6LoWPAN協(xié)議在電力物聯(lián)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

徐 妍，單 華，李 澄，李春鵬，鐘巍峰，蔣 峰

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211100)

0 引言

伴隨國民經(jīng)濟不斷發(fā)展，用電需求也處于持續(xù)增長趨勢，電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴增，導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量如雨后春筍般快速增加[1-2]。為加強對數(shù)量龐大電網(wǎng)設(shè)備的監(jiān)控、管理以及維護，電網(wǎng)公司研究了一系列管理系統(tǒng)，主要采用GPRS、3G等無線組網(wǎng)技術(shù)進行電網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，但存在成本高、網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果差、對運營商依賴程度強等不足之處[3]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展有效改善了這一現(xiàn)狀，物聯(lián)網(wǎng)可將互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)等作為信息載體，可實現(xiàn)獨立尋址的普通物理對象間的互通，通過構(gòu)建物物相連的互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，對海量電網(wǎng)設(shè)備實施統(tǒng)一入網(wǎng)管理[4-6]。藍牙、Zigbee、6LoWPAN、LoRa均屬于低功耗物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)。其中6LoWPAN協(xié)議是基于IPv6的無線個域網(wǎng)技術(shù)，為短距離通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用IPv6技術(shù)提供支撐。為此本文以具有自主網(wǎng)關(guān)功能的6LoWPAN協(xié)議為研究對象，利用其低功耗、低成本、易維護等特點，在保障電力行業(yè)安全規(guī)范，電網(wǎng)穩(wěn)定運行基礎(chǔ)上，研究其在電力物聯(lián)系統(tǒng)中的應(yīng)用[7]。

1 6LoWPAN協(xié)議在電力物聯(lián)系統(tǒng)應(yīng)用

1.1 6LoWPAN原理

6LoWPAN技術(shù)是一種有效融合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)以及嵌入式技術(shù)的無線自主網(wǎng)技術(shù)[8]。6LoWPAN技術(shù)與Zigbee技術(shù)相同之處在于，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層均使用IEE802.15.4規(guī)定的物理層PHY和子層MAC；6LoWPAN不同于Zigbee技術(shù)之處在于，6LoWPAN技術(shù)采用IETF規(guī)定的IPv6設(shè)計網(wǎng)絡(luò)層。因此6LoWPAN是在以IEE802.15.4為底層加入IPv6的無線域網(wǎng)協(xié)議[9-11]。6LoWPAN的PHY層和MAC層是以IEE802.15.4為規(guī)范，網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議，結(jié)合IEE802.15.4的低成本、低功耗、多拓撲特點和IPv6龐大的地址空間優(yōu)勢，對規(guī)模大、密度高的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)布設(shè)很有幫助[12]。

在802.15.4協(xié)議上完成IPv6的支持是6LoWPAN協(xié)議的核心；通過在IPv6網(wǎng)絡(luò)層和802.15.4MAC層之間加入適配層實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中任意節(jié)點均可與IPv6網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實施數(shù)據(jù)交互是6LoWPAN協(xié)議的主要內(nèi)容[13]。6LoWPAN協(xié)議組網(wǎng)相比于其它物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)優(yōu)勢在于：

1)普及性強?；贗Pv6協(xié)議的6LoWPAN協(xié)議是通過邊界路由與電力專網(wǎng)相連接，完成點對點的數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，操作簡單，具備較強普及性。

2)龐大地址空間?；贗Pv6協(xié)議的6LoWPAN協(xié)議通信網(wǎng)絡(luò)可以提供龐大地址空間，迎合配電網(wǎng)中海量設(shè)備組網(wǎng)需求，該優(yōu)勢是其它物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無法相提并論的[14]。

3)容易開發(fā)。目前基于IPv6協(xié)議的框架技術(shù)已然成熟，運用時只需實際應(yīng)用需求適當(dāng)調(diào)整便可，極大程度縮減開發(fā)難度。

