基于嵌入式Webserver的光伏逆變器監(jiān)控平臺開發(fā)

李方健 郝瑞祥

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源緊缺環(huán)境惡化問題日趨嚴(yán)重，尋找綠色環(huán)保的新能源已成為人類面臨的迫切課題。光伏并網(wǎng)發(fā)電就是一種很好的綠色新能源，它將太陽能電池發(fā)出的直流電經(jīng)并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)化為與現(xiàn)有電網(wǎng)同頻、同相的交流電，供給負(fù)荷使用或送入電網(wǎng)。

現(xiàn)有的光伏逆變器多分散安裝在較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，同時面臨光照不連續(xù)穩(wěn)定的情況，這給用戶和電網(wǎng)監(jiān)管人員都帶來了很大的不便，故設(shè)計一整套能夠完善的監(jiān)控系統(tǒng)對用戶和監(jiān)管人員都顯得十分重要。

本文堅持以遠(yuǎn)程、實時、集中監(jiān)控為原則，設(shè)計了基于嵌入式webserver的光伏逆變器監(jiān)控平臺。該平臺采用ARM9系列的32位微處理器S3C2440和DM9000A網(wǎng)絡(luò)芯片為核心，擴(kuò)展了串口、485、CAN及網(wǎng)絡(luò)通信功能?；谠撚布脚_，移植了嵌入式linux系統(tǒng)和boa服務(wù)器程序，并通過后臺數(shù)據(jù)處理程序?qū)崿F(xiàn)了監(jiān)控數(shù)據(jù)的可靠傳送，保證了光伏逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常分為B/S結(jié)構(gòu)和C/S結(jié)構(gòu)兩種。由于C/S結(jié)構(gòu)要在監(jiān)控計算機(jī)端編寫和部署大型軟件，給安裝和維護(hù)帶來了不便。故在本設(shè)計中采用了B/S模式的監(jiān)控結(jié)構(gòu)。監(jiān)控人員只需在監(jiān)控計算機(jī)打開瀏覽器，輸入正確的IP地址即可方便地進(jìn)行操作。

在本監(jiān)控平臺中，以ARM為核心的電路板作為服務(wù)器，通過現(xiàn)場總線與光伏逆變器的DSP控制板相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳送。監(jiān)控人員通過瀏覽器向服務(wù)器發(fā)送請求，服務(wù)器則把相應(yīng)的數(shù)據(jù)反饋給監(jiān)控人員。監(jiān)控系統(tǒng)邏輯示意圖如圖1示。

圖1 系統(tǒng)邏輯示意圖

2 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計

2.1 主控芯片S3C2440介紹

Samsung公司推出的32位RISC處理器S3C2440為嵌入式設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了高性價比和高可靠性的微控制器解決方案。它的低功耗精簡結(jié)構(gòu)和出色的全靜態(tài)設(shè)計特別適用于對成本和功耗敏感的應(yīng)用。S3C2440采用ARM920T內(nèi)核，400M主頻，保證了逆變器監(jiān)控對實時性的要求。同時，具有2通道的USB HOST，以及3通道的UART，為外部接口的設(shè)計提代了很大的便利。此外，S3C2440芯片還具有LCD控制器，SD卡控制器，并可以方便的外擴(kuò)CAN控制器，保證了平臺功能增加和移植的可行性。

2.2 硬件平臺設(shè)計

在硬件設(shè)計時為了保證出色的電氣性能和抗干擾性能，核心板采用6層設(shè)計，外擴(kuò)接口板采用4層設(shè)計。其中S3C2440處理器和NAND FLASH（64M）、SDRAM（64M）設(shè)計在核心板上，其余接口和電源電路設(shè)計在擴(kuò)展板。64M的NAND FLASH用來存儲操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)及應(yīng)用程序，足夠大的空間保證了燒寫系統(tǒng)內(nèi)核和文件系統(tǒng)的可靠性。64M的SDRAM作為系統(tǒng)運(yùn)行的動態(tài)內(nèi)存。網(wǎng)絡(luò)接口芯片選擇了 DAVICOM公司的DM9000A。串口用來與光伏逆變控制板進(jìn)行通信，JTAG接口用來燒寫程序。硬件連接示意圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件連接示意圖

