基于CoAP協(xié)議的智能配電臺(tái)區(qū)研究

段金見(jiàn) 李立生 梁春燕 葛詩(shī)涵 劉合金 劉洋

摘? 要： 針對(duì)配電臺(tái)區(qū)中數(shù)據(jù)復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和設(shè)備資源受限等問(wèn)題，研究了受限應(yīng)用協(xié)議，介紹其協(xié)議棧、請(qǐng)求/響應(yīng)模式與重傳機(jī)制。對(duì)比CoAP和MQTT協(xié)議，設(shè)計(jì)了臺(tái)區(qū)傳感器數(shù)據(jù)查詢(xún)系統(tǒng)，進(jìn)行服務(wù)器端的連接測(cè)試。結(jié)果表明，CoAP簡(jiǎn)單、開(kāi)銷(xiāo)小，滿(mǎn)足資源受限環(huán)境的應(yīng)用層通信需求，適用于臺(tái)區(qū)中低功耗智能終端接入網(wǎng)絡(luò);對(duì)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(tái)區(qū); CoAP; 物聯(lián)網(wǎng); 資源受限環(huán)境; MQTT; HTTP協(xié)議

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915.04?34; TM764? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 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(guó)在發(fā)電和輸電方面基本實(shí)現(xiàn)了信息化、自動(dòng)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(tái)區(qū)是連接配電和用電兩大環(huán)節(jié)的重要樞紐，是實(shí)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(guò)程中勢(shì)必會(huì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化管理。

在無(wú)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(jì)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(duì)資源受限節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)，實(shí)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(diǎn)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(lèi)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(lái)，其主要目標(biāo)是滿(mǎn)足受限環(huán)境的特殊需求[5]。

同時(shí)，現(xiàn)有臺(tái)區(qū)中存在局限性：配電變壓器在整個(gè)配電網(wǎng)中的分布點(diǎn)多、面廣，在智能配電臺(tái)區(qū)建設(shè)過(guò)程中，許多低功耗資源受限型設(shè)備也隨之接入，尤其是臺(tái)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(duì)國(guó)內(nèi)配電臺(tái)區(qū)的現(xiàn)狀和需求，本文建立基于CoAP的通信方案，研究臺(tái)區(qū)中低功耗資源受限設(shè)備的接入方式，實(shí)現(xiàn)配電臺(tái)區(qū)用電數(shù)據(jù)的可靠采集、監(jiān)視等功能，使整個(gè)臺(tái)區(qū)系統(tǒng)可靠性高、適用性強(qiáng)。

1? 智能配電臺(tái)區(qū)結(jié)構(gòu)

智能配電臺(tái)區(qū)主要由變壓器、配電箱、智能配變終端、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備、智能電表等組成[6-8]。臺(tái)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(cè)、優(yōu)化運(yùn)行、用戶(hù)負(fù)荷管理、異常報(bào)警等功能。智能配電臺(tái)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(tái)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)?，F(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(gè)輕量級(jí)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(duì)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(xiàng)等[9]。應(yīng)用程序通過(guò)URI標(biāo)識(shí)獲取服務(wù)器資源，有四種不同的請(qǐng)求方法，即GET，PUT，POST和DELETE，每一個(gè)不能被服務(wù)器識(shí)別或未被服務(wù)器支持的方法通常會(huì)導(dǎo)致一個(gè)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(wú)線個(gè)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(gè)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(duì)于受限資源設(shè)備，使用IPv6加6LoWPAN方式，把IPv6首部經(jīng)過(guò)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(qǐng)求/響應(yīng)模式

CoAP具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中與HTTP存在區(qū)別。在CoAP中包含至少三種不同的請(qǐng)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(tái)區(qū)中溫度傳感器檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明。分離模式下的GET請(qǐng)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(bào)文和ACK報(bào)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(guò)程中產(chǎn)生兩個(gè)Message ID：0x7a10和0x23bb，僅包括一個(gè)Token為0x73。由此可以看出，Message ID多用于報(bào)文確認(rèn)，Token多為應(yīng)用確認(rèn)。CoAP客戶(hù)端試圖獲取溫度傳感器資源，用Token“標(biāo)記”該應(yīng)用動(dòng)作，而CoAP服務(wù)器返回溫度傳感器檢測(cè)結(jié)果時(shí)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(guò)程中，CoAP請(qǐng)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(bào)文由ACK_TIMEOUT，ACK_RANDOM_FACTOR和MAX_RETRANSMIT三個(gè)參數(shù)控制。CoAP重傳機(jī)制由超時(shí)時(shí)間和重傳計(jì)數(shù)器兩個(gè)參數(shù)控制。對(duì)一個(gè)CON報(bào)文來(lái)說(shuō)，初始超時(shí)時(shí)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(shí)為2～3 s，2.45 s，2.95 s都為合理初始超時(shí)時(shí)間。重傳計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始遞增，若未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到ACK報(bào)文或RST報(bào)文，CON報(bào)文會(huì)被重新發(fā)送，重傳計(jì)數(shù)器自動(dòng)增加。

2.2? MQTT協(xié)議

MQ遙測(cè)傳輸（MQTT）是輕量級(jí)基于代理的發(fā)布/訂閱模式的消息傳輸協(xié)議，包含一個(gè)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(qǐng)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(gè)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(guò)程經(jīng)常被稱(chēng)為“推送”，在推送過(guò)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(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)比

MQTT與CoAP的對(duì)比如表1所示。從表1來(lái)看，二者從消息種類(lèi)到安全性等方面都有很大的不同點(diǎn)。相對(duì)于MQTT，CoAP像是傳統(tǒng)的基于網(wǎng)站的業(yè)務(wù)，可訪問(wèn)服務(wù)器資源，提交本身數(shù)據(jù);采用UDP作為傳輸層，沒(méi)有連接過(guò)程，傳輸時(shí)間更短;具有穩(wěn)定的資源發(fā)現(xiàn)機(jī)制。同時(shí)，CoAP對(duì)受限環(huán)境做了特殊的設(shè)計(jì)。綜上考慮，在配電臺(tái)區(qū)中采用CoAP協(xié)議，CoAP對(duì)臺(tái)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(tái)區(qū)建設(shè)

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

該智能配電臺(tái)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(diǎn)[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?cái)U(kuò)展模塊，以采集更多數(shù)據(jù);智能保護(hù)開(kāi)關(guān)可實(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、維護(hù)，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)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(guò)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(shí)，通過(guò)HTTP與CoAP協(xié)議相互轉(zhuǎn)換的功能，實(shí)現(xiàn)針對(duì)指令的報(bào)文封裝和轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)封裝轉(zhuǎn)換后的信息通過(guò)CoAP協(xié)議在臺(tái)區(qū)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)相關(guān)既定操作。

3? 基于CoAP的智能臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)查詢(xún)系統(tǒng)

考慮配電臺(tái)區(qū)中溫度、濕度傳感器部分，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)查詢(xún)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(gè)設(shè)備可定時(shí)向主站服務(wù)器推送傳感器檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)，服務(wù)器可同時(shí)接收多個(gè)設(shè)備請(qǐng)求，解析內(nèi)容后保存至數(shù)據(jù)庫(kù)?；谂_(tái)區(qū)智能化管理需求，利用移動(dòng)設(shè)備，如智能手機(jī)等可隨時(shí)隨地查看。