1.2 設(shè)計方案

由于IEE802.15.4目前底層技術(shù)的最佳之選，為此依據(jù)IEE802.15.4特點，提出Zigbee和6LoWPAN在其上應(yīng)用規(guī)范的最佳實現(xiàn)形式[15-16]，基于IEE802.15.4的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議如表1 所示。

表1 基于IEE802.15.4的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

由于物聯(lián)網(wǎng)上的節(jié)點數(shù)量龐大，且經(jīng)Internet連接后可實現(xiàn)節(jié)點間有效互通互聯(lián)。因此，物聯(lián)網(wǎng)可利用IP協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，實現(xiàn)自身與其余IP設(shè)備間的互操作。為便于同網(wǎng)關(guān)間相連，物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部節(jié)點也應(yīng)該采用IP協(xié)議。而在IEE802.15.4的MAC層上建立Ipv6協(xié)議棧，促進物聯(lián)網(wǎng)與Ipv6 Internet平滑相連便是6LoWPAN的終極目標[17]。

為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與Ipv6 Internet互聯(lián)，提出總體設(shè)計方案如圖1所示。采用雙協(xié)議棧網(wǎng)關(guān)設(shè)計該協(xié)議中間，一側(cè)為Ipv6網(wǎng)絡(luò)、另一側(cè)為物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點共同形成的網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)關(guān)完成兩種網(wǎng)絡(luò)之間的信息交互。

圖1 雙協(xié)議棧網(wǎng)關(guān)圖

本方案中的節(jié)點包括設(shè)備節(jié)點和輔助節(jié)點兩種，其中利用熱拔插方式直接安裝配網(wǎng)設(shè)備上，有設(shè)備實施供電的節(jié)點被稱為設(shè)備節(jié)點；利用電池供電方式供電，功能與互聯(lián)網(wǎng)的中繼器類似，且布設(shè)于兩個距離較遠的配電網(wǎng)設(shè)備間的節(jié)點被稱之為輔助節(jié)點[8]。6LoWPAN協(xié)議在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用受節(jié)點數(shù)目影響，節(jié)點數(shù)目越多，網(wǎng)絡(luò)時延越大。為此將電力物聯(lián)系統(tǒng)的節(jié)點數(shù)量控制在1 000以內(nèi)，若節(jié)點數(shù)量超過1 000，則依據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際分布情況適當(dāng)擴增路由器數(shù)量，有效保障各個節(jié)點與路由器之間的最大跳數(shù)不會超過500。確保跳數(shù)未達到500時，網(wǎng)絡(luò)延時控制在1秒內(nèi)，丟包率控制在1%內(nèi)[18]。

1.3 6LoWPAN適配層

由于IEE802.15.4的MAC層的81個字節(jié)遠達不到Ipv6協(xié)議對MAC層的MTU(最大輸出單元)的1 280字節(jié)的需求，同時Ipv6協(xié)議還設(shè)定了在達不到這一需求時，需要對Ipv6透明的MAC層負載實施拆分和重組。為此需要在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層之間增設(shè)一個網(wǎng)絡(luò)適配層，完成兩個層次間的無縫連接[19]。以便利用6LoWPAN的適配層完成報頭壓縮、分片與重組以及網(wǎng)絡(luò)路由狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)等工作，有效解決IEE802.15.4的MAC層不能滿足Ipv6需求這一現(xiàn)狀。

由于IEE802.15.4的MAC層的81個字節(jié)，去除報頭所占的40個字節(jié)后，僅剩余41個字節(jié)空間給傳輸層報文使用，如果傳輸層采用UDP報文則會額外占用8個字節(jié)，最后留給傳輸應(yīng)用層數(shù)據(jù)的空間僅為33個字節(jié)，傳輸效率十分低下，為此，采用包頭壓縮技術(shù)對適配層中的冗余報頭壓縮十分必要。

