基于CoAP协议的智能配电台区研究

段金见 李立生 梁春燕 葛诗涵 刘合金 刘洋

摘  要： 针对配电台区中数据复杂、网络节点和设备资源受限等问题，研究了受限应用协议，介绍其协议栈、请求/响应模式与重传机制。对比CoAP和MQTT协议，设计了台区传感器数据查询系统，进行服务器端的连接测试。结果表明，CoAP简单、开销小，满足资源受限环境的应用层通信需求，适用于台区中低功耗智能终端接入网络;对于全面建成统一健全智能电网具有重要意义。

关键词： 智能配电台区; CoAP; 物联网; 资源受限环境; MQTT; HTTP协议

中图分类号： TN915.04?34; TM764                    文献标识码： A                 文章编号： 1004?373X（2020）05?0116?05

Research on intelligent distribution area based on CoAP protocol

DUAN Jinjian1， LI Lisheng2， LIANG Chunyan1， GE Shihan1， LIU Hejin2， LIU Yang2

（1. Shandong University of Technology， Zibo 255000， China; 2. State Grid Shandong Electric Power Research Institute， Jinan 250003， China）

Abstract： In view of the complex data and limited resources of network nodes and equipment in the distribution area， the CoAP （Constrained Application Protocol） is studied， the protocol stack， request/response mode and retransmission mechanism of which are introduced， and the CoAP and MQTT （Message Queuing Telemetry Transport） protocols are compared. The data query system for sensors in the distribution area is designed and the connection testing on the server side is performed. The results show that the CoAP is simple and low?cost， and can meet the communication requirements of application layer in the resource?constrained environment， and is suitable for low?power intelligent terminal access networks in the distribution area. It is of great significance to build a unified and robust intelligent grid in an all?round way.

Keywords： intelligent distribution area; CoAP; Internet of Things; resource?constrained environment; MQTT; HTTP protocol

0  引  言

随着智能电网的发展，我国在发电和输电方面基本实现了信息化、自动化和智能化，但在配电和用电方面依然存在较大缺陷。智能配电台区是连接配电和用电两大环节的重要枢纽，是实现电网智能化和可视化的关键环节[1?3]。而智能电网系统在发展过程中势必会应用物联网技术，物联网技术凭借其强大的信息分析、处理能力，极大地推动了智能电网技术的发展[4]。因此，把物联网技术与智能电网技术深度融合，可以全方位提升智能电网信息感知深度，实现电网智能化管理。

在无线物联网中，许多设备都是资源受限型的，这些设备只有少量的内存空间和有限的计算能力。为此，IETF应用领域工作组之一的CoRE小组希望针对资源受限节点和网络，实现基于REST架构的一种合理的通用Web协议，这些受限节点通常只有8 bit的微處理器及很小的ROM和RAM，而受限网络指的是类似于6LoWPAN有比较高的误包率和10 Kb/s吞吐量的网络。在这种背景下，CoAP协议被提出来，其主要目标是满足受限环境的特殊需求[5]。

同时，现有台区中存在局限性：配电变压器在整个配电网中的分布点多、面广，在智能配电台区建设过程中，许多低功耗资源受限型设备也随之接入，尤其是台区中资源受限的传感器部分，合适的通信方式及协议较难选择，导致信息得不到有效传送。

针对国内配电台区的现状和需求，本文建立基于CoAP的通信方案，研究台区中低功耗资源受限设备的接入方式，实现配电台区用电数据的可靠采集、监视等功能，使整个台区系统可靠性高、适用性强。

1  智能配电台区结构

智能配电台区主要由变压器、配电箱、智能配变终端、无功补偿设备、智能电表等组成[6-8]。台区借助各种传感器采集设备及通信系统，与主站系统相配合，完成电能质量监控、配变监测、优化运行、用户负荷管理、异常报警等功能。智能配电台区系统物理架构图如图1所示。

2  基于CoAP的智能配电台区

在物联网领域中应用相关多种协议，这些协议包括IPv4，IPv6，6LoWPAN，HTTP，CoAP和MQTT等，灵活使用这些协议组成各种各样的物联网应用。其中，IPv4，IPv6和6LoWPAN是物联网应用的基础。现阶段，许多物联网设备属于受限制低功耗设备，在众多物联网传输协议中，两个轻量级协议CoAP和MQTT应用最为广泛。

2.1  CoAP概述及分析

CoAP协议是面向网络的针对资源受限设备的应用层协议。核心内容为资源抽象、REST式交互以及可扩展的头选项等[9]。应用程序通过URI标识获取服务器资源，有四种不同的请求方法，即GET，PUT，POST和DELETE，每一个不能被服务器识别或未被服务器支持的方法通常会导致一个4.05响应码。

