基于CoAP協(xié)議的智能配電臺區(qū)研究

段金見 李立生 梁春燕 葛詩涵 劉合金 劉洋

摘? 要： 針對配電臺區(qū)中數(shù)據(jù)復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和設(shè)備資源受限等問題，研究了受限應(yīng)用協(xié)議，介紹其協(xié)議棧、請求/響應(yīng)模式與重傳機(jī)制。對比CoAP和MQTT協(xié)議，設(shè)計了臺區(qū)傳感器數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)，進(jìn)行服務(wù)器端的連接測試。結(jié)果表明，CoAP簡單、開銷小，滿足資源受限環(huán)境的應(yīng)用層通信需求，適用于臺區(qū)中低功耗智能終端接入網(wǎng)絡(luò);對于全面建成統(tǒng)一健全智能電網(wǎng)具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 智能配電臺區(qū); CoAP; 物聯(lián)網(wǎng); 資源受限環(huán)境; MQTT; HTTP協(xié)議

中圖分類號： TN915.04?34; TM764? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，我國在發(fā)電和輸電方面基本實現(xiàn)了信息化、自動化和智能化，但在配電和用電方面依然存在較大缺陷。智能配電臺區(qū)是連接配電和用電兩大環(huán)節(jié)的重要樞紐，是實現(xiàn)電網(wǎng)智能化和可視化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1?3]。而智能電網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)展過程中勢必會應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)憑借其強(qiáng)大的信息分析、處理能力，極大地推動了智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展[4]。因此，把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能電網(wǎng)技術(shù)深度融合，可以全方位提升智能電網(wǎng)信息感知深度，實現(xiàn)電網(wǎng)智能化管理。

在無線物聯(lián)網(wǎng)中，許多設(shè)備都是資源受限型的，這些設(shè)備只有少量的內(nèi)存空間和有限的計算能力。為此，IETF應(yīng)用領(lǐng)域工作組之一的CoRE小組希望針對資源受限節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)基于REST架構(gòu)的一種合理的通用Web協(xié)議，這些受限節(jié)點通常只有8 bit的微處理器及很小的ROM和RAM，而受限網(wǎng)絡(luò)指的是類似于6LoWPAN有比較高的誤包率和10 Kb/s吞吐量的網(wǎng)絡(luò)。在這種背景下，CoAP協(xié)議被提出來，其主要目標(biāo)是滿足受限環(huán)境的特殊需求[5]。

同時，現(xiàn)有臺區(qū)中存在局限性：配電變壓器在整個配電網(wǎng)中的分布點多、面廣，在智能配電臺區(qū)建設(shè)過程中，許多低功耗資源受限型設(shè)備也隨之接入，尤其是臺區(qū)中資源受限的傳感器部分，合適的通信方式及協(xié)議較難選擇，導(dǎo)致信息得不到有效傳送。

針對國內(nèi)配電臺區(qū)的現(xiàn)狀和需求，本文建立基于CoAP的通信方案，研究臺區(qū)中低功耗資源受限設(shè)備的接入方式，實現(xiàn)配電臺區(qū)用電數(shù)據(jù)的可靠采集、監(jiān)視等功能，使整個臺區(qū)系統(tǒng)可靠性高、適用性強(qiáng)。

1? 智能配電臺區(qū)結(jié)構(gòu)

智能配電臺區(qū)主要由變壓器、配電箱、智能配變終端、無功補(bǔ)償設(shè)備、智能電表等組成[6-8]。臺區(qū)借助各種傳感器采集設(shè)備及通信系統(tǒng)，與主站系統(tǒng)相配合，完成電能質(zhì)量監(jiān)控、配變監(jiān)測、優(yōu)化運(yùn)行、用戶負(fù)荷管理、異常報警等功能。智能配電臺區(qū)系統(tǒng)物理架構(gòu)圖如圖1所示。

2? 基于CoAP的智能配電臺區(qū)

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中應(yīng)用相關(guān)多種協(xié)議，這些協(xié)議包括IPv4，IPv6，6LoWPAN，HTTP，CoAP和MQTT等，靈活使用這些協(xié)議組成各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。其中，IPv4，IPv6和6LoWPAN是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)。現(xiàn)階段，許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備屬于受限制低功耗設(shè)備，在眾多物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議中，兩個輕量級協(xié)議CoAP和MQTT應(yīng)用最為廣泛。

2.1? CoAP概述及分析

CoAP協(xié)議是面向網(wǎng)絡(luò)的針對資源受限設(shè)備的應(yīng)用層協(xié)議。核心內(nèi)容為資源抽象、REST式交互以及可擴(kuò)展的頭選項等[9]。應(yīng)用程序通過URI標(biāo)識獲取服務(wù)器資源，有四種不同的請求方法，即GET，PUT，POST和DELETE，每一個不能被服務(wù)器識別或未被服務(wù)器支持的方法通常會導(dǎo)致一個4.05響應(yīng)碼。

2.1.1? 協(xié)議棧

協(xié)議棧示意圖如圖2所示。在該協(xié)議棧中，物理層（PHY層）和數(shù)據(jù)鏈路層（MAC層）由IEEE 802.15.4定義，數(shù)據(jù)鏈路層采用增強(qiáng)的低速無線個域網(wǎng)技術(shù);網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)層之下定義一個適配層6LoWPAN，負(fù)責(zé)IP數(shù)據(jù)包的壓縮、分片、重組及網(wǎng)狀路由轉(zhuǎn)發(fā)等工作[10]。對于受限資源設(shè)備，使用IPv6加6LoWPAN方式，把IPv6首部經(jīng)過6LoWPAN技術(shù)壓縮之后填充到IEEE 802.15.4協(xié)議中的有效載荷部分。網(wǎng)絡(luò)層之上，UDP作為傳輸層，采用DTLS數(shù)據(jù)包傳輸層安全性協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)層之上采用CoAP作為應(yīng)用層協(xié)議。

