《电子技术应用》

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.

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。

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    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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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

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[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.

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[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.



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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)

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