2.1.1  协议栈

协议栈示意图如图2所示。在该协议栈中，物理层（PHY层）和数据链路层（MAC层）由IEEE 802.15.4定义，数据链路层采用增强的低速无线个域网技术;网络层采用IPv6协议，在网络层之下定义一个适配层6LoWPAN，负责IP数据包的压缩、分片、重组及网状路由转发等工作[10]。对于受限资源设备，使用IPv6加6LoWPAN方式，把IPv6首部经过6LoWPAN技术压缩之后填充到IEEE 802.15.4协议中的有效载荷部分。网络层之上，UDP作为传输层，采用DTLS数据包传输层安全性协议。网络层之上采用CoAP作为应用层协议。

2.1.2  请求/响应模式

CoAP具体实现过程中与HTTP存在区别。在CoAP中包含至少三种不同的请求/响应模式：携带模式、分离模式和非确认模式。以获取配电台区中温度传感器检测结果说明。分离模式下的GET请求与响应如图3所示。在图3中，分离模式中总产生两组CON报文和ACK报文。相比于携带模式，分离模式需要进行4次交互，而携带模式只需2次交互。在4次交互过程中产生两个Message ID：0x7a10和0x23bb，仅包括一个Token为0x73。由此可以看出，Message ID多用于报文确认，Token多为应用确认。CoAP客户端试图获取温度传感器资源，用Token“标记”该应用动作，而CoAP服务器返回温度传感器检测结果时再把该Token“标记”到相应内容中。

2.1.3  重传机制

网络传输过程中，CoAP请求与CoAP响应均可能产生丢失，为保证传输可靠性，CoAP重传报文由ACK_TIMEOUT，ACK_RANDOM_FACTOR和MAX_RETRANSMIT三个参数控制。CoAP重传机制由超时时间和重传计数器两个参数控制。对一个CON报文来说，初始超时时间为ACK_TIMEOUT到ACK_TIMEOUT*ACK_RANDOM_FACTOR之间的随机数。如ACK_TIMEOUT采用典型值2 s，ACK_RANDOM_FACTOR采用典型值1.5，则初始超时为2～3 s，2.45 s，2.95 s都为合理初始超时时间。重传计数器从0开始递增，若未在规定时间内收到ACK报文或RST报文，CON报文会被重新发送，重传计数器自动增加。

2.2  MQTT协议

MQ遥测传输（MQTT）是轻量级基于代理的发布/订阅模式的消息传输协议，包含一个主题的概念，其主题与HTTP中的资源URI较为相似。与HTTP和CoAP的请求/响应模式不同，MQTT协议的订阅/发布模式总是存在三个不同的角色发布者、代理器（Broker）和订阅者。MQTT协议的工作过程经常被称为“推送”，在推送过程中，某些消息必须保证稳定可靠，而某些消息允许丢失或收到重复内容。针对不同的应用场景，MQTT協议提供三种不同消息QoS发布服务质量。

2.3  两者对比

MQTT与CoAP的对比如表1所示。从表1来看，二者从消息种类到安全性等方面都有很大的不同点。相对于MQTT，CoAP像是传统的基于网站的业务，可访问服务器资源，提交本身数据;采用UDP作为传输层，没有连接过程，传输时间更短;具有稳定的资源发现机制。同时，CoAP对受限环境做了特殊的设计。综上考虑，在配电台区中采用CoAP协议，CoAP对台区中的受限资源设备和传感器网络传输提供了解决方案。

2.4  基于CoAP的智能配电台区建设

如果台区中传感器多而复杂，由传感器节点组成的资源受限网络与后台主站系统进行互联，需要对原有的配电台区更新，则可以建立基于CoAP的新型智能配电台区。

该智能配电台区由智能配变终端、智能保护装置、低压配电箱、智能变压器及智能电表等组成，具备智能化、信息化、集成化的特点[11]。除安装智能配变终端外，还安装温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器等，配置监控扩展模块，以采集更多数据;智能保护开关可实现多重保护，可输出[U]，[I]，[PF]和剩余电流等数据，具有可选通信接口，实现远程控制、维护，并通过GPRS网络和后台主站系统进行信息交互，如图4所示。

在图4中，主站系统发送指令，通过HTTP协议得以传输，当指令到达智能配变终端组成的传感器网络时，通过HTTP与CoAP协议相互转换的功能，实现针对指令的报文封装和转换，经过封装转换后的信息通过CoAP协议在台区中的传感器网络中进行传输，实现相关既定操作。

3  基于CoAP的智能台区数据查询系统

考虑配电台区中温度、湿度传感器部分，设计一个数据查询系统，该系统可查看设备任一传感器的数据。单个设备可定时向主站服务器推送传感器检测结果，同时，服务器可同时接收多个设备请求，解析内容后保存至数据库。基于台区智能化管理需求，利用移动设备，如智能手机等可随时随地查看。