6LoWPAN协议在电力物联系统中的应用研究

徐 妍，单 华，李 澄，李春鹏，钟巍峰，蒋 峰

(江苏方天电力技术有限公司，南京 211100)

0 引言

伴随国民经济不断发展，用电需求也处于持续增长趋势，电网规模的不断扩增，导致电网设备数量如雨后春笋般快速增加[1-2]。为加强对数量庞大电网设备的监控、管理以及维护，电网公司研究了一系列管理系统，主要采用GPRS、3G等无线组网技术进行电网数据传输，但存在成本高、网络覆盖效果差、对运营商依赖程度强等不足之处[3]。

物联网技术的发展有效改善了这一现状，物联网可将互联网、传统电信网络等作为信息载体，可实现独立寻址的普通物理对象间的互通，通过构建物物相连的互联网组网技术，对海量电网设备实施统一入网管理[4-6]。蓝牙、Zigbee、6LoWPAN、LoRa均属于低功耗物联网组网技术。其中6LoWPAN协议是基于IPv6的无线个域网技术，为短距离通信网络应用IPv6技术提供支撑。为此本文以具有自主网关功能的6LoWPAN协议为研究对象，利用其低功耗、低成本、易维护等特点，在保障电力行业安全规范，电网稳定运行基础上，研究其在电力物联系统中的应用[7]。

1 6LoWPAN协议在电力物联系统应用

1.1 6LoWPAN原理

6LoWPAN技术是一种有效融合了网络技术、传感技术以及嵌入式技术的无线自主网技术[8]。6LoWPAN技术与Zigbee技术相同之处在于，物理层和数据链路层均使用IEE802.15.4规定的物理层PHY和子层MAC；6LoWPAN不同于Zigbee技术之处在于，6LoWPAN技术采用IETF规定的IPv6设计网络层。因此6LoWPAN是在以IEE802.15.4为底层加入IPv6的无线域网协议[9-11]。6LoWPAN的PHY层和MAC层是以IEE802.15.4为规范，网络层采用IPv6协议，结合IEE802.15.4的低成本、低功耗、多拓扑特点和IPv6庞大的地址空间优势，对规模大、密度高的设备网络布设很有帮助[12]。

在802.15.4协议上完成IPv6的支持是6LoWPAN协议的核心；通过在IPv6网络层和802.15.4MAC层之间加入适配层实现物联网中任意节点均可与IPv6网络设备实施数据交互是6LoWPAN协议的主要内容[13]。6LoWPAN协议组网相比于其它物联网组网优势在于：

1)普及性强。基于IPv6协议的6LoWPAN协议是通过边界路由与电力专网相连接，完成点对点的数据传输和监控，操作简单，具备较强普及性。

2)庞大地址空间。基于IPv6协议的6LoWPAN协议通信网络可以提供庞大地址空间，迎合配电网中海量设备组网需求，该优势是其它物联网技术无法相提并论的[14]。

3)容易开发。目前基于IPv6协议的框架技术已然成熟，运用时只需实际应用需求适当调整便可，极大程度缩减开发难度。

1.2 设计方案

由于IEE802.15.4目前底层技术的最佳之选，为此依据IEE802.15.4特点，提出Zigbee和6LoWPAN在其上应用规范的最佳实现形式[15-16]，基于IEE802.15.4的网络层协议如表1 所示。

表1 基于IEE802.15.4的网络层协议

由于物联网上的节点数量庞大，且经Internet连接后可实现节点间有效互通互联。因此，物联网可利用IP协议作为网络层协议，实现自身与其余IP设备间的互操作。为便于同网关间相连，物联网内部节点也应该采用IP协议。而在IEE802.15.4的MAC层上建立Ipv6协议栈，促进物联网与Ipv6 Internet平滑相连便是6LoWPAN的终极目标[17]。

为实现物联网与Ipv6 Internet互联，提出总体设计方案如图1所示。采用双协议栈网关设计该协议中间，一侧为Ipv6网络、另一侧为物联网感知节点共同形成的网络，利用网关完成两种网络之间的信息交互。

图1 双协议栈网关图

本方案中的节点包括设备节点和辅助节点两种，其中利用热拔插方式直接安装配网设备上，有设备实施供电的节点被称为设备节点；利用电池供电方式供电，功能与互联网的中继器类似，且布设于两个距离较远的配电网设备间的节点被称之为辅助节点[8]。6LoWPAN协议在电力物联网中的应用受节点数目影响，节点数目越多，网络时延越大。为此将电力物联系统的节点数量控制在1 000以内，若节点数量超过1 000，则依据网络实际分布情况适当扩增路由器数量，有效保障各个节点与路由器之间的最大跳数不会超过500。确保跳数未达到500时，网络延时控制在1秒内，丢包率控制在1%内[18]。

