CN106412013B - 一种基于Linux的光伏并网Web监测系统 - Google Patents

一种基于Linux的光伏并网Web监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Linux的光伏并网Web监测系统，包括光伏并网系统、核心控制器FPGA、Web服务器、计算机或移动终端等。其中，核心控制器FPGA采用异构双核模式，核1产生光伏并网系统的控制信号，核0搭载Linux系统来运行网络服务、数据存储和监测等功能。在核心控制器FPGA的核0中搭建Linux系统；进行光伏并网Web监测系统的设计，包括：Web服务器选择及其体系架构设计、公共网关接口(CGI)设计、数据库选择及其与CGI通信设计、Web监控界面的设计；最后给出了核0的应用程序设计、异构双核处理器启动和通信方式选择等。所选CGI接口技术能使服务器与网页产生很好的交互性；移植的Boa服务器占用资源少、系统开销低；基于Web的监测系统能随时随地对光伏并网系统状态进行监测。

Description

一种基于Linux的光伏并网Web监测系统
技术领域
本发明涉及新能源领域，尤其涉及一种基于Linux的光伏并网Web监测系统。
背景技术
随着全球储备能源的快速消耗，诸如煤、石油、天然气等传统能源的供应愈发紧张，为了缓解能源与环境危机，风能、太阳能等一次可再生能源的开发利用得到高度关注。光伏发电作为一种新能源的发电形式，具有很不错的发展前景。但它受环境影响较大，且由于发电的不连续和不确定性，并网运行时等会影响电网电能质量，甚至影响电网的正常运行。为了实时了解并网系统运行状况并对系统进行控制，需要对光伏发电并网系统进行监控。
监控系统是集控制技术、计算机技术和网络技术为一体的高科技产品，用于工业系统的监测、控制和管理，具有实时性强、控制力强和方便可靠等优点。计算机、自动化和通信等技术的发展，使监控系统从传统的集散控制变为集中控制，同时它也为远程管理奠定了良好的基础。
随着计算机技术的迅速发展和互联网的普及，Web技术也得到广泛应用。Web技术为远程监测和管理提供了一种新的方法，操作员可以通过Web在不同地点对控制系统进行监控，随时了解系统的运行状态并进行相应的管控。基于web的网络监控模式为用户提供统一的图形界面，能解决多平台互操作问题，实现系统实时监控，是一项值得研究和探索的技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Linux的光伏并网Web监测系统，以实现光伏并网系统的实时远程监测。本发明主要采用如下技术方案：
一种基于Linux的光伏并网Web监测系统，包括：光伏并网系统、核心控制器FPGA、Web服务器、SQLite数据库、计算机或移动终端等。光伏并网系统与核心控制器FPGA中的核1相连，Web服务器则与核0相连，FPGA内部核1与核0可进行实时数据交互，同时，Web服务器也与电脑或移动终端连接。其中，核心控制器FPGA采用异构双核模式，核1产生光伏并网系统的控制信号，核0搭载Linux系统来运行网络服务、数据存储和监测等功能。首先在核心控制器FPGA的核0中搭建Linux系统；然后进行光伏并网Web监测系统的设计，包括：Web服务器选择及其体系架构设计、公共网关接口(CGI)设计、数据库选择及其与CGI通信设计、Web监控界面的设计；最后给出了核0的应用程序设计、异构双核处理器启动和通信方式选择等。Linux采用B/S架构，通过Web网络服务，用户可使用电脑或移动终端访问网页，实现对光伏并网系统的远程监测。
优选的，所述核心控制器FPGA选用异构双核的Zynq-7000型号。在FPGA中，系统功能实现主要包括三层：硬件层、系统层和应用层。FPGA中，核1实现光伏并网系统的相关控制，主要完成MPPT、SPWM、CAP和ADC等算法程序设计，核0移植Linux系统，实现光伏监测，包括：远程登录、数据存储和人机交互等，同时两核也可以进行实时数据交互。
优选的，本发明给出了核0的Linux系统实现整体架构，包括移植编译Uboot、Kernal、Devicetree及Rootfs等Linux系统文件，通过CGI程序调用，实现Web界面和主机的信息交互。同时编写了多线程的应用程序，包含Web数据接收和发送线程、数据库存储线程、双核间通信线程、过流过压和系统异常保护等线程。
