6LoWPAN協議在電力物聯系統中的應用研究

徐 妍，單 華，李 澄，李春鵬，鐘巍峰，蔣 峰

(江蘇方天電力技術有限公司，南京 211100)

0 引言

伴隨國民經濟不斷發展，用電需求也處于持續增長趨勢，電網規模的不斷擴增，導致電網設備數量如雨后春筍般快速增加[1-2]。為加強對數量龐大電網設備的監控、管理以及維護，電網公司研究了一系列管理系統，主要采用GPRS、3G等無線組網技術進行電網數據傳輸，但存在成本高、網絡覆蓋效果差、對運營商依賴程度強等不足之處[3]。

物聯網技術的發展有效改善了這一現狀，物聯網可將互聯網、傳統電信網絡等作為信息載體，可實現獨立尋址的普通物理對象間的互通，通過構建物物相連的互聯網組網技術，對海量電網設備實施統一入網管理[4-6]。藍牙、Zigbee、6LoWPAN、LoRa均屬于低功耗物聯網組網技術。其中6LoWPAN協議是基于IPv6的無線個域網技術，為短距離通信網絡應用IPv6技術提供支撐。為此本文以具有自主網關功能的6LoWPAN協議為研究對象，利用其低功耗、低成本、易維護等特點，在保障電力行業安全規范，電網穩定運行基礎上，研究其在電力物聯系統中的應用[7]。

1 6LoWPAN協議在電力物聯系統應用

1.1 6LoWPAN原理

6LoWPAN技術是一種有效融合了網絡技術、傳感技術以及嵌入式技術的無線自主網技術[8]。6LoWPAN技術與Zigbee技術相同之處在于，物理層和數據鏈路層均使用IEE802.15.4規定的物理層PHY和子層MAC；6LoWPAN不同于Zigbee技術之處在于，6LoWPAN技術采用IETF規定的IPv6設計網絡層。因此6LoWPAN是在以IEE802.15.4為底層加入IPv6的無線域網協議[9-11]。6LoWPAN的PHY層和MAC層是以IEE802.15.4為規范，網絡層采用IPv6協議，結合IEE802.15.4的低成本、低功耗、多拓撲特點和IPv6龐大的地址空間優勢，對規模大、密度高的設備網絡布設很有幫助[12]。

在802.15.4協議上完成IPv6的支持是6LoWPAN協議的核心；通過在IPv6網絡層和802.15.4MAC層之間加入適配層實現物聯網中任意節點均可與IPv6網絡設備實施數據交互是6LoWPAN協議的主要內容[13]。6LoWPAN協議組網相比于其它物聯網組網優勢在于：

1)普及性強。基于IPv6協議的6LoWPAN協議是通過邊界路由與電力專網相連接，完成點對點的數據傳輸和監控，操作簡單，具備較強普及性。

2)龐大地址空間。基于IPv6協議的6LoWPAN協議通信網絡可以提供龐大地址空間，迎合配電網中海量設備組網需求，該優勢是其它物聯網技術無法相提并論的[14]。

3)容易開發。目前基于IPv6協議的框架技術已然成熟，運用時只需實際應用需求適當調整便可，極大程度縮減開發難度。

1.2 設計方案

由于IEE802.15.4目前底層技術的最佳之選，為此依據IEE802.15.4特點，提出Zigbee和6LoWPAN在其上應用規范的最佳實現形式[15-16]，基于IEE802.15.4的網絡層協議如表1 所示。

表1 基于IEE802.15.4的網絡層協議

由于物聯網上的節點數量龐大，且經Internet連接后可實現節點間有效互通互聯。因此，物聯網可利用IP協議作為網絡層協議，實現自身與其余IP設備間的互操作。為便于同網關間相連，物聯網內部節點也應該采用IP協議。而在IEE802.15.4的MAC層上建立Ipv6協議棧，促進物聯網與Ipv6 Internet平滑相連便是6LoWPAN的終極目標[17]。

為實現物聯網與Ipv6 Internet互聯，提出總體設計方案如圖1所示。采用雙協議棧網關設計該協議中間，一側為Ipv6網絡、另一側為物聯網感知節點共同形成的網絡，利用網關完成兩種網絡之間的信息交互。