1.3 6LoWPAN适配层

由于IEE802.15.4的MAC层的81个字节远达不到Ipv6协议对MAC层的MTU(最大输出单元)的1 280字节的需求，同时Ipv6协议还设定了在达不到这一需求时，需要对Ipv6透明的MAC层负载实施拆分和重组。为此需要在网络层和MAC层之间增设一个网络适配层，完成两个层次间的无缝连接[19]。以便利用6LoWPAN的适配层完成报头压缩、分片与重组以及网络路由状态转发等工作，有效解决IEE802.15.4的MAC层不能满足Ipv6需求这一现状。

由于IEE802.15.4的MAC层的81个字节，去除报头所占的40个字节后，仅剩余41个字节空间给传输层报文使用，如果传输层采用UDP报文则会额外占用8个字节，最后留给传输应用层数据的空间仅为33个字节，传输效率十分低下，为此，采用包头压缩技术对适配层中的冗余报头压缩十分必要。

6LoWPAN报头压缩基本思想如下：

1)完全压缩报头连接过程中维持不变的域。

2)压缩报头中预先了解的域和变化中的域。

3)压缩报头中可通过链路层提前获知的域。

4)基于报头中存在有条件或可选域，取出报头中的特定应用。

详细压缩如表2所示。

表2 6LoWPAN对Ipv6的报头压缩

通过将Ipv6数据报文压缩至127字节以内并且确保一次性传输完毕，解决电力物联系统的网点密度高、单次传输数据量少问题，有效提升网络延时，降低丢包率。压缩时通过修剪Ipv6数据包，去除冗余数据，将数据压缩率控制在75字节左右，并且无需进行分片处理，直接利用网状路由实施数据传输，大大提升数据传输效率，以便实现电力物联网各项监控相关指标要求[20-22]。

1.4 感知节点与Ipv6节点信息交互

感知节点与Ipv6节点间的信息交互时，Ipv6会先向感知节点发送数据采集请求数据包，经过网关时，网关会精简压缩Ipv6的请求数据包，并依据Ipv6报文实际需求采用对应的适配层报头将精简过的Ipv6报头封装成IEEE802.15.4帧，并利用网状路由将数据传输到目标感知节点[23]。感知节点对Ipv6报文的服务请求进行处理后，利用精简完成的Ipv6报文头部封装响应数据为IEEE802.15.4帧后传输出去；传输完成后，遵循适配层报头信息重组传回的Ipv6报文信息，还原压缩的Ipv6报头信息。最后将完整的Ipv6报文信息封装于Ipv6网络应用的链路层帧中，传输至Ipv6网上，Ipv6网络依据Ipv6路由方式将该帧传输到源节点，完成一次数据传输。

1.5 低功耗设计

通过使用专用无线低功耗控制器的型号为CC1310无线MCU，在有效确保系统稳定性和灵敏度基础上，实现数据低功耗收发。设备节点在未使用时均处于休眠状态，以便降低功耗，当设备节点收到其余节点输出的数据时，芯片会自动解除休眠状态，被唤醒执行相应数据操作。辅助节点作为配电网设备间的数据中继站，无需实施数据传输，所需功耗极低[24]。为了给设备布设提供便利条件，供电均采用纽扣电池方式，可提供较长供电时间。作为6LoWPAN网络与电力专网的通道边界路由，具备较强数据处理能力，并且通常布设于机房周边较宽阔区域，因此为保障边界路由性能，设计时不采取休眠方式。

2 6LoWPAN协议的应用研究

2.1 实验平台

为验证6LoWPAN协议在电力物联系统中应用，搭建如下实验平台。实验硬件平台选择德州仪器最新研发的满足IEEE802.15.4标准射频SoC核心CC2583芯片，各节点为均匀性的Contiki操作系统，并加载uIP、6LoWPAN和MAC层协议栈。实验软件平台为XinAVR和AVRstudio，负责在节点和USB网卡中下载相应程序。Ipv6智能网关上的包含的主要芯片有：SIGe2521A60、BCM6358UKFBG以及BCM5325EKQMG。其中SIGe2521A60为智能网关提供2.5～2.6 GHz区间的无限工作频段，适用于ISM2.4GHz的无线解决方案；BCM6358UKFBG为智能网关提供多用户的以太网功能，含有标准EJTAG调试器和具备高度优化功能的32MIPS CPU；BCM5325EKQMG通过集成5个收发器使智能网关具备128kB的数据包缓冲区域，可支持2K的MAC地址，且具备低功耗的地址自动学习，实现即插即用。