优选的，所述Web服务器选择体积小、性能高的Boa嵌入式服务器，它响应快、资源开销小、能支持动态CGI并且源代码开放。采用CGI作为Boa服务器和应用程序的标准接口，CGI接口技术能使服务器与浏览器产生很好的交互性。系统选择小型SQLite数据库，它占有资源少、系统开销低，使用简单灵活。人机界面是基于HTML/JSP语言编写的，主要有登录界面、光伏管理界面、实时信息显示界面和历史数据显示界面。
优选的，所述Linux进程间通信(IPC)方式选择如下：消息队列用于Web网页经CGI向网络服务器发送数据，包括指令和少量数据；共享内存用于CGI传送到web中实时显示，环境信息包括电网电压、电流，直流母线电压、电流和输出电压、电流等；信号量用于完成线程间的同步互斥机制，保证临界资源安全可靠；信号用于接收系统信号和用户指定的信号来完成相应的操作等；套接字用于多主机间网络通信，便于系统维护和扩展。
优选的，所述核0不仅运行Linux实现Web监测，同时唤醒和监听核1，并与核1进行通信。
优选的，所述核0运行Linux系统、核1运行光伏并网应用程序的机制是一种非对称异构多处理机制，是嵌入式发展的一项重大突破。在FPGA中，核0与核1有公有资源(如全局定时器)和私有资源(如私有中断)，它们通过公有资源OCM实现通信。OCM在一块连续的内存中分配资源，它是一块共享内存，需要使用内存映射后的地址来访问。在设备目录下存在/dev/shm设备文件，通过open函数和mmap函数即可获的共享内存的起始映射地址。在程序中进行宏定义，其中COMM_BASE是双核间通信的起始物理地址，访问映射后加上相应的偏移量的通信地址，即可实现双核间通信。另外采用了问答机制避免两核产生通信冲突。
本发明的优点在于：
1、双核系统易于扩充，外形小巧且处理性能强大，所用功耗低，产生热量少；
2、所选CGI接口技术能使服务器与网页产生很好的交互性；移植的Boa服务器占用资源少、系统开销低；双核问答通信机制能有效避免两核间通信冲突。
3、基于Web的监测系统能随时随地对光伏并网系统状态进行监测。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1为本发明的基于Linux的光伏并网Web监测系统结构图；
图2为本发明的双核FPGA系统功能框图；
图3为本发明的核0软件结构框图；
图4为本发明的Web服务器体系架构图；
图5为本发明的CGI工作流程图；
图6为本发明的Linux系统程序设计结构图；
图7为本发明的双核通信原理图；
图8为本发明的核0启动流程图；
图9为本发明的用户登录身份验证流程图；
图10为本发明的网页系统的用户登录界面；
图11为本发明的用户信息匹配测试图；
图12为本发明的用户管理流程图；
图13为本发明的网页系统的光伏并网管理界面；
图14为本发明的网页系统的光伏信息实时显示界面；
图15为本发明的历史数据管理流程图；
图16为本发明的网页系统的历史数据显示界面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
一种基于Linux的光伏并网Web监测系统，其结构如图1所示。系统主要包括：光伏并网系统、核心控制器FPGA、Web服务器、SQLite数据库、计算机或移动终端等。光伏并网系统与核心控制器FPGA中的核1相连，Web服务器则与核0相连，FPGA内部核1与核0可进行实时数据交互，同时，Web服务器也与电脑或移动终端连接。其中，核心控制器FPGA采用异构双核模式，核1产生光伏并网系统的控制信号，核0搭载Linux系统来运行网络服务、数据存储和监测等功能。首先在核心控制器FPGA的核0中搭建Linux系统；然后进行光伏并网Web监测系统的设计，包括：Web服务器选择及其体系架构设计、公共网关接口(CGI)设计、数据库选择及其与CGI通信设计、Web监控界面的设计；最后给出了核0的应用程序设计、异构双核处理器启动和通信方式选择等。Linux采用B/S架构，通过Web网络服务，用户可使用电脑或移动终端访问网页，实现对光伏并网系统的远程监测。