6LoWPAN報頭壓縮基本思想如下：

1)完全壓縮報頭連接過程中維持不變的域。

2)壓縮報頭中預(yù)先了解的域和變化中的域。

3)壓縮報頭中可通過鏈路層提前獲知的域。

4)基于報頭中存在有條件或可選域，取出報頭中的特定應(yīng)用。

詳細壓縮如表2所示。

表2 6LoWPAN對Ipv6的報頭壓縮

通過將Ipv6數(shù)據(jù)報文壓縮至127字節(jié)以內(nèi)并且確保一次性傳輸完畢，解決電力物聯(lián)系統(tǒng)的網(wǎng)點密度高、單次傳輸數(shù)據(jù)量少問題，有效提升網(wǎng)絡(luò)延時，降低丟包率。壓縮時通過修剪Ipv6數(shù)據(jù)包，去除冗余數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)壓縮率控制在75字節(jié)左右，并且無需進行分片處理，直接利用網(wǎng)狀路由實施數(shù)據(jù)傳輸，大大提升數(shù)據(jù)傳輸效率，以便實現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)各項監(jiān)控相關(guān)指標要求[20-22]。

1.4 感知節(jié)點與Ipv6節(jié)點信息交互

感知節(jié)點與Ipv6節(jié)點間的信息交互時，Ipv6會先向感知節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)采集請求數(shù)據(jù)包，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)時，網(wǎng)關(guān)會精簡壓縮Ipv6的請求數(shù)據(jù)包，并依據(jù)Ipv6報文實際需求采用對應(yīng)的適配層報頭將精簡過的Ipv6報頭封裝成IEEE802.15.4幀，并利用網(wǎng)狀路由將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕烁兄?jié)點[23]。感知節(jié)點對Ipv6報文的服務(wù)請求進行處理后，利用精簡完成的Ipv6報文頭部封裝響應(yīng)數(shù)據(jù)為IEEE802.15.4幀后傳輸出去；傳輸完成后，遵循適配層報頭信息重組傳回的Ipv6報文信息，還原壓縮的Ipv6報頭信息。最后將完整的Ipv6報文信息封裝于Ipv6網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的鏈路層幀中，傳輸至Ipv6網(wǎng)上，Ipv6網(wǎng)絡(luò)依據(jù)Ipv6路由方式將該幀傳輸?shù)皆垂?jié)點，完成一次數(shù)據(jù)傳輸。

1.5 低功耗設(shè)計

通過使用專用無線低功耗控制器的型號為CC1310無線MCU，在有效確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和靈敏度基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)低功耗收發(fā)。設(shè)備節(jié)點在未使用時均處于休眠狀態(tài)，以便降低功耗，當(dāng)設(shè)備節(jié)點收到其余節(jié)點輸出的數(shù)據(jù)時，芯片會自動解除休眠狀態(tài)，被喚醒執(zhí)行相應(yīng)數(shù)據(jù)操作。輔助節(jié)點作為配電網(wǎng)設(shè)備間的數(shù)據(jù)中繼站，無需實施數(shù)據(jù)傳輸，所需功耗極低[24]。為了給設(shè)備布設(shè)提供便利條件，供電均采用紐扣電池方式，可提供較長供電時間。作為6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)與電力專網(wǎng)的通道邊界路由，具備較強數(shù)據(jù)處理能力，并且通常布設(shè)于機房周邊較寬闊區(qū)域，因此為保障邊界路由性能，設(shè)計時不采取休眠方式。

