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.
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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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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）