2.1.2? 請求/響應(yīng)模式

CoAP具體實現(xiàn)過程中與HTTP存在區(qū)別。在CoAP中包含至少三種不同的請求/響應(yīng)模式：攜帶模式、分離模式和非確認(rèn)模式。以獲取配電臺區(qū)中溫度傳感器檢測結(jié)果說明。分離模式下的GET請求與響應(yīng)如圖3所示。在圖3中，分離模式中總產(chǎn)生兩組CON報文和ACK報文。相比于攜帶模式，分離模式需要進(jìn)行4次交互，而攜帶模式只需2次交互。在4次交互過程中產(chǎn)生兩個Message ID：0x7a10和0x23bb，僅包括一個Token為0x73。由此可以看出，Message ID多用于報文確認(rèn)，Token多為應(yīng)用確認(rèn)。CoAP客戶端試圖獲取溫度傳感器資源，用Token“標(biāo)記”該應(yīng)用動作，而CoAP服務(wù)器返回溫度傳感器檢測結(jié)果時再把該Token“標(biāo)記”到相應(yīng)內(nèi)容中。

2.1.3? 重傳機(jī)制

網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，CoAP請求與CoAP響應(yīng)均可能產(chǎn)生丟失，為保證傳輸可靠性，CoAP重傳報文由ACK_TIMEOUT，ACK_RANDOM_FACTOR和MAX_RETRANSMIT三個參數(shù)控制。CoAP重傳機(jī)制由超時時間和重傳計數(shù)器兩個參數(shù)控制。對一個CON報文來說，初始超時時間為ACK_TIMEOUT到ACK_TIMEOUT*ACK_RANDOM_FACTOR之間的隨機(jī)數(shù)。如ACK_TIMEOUT采用典型值2 s，ACK_RANDOM_FACTOR采用典型值1.5，則初始超時為2～3 s，2.45 s，2.95 s都為合理初始超時時間。重傳計數(shù)器從0開始遞增，若未在規(guī)定時間內(nèi)收到ACK報文或RST報文，CON報文會被重新發(fā)送，重傳計數(shù)器自動增加。

2.2? MQTT協(xié)議

MQ遙測傳輸（MQTT）是輕量級基于代理的發(fā)布/訂閱模式的消息傳輸協(xié)議，包含一個主題的概念，其主題與HTTP中的資源URI較為相似。與HTTP和CoAP的請求/響應(yīng)模式不同，MQTT協(xié)議的訂閱/發(fā)布模式總是存在三個不同的角色發(fā)布者、代理器（Broker）和訂閱者。MQTT協(xié)議的工作過程經(jīng)常被稱為“推送”，在推送過程中，某些消息必須保證穩(wěn)定可靠，而某些消息允許丟失或收到重復(fù)內(nèi)容。針對不同的應(yīng)用場景，MQTT協(xié)議提供三種不同消息QoS發(fā)布服務(wù)質(zhì)量。

2.3? 兩者對比

MQTT與CoAP的對比如表1所示。從表1來看，二者從消息種類到安全性等方面都有很大的不同點。相對于MQTT，CoAP像是傳統(tǒng)的基于網(wǎng)站的業(yè)務(wù)，可訪問服務(wù)器資源，提交本身數(shù)據(jù);采用UDP作為傳輸層，沒有連接過程，傳輸時間更短;具有穩(wěn)定的資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制。同時，CoAP對受限環(huán)境做了特殊的設(shè)計。綜上考慮，在配電臺區(qū)中采用CoAP協(xié)議，CoAP對臺區(qū)中的受限資源設(shè)備和傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸提供了解決方案。

2.4? 基于CoAP的智能配電臺區(qū)建設(shè)

如果臺區(qū)中傳感器多而復(fù)雜，由傳感器節(jié)點組成的資源受限網(wǎng)絡(luò)與后臺主站系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián)，需要對原有的配電臺區(qū)更新，則可以建立基于CoAP的新型智能配電臺區(qū)。

該智能配電臺區(qū)由智能配變終端、智能保護(hù)裝置、低壓配電箱、智能變壓器及智能電表等組成，具備智能化、信息化、集成化的特點[11]。除安裝智能配變終端外，還安裝溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器等，配置監(jiān)控擴(kuò)展模塊，以采集更多數(shù)據(jù);智能保護(hù)開關(guān)可實現(xiàn)多重保護(hù)，可輸出[U]，[I]，[PF]和剩余電流等數(shù)據(jù)，具有可選通信接口，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、維護(hù)，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和后臺主站系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，如圖4所示。

在圖4中，主站系統(tǒng)發(fā)送指令，通過HTTP協(xié)議得以傳輸，當(dāng)指令到達(dá)智能配變終端組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)時，通過HTTP與CoAP協(xié)議相互轉(zhuǎn)換的功能，實現(xiàn)針對指令的報文封裝和轉(zhuǎn)換，經(jīng)過封裝轉(zhuǎn)換后的信息通過CoAP協(xié)議在臺區(qū)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，實現(xiàn)相關(guān)既定操作。

3? 基于CoAP的智能臺區(qū)數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)

考慮配電臺區(qū)中溫度、濕度傳感器部分，設(shè)計一個數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)，該系統(tǒng)可查看設(shè)備任一傳感器的數(shù)據(jù)。單個設(shè)備可定時向主站服務(wù)器推送傳感器檢測結(jié)果，同時，服務(wù)器可同時接收多個設(shè)備請求，解析內(nèi)容后保存至數(shù)據(jù)庫。基于臺區(qū)智能化管理需求，利用移動設(shè)備，如智能手機(jī)等可隨時隨地查看。