2 6LoWPAN協(xié)議的應(yīng)用研究

2.1 實驗平臺

為驗證6LoWPAN協(xié)議在電力物聯(lián)系統(tǒng)中應(yīng)用，搭建如下實驗平臺。實驗硬件平臺選擇德州儀器最新研發(fā)的滿足IEEE802.15.4標準射頻SoC核心CC2583芯片，各節(jié)點為均勻性的Contiki操作系統(tǒng)，并加載uIP、6LoWPAN和MAC層協(xié)議棧。實驗軟件平臺為XinAVR和AVRstudio，負責(zé)在節(jié)點和USB網(wǎng)卡中下載相應(yīng)程序。Ipv6智能網(wǎng)關(guān)上的包含的主要芯片有：SIGe2521A60、BCM6358UKFBG以及BCM5325EKQMG。其中SIGe2521A60為智能網(wǎng)關(guān)提供2.5～2.6 GHz區(qū)間的無限工作頻段，適用于ISM2.4GHz的無線解決方案；BCM6358UKFBG為智能網(wǎng)關(guān)提供多用戶的以太網(wǎng)功能，含有標準EJTAG調(diào)試器和具備高度優(yōu)化功能的32MIPS CPU；BCM5325EKQMG通過集成5個收發(fā)器使智能網(wǎng)關(guān)具備128kB的數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)域，可支持2K的MAC地址，且具備低功耗的地址自動學(xué)習(xí)，實現(xiàn)即插即用。

Ipv6智能無線網(wǎng)關(guān)接口布局如圖2所示。具備局域網(wǎng)口3個，廣域網(wǎng)口、802.11a/b/gWiFI無線網(wǎng)絡(luò)接口、標準USB接口、可選串口調(diào)試口各1個。在含有通用無線路由器功能基礎(chǔ)上，還可完成電力物聯(lián)操作系統(tǒng)和普通IP網(wǎng)絡(luò)之間的Ipv6信息交互，同時支持應(yīng)用軟件包開發(fā)和復(fù)雜程序的應(yīng)用。

圖2 網(wǎng)關(guān)接口布局

2.2 系統(tǒng)性能測試

2.2.1 連通性測試

系統(tǒng)連通性測試流程為：在搭建完成的實驗平臺上，通過客戶端節(jié)點發(fā)送ICMPv6中的Echo請求至服務(wù)器節(jié)點，服務(wù)器接收到Echo請求后將Echo應(yīng)答傳輸回客戶端節(jié)點。測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 連通性測試部分結(jié)果示意圖

從圖3可以看出，該測試結(jié)果顯示兩個節(jié)點之間連通性能較好，實驗結(jié)果表明，6LoWPAN協(xié)議在電力物聯(lián)系統(tǒng)中可提升系統(tǒng)連通性能。

2.2.2 UDP測試

選擇UDP Server節(jié)點和UDP Client節(jié)點進行UDP測試。測試流程為：通過在兩個節(jié)點間構(gòu)建套接字，利用Client節(jié)點向Server節(jié)點不間斷發(fā)送“Morning from the client”UDP數(shù)據(jù)報，數(shù)據(jù)報傳輸至Server節(jié)點后，Server節(jié)點“Morning from the server”的數(shù)據(jù)報傳輸回Client節(jié)點。UDP測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 UDP測試部分結(jié)果示意圖

分析圖4可知，6LoWPAN與IP協(xié)議棧的兩個節(jié)點間可實現(xiàn)UDP數(shù)據(jù)報傳輸，結(jié)果表明6LoWPAN協(xié)議在電力物聯(lián)系統(tǒng)中可保障數(shù)據(jù)報有效傳輸。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點功耗測試

6LoWPAN協(xié)議在電力物聯(lián)系統(tǒng)中應(yīng)用的特點之一是低功耗，功耗對于供電數(shù)據(jù)采集節(jié)點是一個考驗性能的重要指標，其主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集節(jié)點的續(xù)航能力上，功耗測試實質(zhì)是通過測試節(jié)點正常工作狀態(tài)下的工作電流均值，以其為依據(jù)計算節(jié)點續(xù)航時間均值。