3 軟件功能的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在本系統(tǒng)中，采用B/S模式的監(jiān)測結(jié)構(gòu)，即是以ARM板作為服務(wù)器端，嵌入式 Web服務(wù)器的具體實現(xiàn)方法是多種多樣的，本文采用 BOA作為web服務(wù)器，與其他傳統(tǒng)的Web服務(wù)器不同的是，當(dāng)有連接請求到來時.它并不為每個連接單獨創(chuàng)建進(jìn)程，也不通過復(fù)制自身進(jìn)程來處理多鏈接，而是通過建立HTTP請求列表來處理多路HTTP連接請求，同時它只為CGI程序創(chuàng)建新的進(jìn)程，這樣就在最大程度上節(jié)省了系統(tǒng)資源。Web server軟件結(jié)構(gòu)圖如圖3示。

圖3 Web server軟件結(jié)構(gòu)示意圖

在后臺的數(shù)據(jù)處理模塊中，設(shè)計CGI程序來產(chǎn)生瀏覽器頁面，但是由于 CGI程序是在遠(yuǎn)程用戶通過瀏覽器訪問時才執(zhí)行，直接通過CGI程序來訪問和控制下位機(jī)不合適。所以需要存在一個后臺串口數(shù)據(jù)處理程序，該程序負(fù)責(zé)控制和訪問下位機(jī)，并且負(fù)責(zé)與CGI程序的通訊。兩個程序間通過共享內(nèi)存方式傳遞數(shù)據(jù)。后臺處理程序的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4示。

圖4 后臺處理程序示意圖

3.2 BOA服務(wù)器的移植與實現(xiàn)

（1）在 www.boa.org下載 boa服務(wù)器代碼 boa－0.94.13.tar.gz，并將其解壓。

（2）生成相應(yīng)的makefile文件。

#cd boa －0.94.13

#src/configure

（3）對BOA的配置做出相應(yīng)的修改。主要通過對boa.eonf和mine.types進(jìn)行修改來實現(xiàn)，比如指定Web Server的根目錄路徑或其他文件路徑等。

（4）創(chuàng)建相關(guān)目錄。在/etc目錄下創(chuàng)建boa目錄，里面放入boa的配置文件boa.conf，創(chuàng)建日志文件所在目錄/var/www，創(chuàng)建CGI腳本所在目錄/var/www/cgi－bin/。

（5）把準(zhǔn)備好的boa服務(wù)器程序放置在內(nèi)核/etc/boa下，重新編譯內(nèi)核根文件系統(tǒng)。此時，運(yùn)行boa可執(zhí)行文件后，通過遠(yuǎn)程即可訪問并遠(yuǎn)程操作。

3.3 串口數(shù)據(jù)處理程序

串口數(shù)據(jù)處理程序隨Linux系統(tǒng)啟動而運(yùn)行，運(yùn)行之后首先初始化串口，然后創(chuàng)建一個1024字節(jié)的共享內(nèi)存空間，開始等待CGI程序傳來控制命令，當(dāng)接收到控制命令后，從串口中讀取數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)寫入共享內(nèi)存。程序流程圖如圖5所示。

Linux系統(tǒng)中對串口的操作主要分為打開串口，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)等。

3.4 共享內(nèi)存問題的處理

圖5 后臺數(shù)據(jù)程序流程圖

為了保證共享空間數(shù)據(jù)的正確性，防止串口數(shù)據(jù)處理程序和CGI程序同時讀寫共享空間，需要設(shè)置一個信號量實行PV操作保證同時只能由一個程序讀寫。創(chuàng)建共享內(nèi)存主要代碼如下:

3.5 動態(tài)網(wǎng)頁生成CGI程序設(shè)計

CGI（common gateway interface）是外部應(yīng)用擴(kuò)展應(yīng)用程序與WWW服務(wù)器交互的一個標(biāo)準(zhǔn)接口。按照CGI標(biāo)準(zhǔn)編寫的外部擴(kuò)展應(yīng)用程序可以處理客戶端瀏覽器輸入的數(shù)據(jù).從而完成客戶端與服務(wù)器的交互操作。CGI腳本程序可以用多種語言編寫，本文中采用C語言編寫CGI程序，具有程序結(jié)構(gòu)簡單、執(zhí)行效率高的優(yōu)點。

當(dāng)有數(shù)據(jù)從瀏覽器傳到Web服務(wù)器后，該服務(wù)器會根據(jù)傳送的類型，將這些接收到的數(shù)據(jù)傳入QUERY_STRING變量中，CGI程序可以通過標(biāo)準(zhǔn)輸入，在程序中接收這些數(shù)據(jù)。當(dāng)要向瀏覽器發(fā)送信息時，只要向Web服務(wù)器發(fā)送特定的文件頭信息，即可通過標(biāo)準(zhǔn)輸出將信息發(fā)往Web服務(wù)器，Web服務(wù)器處理完這些由CGI程序發(fā)來的信息后，就會將這些信息發(fā)送給瀏覽器。

4 系統(tǒng)的連接與調(diào)試

在測試監(jiān)測平臺功能時，將光伏逆變器的DSP控制板RS232接口與ARM板的RS232接口相連，并將ARM板的網(wǎng)口通過網(wǎng)線直接與筆記本相連，將ARM板的IP地址設(shè)置為192.168.0.2，將個人電腦 IP 設(shè)置為192.168.0.1。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于B/S模式的光伏逆變器監(jiān)測平臺設(shè)計方法。給出了相應(yīng)的軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)分析了實現(xiàn)嵌入式web server功能的軟件結(jié)構(gòu)及程序設(shè)計過程。該監(jiān)測平臺具有硬件接口豐富，軟件結(jié)構(gòu)健壯的特點。由于此設(shè)計是一個單獨的模塊，是一個連接下位機(jī)和監(jiān)控者的中間件，只要在軟件上作相應(yīng)地修改就能很容易地應(yīng)用到各種嵌入式設(shè)備中，在工業(yè)或日常生活中具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］陳曉龍，周文華，劉建華.基于UC1825控制的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計［J］.制造業(yè)自動化，2010，32（7）:173 －175.

［2］馮軻，賀明智，游小杰，等.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤島檢測技術(shù)研究［J］.電氣自動化，2010，32（2）:39 －42.

［3］徐榮珍，李加文，郭偉，等.基于uClinux的串口/以太網(wǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備開發(fā)［J］.計算機(jī)工程，2006，32（17）:265 －267.

［4］彭道剛，張浩，江劍寧，等.基于ARM和Linux的嵌入式Web Server設(shè)計與實現(xiàn)［J］.機(jī)電一體化，2008，14（10）:37 －40.

［5］吳學(xué)名.和諧機(jī)車車載自動過分相監(jiān)控系統(tǒng)的研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2009.

［6］陳昆燦.地鐵牽引變斷路器在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)［D］.北京:北京交通大學(xué)，2010.

［7］蔣鳴.基于Internet的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［8］董濤.基于嵌入式Web server的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)設(shè)計與研究［D］.武漢:湖北工業(yè)大學(xué)，2007.

［9］ Zhu F.uCLinux-based webserver realization on ARM platform［C］.ISECS InternationalColloquium on Computing， Communication，Control，and Management，2009.

［10］陸永健，王萍，吳佳，等.嵌入式Web服務(wù)器Boa的移植及其應(yīng)用［J］.河海大學(xué)常州分校學(xué)報，2005，19（4）:44－47.