圖1 雙協議棧網關圖

本方案中的節點包括設備節點和輔助節點兩種，其中利用熱拔插方式直接安裝配網設備上，有設備實施供電的節點被稱為設備節點；利用電池供電方式供電，功能與互聯網的中繼器類似，且布設于兩個距離較遠的配電網設備間的節點被稱之為輔助節點[8]。6LoWPAN協議在電力物聯網中的應用受節點數目影響，節點數目越多，網絡時延越大。為此將電力物聯系統的節點數量控制在1 000以內，若節點數量超過1 000，則依據網絡實際分布情況適當擴增路由器數量，有效保障各個節點與路由器之間的最大跳數不會超過500。確保跳數未達到500時，網絡延時控制在1秒內，丟包率控制在1%內[18]。

1.3 6LoWPAN適配層

由于IEE802.15.4的MAC層的81個字節遠達不到Ipv6協議對MAC層的MTU(最大輸出單元)的1 280字節的需求，同時Ipv6協議還設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。為此需要在網絡層和MAC層之間增設一個網絡適配層，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、分片與重組以及網絡路由狀態轉發等工作，有效解決IEE802.15.4的MAC層不能滿足Ipv6需求這一現狀。

由于IEE802.15.4的MAC層的81個字節，去除報頭所占的40個字節后，僅剩余41個字節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，最后留給傳輸應用層數據的空間僅為33個字節，傳輸效率十分低下，為此，采用包頭壓縮技術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數據報文壓縮至127字節以內并且確保一次性傳輸完畢，解決電力物聯系統的網點密度高、單次傳輸數據量少問題，有效提升網絡延時，降低丟包率。壓縮時通過修剪Ipv6數據包，去除冗余數據，將數據壓縮率控制在75字節左右，并且無需進行分片處理，直接利用網狀路由實施數據傳輸，大大提升數據傳輸效率，以便實現電力物聯網各項監控相關指標要求[20-22]。

1.4 感知節點與Ipv6節點信息交互

感知節點與Ipv6節點間的信息交互時，Ipv6會先向感知節點發送數據采集請求數據包，經過網關時，網關會精簡壓縮Ipv6的請求數據包，并依據Ipv6報文實際需求采用對應的適配層報頭將精簡過的Ipv6報頭封裝成IEEE802.15.4幀，并利用網狀路由將數據傳輸到目標感知節點[23]。感知節點對Ipv6報文的服務請求進行處理后，利用精簡完成的Ipv6報文頭部封裝響應數據為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網絡應用的鏈路層幀中，傳輸至Ipv6網上，Ipv6網絡依據Ipv6路由方式將該幀傳輸到源節點，完成一次數據傳輸。

1.5 低功耗設計

通過使用專用無線低功耗控制器的型號為CC1310無線MCU，在有效確保系統穩定性和靈敏度基礎上，實現數據低功耗收發。設備節點在未使用時均處于休眠狀態，以便降低功耗，當設備節點收到其余節點輸出的數據時，芯片會自動解除休眠狀態，被喚醒執行相應數據操作。輔助節點作為配電網設備間的數據中繼站，無需實施數據傳輸，所需功耗極低[24]。為了給設備布設提供便利條件，供電均采用紐扣電池方式，可提供較長供電時間。作為6LoWPAN網絡與電力專網的通道邊界路由，具備較強數據處理能力，并且通常布設于機房周邊較寬闊區域，因此為保障邊界路由性能，設計時不采取休眠方式。

2 6LoWPAN協議的應用研究

2.1 實驗平臺

為驗證6LoWPAN協議在電力物聯系統中應用，搭建如下實驗平臺。實驗硬件平臺選擇德州儀器最新研發的滿足IEEE802.15.4標準射頻SoC核心CC2583芯片，各節點為均勻性的Contiki操作系統，并加載uIP、6LoWPAN和MAC層協議棧。實驗軟件平臺為XinAVR和AVRstudio，負責在節點和USB網卡中下載相應程序。Ipv6智能網關上的包含的主要芯片有：SIGe2521A60、BCM6358UKFBG以及BCM5325EKQMG。其中SIGe2521A60為智能網關提供2.5～2.6 GHz區間的無限工作頻段，適用于ISM2.4GHz的無線解決方案；BCM6358UKFBG為智能網關提供多用戶的以太網功能，含有標準EJTAG調試器和具備高度優化功能的32MIPS CPU；BCM5325EKQMG通過集成5個收發器使智能網關具備128kB的數據包緩沖區域，可支持2K的MAC地址，且具備低功耗的地址自動學習，實現即插即用。

