个监测节点上传6组数据,包括5组电流数据和1组电压数据。首先登录并配置汇流箱监测平台,上位机监测平台启动服务器并连接至本地数据库,通信状态显示为正常连接,当接收到数据后,监测平台将其解析并存入数据库,更新显示列表,并可以通过查询功能获取数据。测试结果表明,监测平台能够稳定、可靠、准确地工作。

5 结论

    本文设计了以CC2530为硬件核心的6LoWPAN无线传感网络光伏汇流箱监测系统。系统网络层次简单,且具备与IP网络良好的兼容性。基于Contiki2.6网络协议栈完成了边界网关的设计,实现了传感网络与IP网络相互通信。基于C#.NET和SQL Sever2008开发了上位机监测平台,具有良好的人机交互。实验结果验证了所设计的6LoWPAN监测系统对数据的稳定传输、实时显示和管理功能,满足实际汇流箱监测系统要求,具有较高应用价值。

参考文献

[1] 于仝,王涛.基于Web的大型光伏电站汇流箱远程监测及数据分析系统[C]//中国电机工程学会电力信息化专业委员会、国网信息通信有限公司.2013电力行业信息化年会论文集,2013.

[2] 马立军.基于ARM7与CC2530的光伏汇流箱的设计[C]//中国计量协会冶金分会.中国计量协会冶金分会2012年会论文集,2012.

[3] 田广东,叶鑫.基于Contiki的6LoWPAN边界路由器的设计[J].电子技术应用,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,李小龙,代富江,等.6LoWPAN子网接入(IPv4)Internet的研究与实现[J].四川大学学报(自然科学版),2014(5):931-936.

[8] 张弓,周卫星,魏燕达,等.基于6LoWPAN的智能电网监测系统设计[J].信息技术,2014(12):113-116.

[9] 陈克涛,张海辉,张永猛,等.基于CC2530的无线传感器网络网关节点的设计[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2014(5):183-188.

[10] 李枝琴,宋勐翔,王慧锋.基于6LoWPAN的教室灯光监控系统设计[J].华中科技大学学报(自然科学版),2016(S1):210-214.



作者信息:

张一豪,孙冬梅,沈玉成,曾  理

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院,江苏 南京211816)