Ipv6智能无线网关接口布局如图2所示。具备局域网口3个，广域网口、802.11a/b/gWiFI无线网络接口、标准USB接口、可选串口调试口各1个。在含有通用无线路由器功能基础上，还可完成电力物联操作系统和普通IP网络之间的Ipv6信息交互，同时支持应用软件包开发和复杂程序的应用。

图2 网关接口布局

2.2 系统性能测试

2.2.1 连通性测试

系统连通性测试流程为：在搭建完成的实验平台上，通过客户端节点发送ICMPv6中的Echo请求至服务器节点，服务器接收到Echo请求后将Echo应答传输回客户端节点。测试结果如图3所示。

图3 连通性测试部分结果示意图

从图3可以看出，该测试结果显示两个节点之间连通性能较好，实验结果表明，6LoWPAN协议在电力物联系统中可提升系统连通性能。

2.2.2 UDP测试

选择UDP Server节点和UDP Client节点进行UDP测试。测试流程为：通过在两个节点间构建套接字，利用Client节点向Server节点不间断发送“Morning from the client”UDP数据报，数据报传输至Server节点后，Server节点“Morning from the server”的数据报传输回Client节点。UDP测试结果如图4所示。

图4 UDP测试部分结果示意图

分析图4可知，6LoWPAN与IP协议栈的两个节点间可实现UDP数据报传输，结果表明6LoWPAN协议在电力物联系统中可保障数据报有效传输。

2.2.3 数据采集节点功耗测试

6LoWPAN协议在电力物联系统中应用的特点之一是低功耗，功耗对于供电数据采集节点是一个考验性能的重要指标，其主要体现在数据采集节点的续航能力上，功耗测试实质是通过测试节点正常工作状态下的工作电流均值，以其为依据计算节点续航时间均值。

将Zigbee协议在电力物联系统中应用效果为对比，验证6LoWPAN协议在电力系统中应用的低功耗优势。在电力物联系统中选取一个数据采集节点MoteA，进行5次数据测量，分别测试应用Zigbee协议和6LoWPAN协议的数据采集节点MoteA的电流数据，结果如表3所示。

分析表3数据可知，应用Zigbee协议的电力物联系统采集节点电流均值为235.58 μA，应用6LoWPAN协议的电力物联系统采集节点电流均值为178.3 μA。电力物联系统采集节点电源为电压为3 V、电量大小为2 700 mAh，换算后可知，应用Zigbee协议的采集节点理论运行时间约为11 624小时，大约484天；应用6LoWPAN协议的采集节点理论运行时间约为15 348小时，大约639天。结果表明，6LoWPAN协议在电力物联系统中应用后可显著提升数据采集节点的续航时间，降低功耗。

表3 数据采集节点MoteA的电流数据

2.2.4 传输速率及电压越限开关控制测试

为比较应用Zigbee协议和6LoWPAN协议的电力物联系统控制的电流传输速率以及数据开关控制成功率，在实验仿真平台布设一个网关节点和150个电流感知节点，为取得显著实验效果，电流传输量的选取为均大于100 kA。其中平均时延为数据包发送时刻与数据包接收时刻的平均时间间隔，单位时间内电流传输量越大表示其传输速率越高。电流传输速率眼图如图5所示。

图5 两种协议的电流传输速率眼图

分析图5可知，随着电流传输量增大，应用6LoWPAN协议的电流传输速率要大于应用Zigbee协议，6LoWPAN协议的应用提升了电流传输效率，原因在于6LoWPAN协议的应用节省了传感器分片处理流程，直接利用网状路由实施电流传输控制，大大提升电流传输效率。

为了防止电网在电能传输过程中，出现节点电压越限的现象，对电压超过500 V的物联网节点设置电压越限控制开关，电压越限开关控制结果如图6所示

图6 两种协议的电压越限开关开启结果

分析图6内容可知，通过协议控制电力物联网节点电压越限开关，结果表明应用6LoWPAN协议控制的电压越限开关已经开启，而采用Zigbee协议的电压越限开关开启失败，由此可见应用6LoWPAN协议控制电压越限开关控制成功率较高。

3 结束语

伴随物联网技术飞速发展，物联网技术必然成为今后电网建设的重要技术支撑，可有效提升电网安全运行水平，以及全方位管理水平。6LoWPAN技术在电力物联系统中的应用可以有效利用自身具备低功耗低、低成本、易维护以及组网安全等特点，提升系统数据包接受率，缩减电流传输速率，增加电压越限开关控制成功率，为电力物联系统提供广阔应用前景。