核心控制器FPGA选用异构双核的Zynq-7000型号。在FPGA中，系统功能实现主要包括三层：硬件层、系统层和应用层，其功能框图如图2所示。FPGA中，核1实现光伏并网系统的相关控制，主要完成MPPT、SPWM、CAP和ADC等算法程序设计，核0移植Linux系统，实现光伏监测，包括：远程登录、数据存储和人机交互等，同时两核也可以进行实时数据交互。
图3给出了核心控制器FPGA核0的软件实现整体架构，包括移植编译Uboot、Kernal、Devicetree及Rootfs等Linux系统文件，设计了Web交互界面，通过CGI程序调用，实现Web界面和主机的信息交互。同时编写了多线程的应用程序，包含Web数据接收和发送线程、数据库存储线程、双核间通信线程、过流过压和系统异常保护等线程。
Web光伏监测系统选择体积小、性能高的Boa嵌入式Web服务器，它响应快、资源开销小、能支持动态CGI并且源代码开放。图4给出了Web服务器体系架构。采用CGI作为Boa服务器和应用程序的标准接口，系统选择小型SQLite数据库，它占有资源少、系统开销低，使用简单灵活。人机界面是基于HTML/JSP语言编写的，主要有登录界面、光伏管理界面、实时信息显示界面和历史数据显示界面。
CGI为公共网关接口，它是系统的应用程序与Web服务器之间的标准接口，能使CGI程序和Web服务器进行信息传递，CGI接口技术能使服务器与浏览器产生很好的交互性。其工作流程图如图5所示。编译CGI应用程序时，需包含cgi.c和cgi.h等相应文件，其中cgi.c文件中定义了CGI应用程序的接口函数及变量，而cgi.h文件中声明了cgi.c文件中的函数接口及变量，生成指定的目标文件需通过自定义的源文件与cgi.c联合编译生成.cgi的文件。当网页提交Form表单的时候，即会调用www/cgi.bin/中相应的.cgi目标文件，同时服务器调用相应的.cgi也向网页传送信息。
Linux系统执行应用程序时，程序必须经过交叉编译器编译过，且是ARM格式的目标文件。当Linux系统启动后，在/etc/init.d/rcS开机脚本中添加应用程序，即可实现应用程序的开机启动。系统启动后需执行多个线程，其中包括接收Web网页发来的控制命令线程、发送数据到Web网页显示线程、数据库线程、双核间通信线程、过流过压等保护线程和系统异常线程。Linux系统程序设计结构如图6所示。所述Linux进程间通信(IPC)方式选择如下：消息队列用于Web网页经CGI向网络服务器发送数据，包括指令和少量数据；共享内存用于CGI传送到web中实时显示，环境信息包括电网电压、电流，直流母线电压、电流和输出电压、电流等；信号量用于完成线程间的同步互斥机制，保证临界资源安全可靠；信号用于接收系统信号和用户指定的信号来完成相应的操作等；套接字用于多主机间网络通信，便于系统维护和扩展。
核0运行Linux系统、核1运行光伏并网应用程序的机制是一种非对称异构多处理机制，是嵌入式发展的一项重大突破。在FPGA中，核0与核1有公有资源(如全局定时器)和私有资源(如私有中断)，它们通过公有资源OCM实现通信。OCM在一块连续的内存中分配资源，它是一块共享内存，需要使用内存映射后的地址来访问。在设备目录下存在/dev/shm设备文件，通过open函数和mmap函数即可获的共享内存的起始映射地址。在程序中进行宏定义，其中COMM_BASE是双核间通信的起始物理地址，访问映射后加上相应的偏移量的通信地址，即可实现双核间通信。另外采用了问答机制避免两核产生通信冲突。双核通信原理如图7所示。即当核1向核0发送数据，核1将发送标志置1，同时发送数据。核0循环读取发送标志，若发送标志置1，即读取数据并清除发送标志。同理，当核1接收核0发送数据，核0将接收标志置1，同时接收数据。核1循环读取接收标志，若接收标志置1，即读取数据并清除接收标志。
核心控制器FPGA核0启动流程如图8所示，核0不仅运行Linux实现Web监测，同时唤醒和监听核1，并与核1进行通信。采用B/S架构完成基于Linux系统的网络通信，实现远程登录、实时显示、报警以及历史数据存储功能。