將Zigbee協(xié)議在電力物聯(lián)系統(tǒng)中應(yīng)用效果為對比，驗證6LoWPAN協(xié)議在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的低功耗優(yōu)勢。在電力物聯(lián)系統(tǒng)中選取一個數(shù)據(jù)采集節(jié)點MoteA，進行5次數(shù)據(jù)測量，分別測試應(yīng)用Zigbee協(xié)議和6LoWPAN協(xié)議的數(shù)據(jù)采集節(jié)點MoteA的電流數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示。

分析表3數(shù)據(jù)可知，應(yīng)用Zigbee協(xié)議的電力物聯(lián)系統(tǒng)采集節(jié)點電流均值為235.58 μA，應(yīng)用6LoWPAN協(xié)議的電力物聯(lián)系統(tǒng)采集節(jié)點電流均值為178.3 μA。電力物聯(lián)系統(tǒng)采集節(jié)點電源為電壓為3 V、電量大小為2 700 mAh，換算后可知，應(yīng)用Zigbee協(xié)議的采集節(jié)點理論運行時間約為11 624小時，大約484天；應(yīng)用6LoWPAN協(xié)議的采集節(jié)點理論運行時間約為15 348小時，大約639天。結(jié)果表明，6LoWPAN協(xié)議在電力物聯(lián)系統(tǒng)中應(yīng)用后可顯著提升數(shù)據(jù)采集節(jié)點的續(xù)航時間，降低功耗。

表3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點MoteA的電流數(shù)據(jù)

2.2.4 傳輸速率及電壓越限開關(guān)控制測試

為比較應(yīng)用Zigbee協(xié)議和6LoWPAN協(xié)議的電力物聯(lián)系統(tǒng)控制的電流傳輸速率以及數(shù)據(jù)開關(guān)控制成功率，在實驗仿真平臺布設(shè)一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點和150個電流感知節(jié)點，為取得顯著實驗效果，電流傳輸量的選取為均大于100 kA。其中平均時延為數(shù)據(jù)包發(fā)送時刻與數(shù)據(jù)包接收時刻的平均時間間隔，單位時間內(nèi)電流傳輸量越大表示其傳輸速率越高。電流傳輸速率眼圖如圖5所示。

圖5 兩種協(xié)議的電流傳輸速率眼圖

分析圖5可知，隨著電流傳輸量增大，應(yīng)用6LoWPAN協(xié)議的電流傳輸速率要大于應(yīng)用Zigbee協(xié)議，6LoWPAN協(xié)議的應(yīng)用提升了電流傳輸效率，原因在于6LoWPAN協(xié)議的應(yīng)用節(jié)省了傳感器分片處理流程，直接利用網(wǎng)狀路由實施電流傳輸控制，大大提升電流傳輸效率。

為了防止電網(wǎng)在電能傳輸過程中，出現(xiàn)節(jié)點電壓越限的現(xiàn)象，對電壓超過500 V的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)置電壓越限控制開關(guān)，電壓越限開關(guān)控制結(jié)果如圖6所示

圖6 兩種協(xié)議的電壓越限開關(guān)開啟結(jié)果

分析圖6內(nèi)容可知，通過協(xié)議控制電力物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點電壓越限開關(guān)，結(jié)果表明應(yīng)用6LoWPAN協(xié)議控制的電壓越限開關(guān)已經(jīng)開啟，而采用Zigbee協(xié)議的電壓越限開關(guān)開啟失敗，由此可見應(yīng)用6LoWPAN協(xié)議控制電壓越限開關(guān)控制成功率較高。

3 結(jié)束語

伴隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必然成為今后電網(wǎng)建設(shè)的重要技術(shù)支撐，可有效提升電網(wǎng)安全運行水平，以及全方位管理水平。6LoWPAN技術(shù)在電力物聯(lián)系統(tǒng)中的應(yīng)用可以有效利用自身具備低功耗低、低成本、易維護以及組網(wǎng)安全等特點，提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)包接受率，縮減電流傳輸速率，增加電壓越限開關(guān)控制成功率，為電力物聯(lián)系統(tǒng)提供廣闊應(yīng)用前景。