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200V~1000V，而主控芯片和其他外围电路电压为3.3V和5V，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DC12V，并通过LM2576S-5.0和TPS7A7001电源芯片将12V电压依次压降到5V和3.3V。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0~20A和0~1500V。电流、电压信号经由霍尔传感器输出0～3.3V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。
2.26LoWPAN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SQLSever2008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
3.3监测平台软件设计
4测试
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
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SQLSever2008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.
[4]BOUAZIZM，RACHEDIA.AsurveyonmobilitymanagementprotocolsinWirelessSensorNetworksbasedon6LoWPANtechnology[J].ComputerCommunications，2016，74(1)：3-15.
[5]PARKYK，DINHNT，KIMY.Anetworkmonitoringsystemin6LoWPANnetworks[C].InternationalConferenceonCommunications&Electronics.2012：69-73.
[6]WANGH，WANGBG，ZHAOSQ，etal.DesignandimplementationofIPv6borderrouterforwirelesssensornetworks[J].AdvancedMaterialsResearch，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）