Ipv6智能無線網關接口布局如圖2所示。具備局域網口3個，廣域網口、802.11a/b/gWiFI無線網絡接口、標準USB接口、可選串口調試口各1個。在含有通用無線路由器功能基礎上，還可完成電力物聯操作系統和普通IP網絡之間的Ipv6信息交互，同時支持應用軟件包開發和復雜程序的應用。

圖2 網關接口布局

2.2 系統性能測試

2.2.1 連通性測試

系統連通性測試流程為：在搭建完成的實驗平臺上，通過客戶端節點發送ICMPv6中的Echo請求至服務器節點，服務器接收到Echo請求后將Echo應答傳輸回客戶端節點。測試結果如圖3所示。

圖3 連通性測試部分結果示意圖

從圖3可以看出，該測試結果顯示兩個節點之間連通性能較好，實驗結果表明，6LoWPAN協議在電力物聯系統中可提升系統連通性能。

2.2.2 UDP測試

選擇UDP Server節點和UDP Client節點進行UDP測試。測試流程為：通過在兩個節點間構建套接字，利用Client節點向Server節點不間斷發送“Morning from the client”UDP數據報，數據報傳輸至Server節點后，Server節點“Morning from the server”的數據報傳輸回Client節點。UDP測試結果如圖4所示。

圖4 UDP測試部分結果示意圖

分析圖4可知，6LoWPAN與IP協議棧的兩個節點間可實現UDP數據報傳輸，結果表明6LoWPAN協議在電力物聯系統中可保障數據報有效傳輸。

2.2.3 數據采集節點功耗測試

6LoWPAN協議在電力物聯系統中應用的特點之一是低功耗，功耗對于供電數據采集節點是一個考驗性能的重要指標，其主要體現在數據采集節點的續航能力上，功耗測試實質是通過測試節點正常工作狀態下的工作電流均值，以其為依據計算節點續航時間均值。

將Zigbee協議在電力物聯系統中應用效果為對比，驗證6LoWPAN協議在電力系統中應用的低功耗優勢。在電力物聯系統中選取一個數據采集節點MoteA，進行5次數據測量，分別測試應用Zigbee協議和6LoWPAN協議的數據采集節點MoteA的電流數據，結果如表3所示。

分析表3數據可知，應用Zigbee協議的電力物聯系統采集節點電流均值為235.58 μA，應用6LoWPAN協議的電力物聯系統采集節點電流均值為178.3 μA。電力物聯系統采集節點電源為電壓為3 V、電量大小為2 700 mAh，換算后可知，應用Zigbee協議的采集節點理論運行時間約為11 624小時，大約484天；應用6LoWPAN協議的采集節點理論運行時間約為15 348小時，大約639天。結果表明，6LoWPAN協議在電力物聯系統中應用后可顯著提升數據采集節點的續航時間，降低功耗。

表3 數據采集節點MoteA的電流數據

2.2.4 傳輸速率及電壓越限開關控制測試

為比較應用Zigbee協議和6LoWPAN協議的電力物聯系統控制的電流傳輸速率以及數據開關控制成功率，在實驗仿真平臺布設一個網關節點和150個電流感知節點，為取得顯著實驗效果，電流傳輸量的選取為均大于100 kA。其中平均時延為數據包發送時刻與數據包接收時刻的平均時間間隔，單位時間內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，應用6LoWPAN協議的電流傳輸速率要大于應用Zigbee協議，6LoWPAN協議的應用提升了電流傳輸效率，原因在于6LoWPAN協議的應用節省了傳感器分片處理流程，直接利用網狀路由實施電流傳輸控制，大大提升電流傳輸效率。

為了防止電網在電能傳輸過程中，出現節點電壓越限的現象，對電壓超過500 V的物聯網節點設置電壓越限控制開關，電壓越限開關控制結果如圖6所示

圖6 兩種協議的電壓越限開關開啟結果

分析圖6內容可知，通過協議控制電力物聯網節點電壓越限開關，結果表明應用6LoWPAN協議控制的電壓越限開關已經開啟，而采用Zigbee協議的電壓越限開關開啟失敗，由此可見應用6LoWPAN協議控制電壓越限開關控制成功率較高。

3 結束語

伴隨物聯網技術飛速發展，物聯網技術必然成為今后電網建設的重要技術支撐，可有效提升電網安全運行水平，以及全方位管理水平。6LoWPAN技術在電力物聯系統中的應用可以有效利用自身具備低功耗低、低成本、易維護以及組網安全等特點，提升系統數據包接受率，縮減電流傳輸速率，增加電壓越限開關控制成功率，為電力物聯系統提供廣闊應用前景。