WEB网页的设计主要包括：用户信息存储与验证、系统管理员信息的注册和历史数据信息存储等。图9为本发明用户登录身份验证流程图。用户使用Web服务器时首先进行身份验证。首次登陆需要注册，通过CGI和SQLite交互，把用户名存入数据库中，调用sqlite3_open()函数打开数据库，通过sqlite3_get_tab()函数读取数据。CGI程序把用户从浏览器发出的用户名和密码信息同数据库数据进行匹配，若成功，则跳转到光伏主界面HTML网页，否则跳转到原页面重新登录。其对应的用户登录界面如图10所示。图11为登陆信息匹配测试图，上半部分是从数据库中匹配打印出的用户名和密码，下半部分是用户登录的用户名和密码，若匹配成功，则提示“Login successful！”，并跳转主界面，否则提示不成功，并跳转回登录界面。图12为本发明的用户管理流程图。在启动用户管理时，系统请求输入管理员的用户名和密码，与数据库中数据进行匹配，判断是否为管理员。当确定为管理员权限后进入用户管理界面，管理员可在界面中进行用户注册、删除等操作。其对应的网页系统的光伏并网管理界面如图13所示。图14为本发明的网页系统的光伏信息实时显示界面。包括并网系统各个变量状态信息和系统整体运行状态信息。图15为本发明的历史数据管理流程图。网络服务器每隔一段时间会向Web网页上传送光伏系统的实时信息，包括电网电压、电流、直流母线电压、电流和输出电压、电流等信息。系统将收到的数据存至数据库中，用户可根据需求随时查询系统历史状态信息。同时判断是否为异常数据，若是，则进行标记并报警。其对应的网页系统的历史数据显示界面如图16所示。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于Linux的光伏并网Web监测系统，其特征在于，包括光伏并网系统、核心控制器FPGA、Web服务器、计算机或移动终端，所述光伏并网系统被配置为与所述核心控制器FPGA中的核1相连，所述Web服务器则被配置为与所述核心控制器FPGA中的核0相连，所述核心控制器FPGA内部的核1与核0可进行实时数据交互，同时，Web服务器也与计算机或移动终端连接；其中，核心控制器FPGA采用异构双核模式，核1产生光伏并网系统的控制信号，核0搭载Linux系统来运行网络服务、数据存储和监测功能；
所述核心控制器FPGA为异构双核的Zynq-7000；在核心控制器FPGA中，系统功能被配置为硬件层、系统层和应用层；其中，核1被配置为实现光伏并网系统的MPPT、SPWM、CAP和ADC控制，核0被配置为移植Linux系统实现光伏监测，包括：远程登录、数据存储和人机交互，同时两核被配置为可进行实时数据交互；
Linux进程间通信方式被配置为：消息队列用于Web网页经CGI向网络服务器发送数据，包括指令和少量数据；共享内存用于CGI传送到web中实时显示，环境信息包括电网电压、电流，直流母线电压、电流和输出电压、电流；信号量用于完成线程间的同步互斥机制，保证临界资源安全可靠；信号用于接收系统信号和用户指定的信号来完成相应的操作；套接字用于多主机间网络通信，便于系统维护和扩展；
所述核0运行Linux系统、所述核1运行光伏并网应用程序，所述核0与核1的公有资源和私有资源被配置为通过公有资源OCM实现通信，所述OCM被配置为在一块连续的内存中分配资源，使用内存映射后的地址来访问；所述核0与核1采用了问答机制避免两核产生通信冲突。
2.根据权利要求1所述的光伏并网Web监测系统，其特征在于，所述核0的整体架构包括移植编译的Linux系统文件、Web交互界面和多线程的应用程序，所述Web交互界面通过CGI程序调用实现Web界面和主机的信息交互，所述多线程的应用程序包含Web数据接收和发送线程、数据库存储线程、双核间通信线程、过流过压和系统异常保护线程。
3.根据权利要求1所述的光伏并网Web监测系统，其特征在于，Web服务器被配置为Boa嵌入式，Boa服务器和应用程序的标准接口采用CGI；数据库系统为小型SQLite数据库；人机界面包括登录界面、光伏管理界面、实时信息显示界面和历史数据显示界面。
4.根据权利要求1所述的光伏并网Web监测系统，其特征在于，所述核0不仅运行Linux实现Web监测，同时唤醒和监听核1，并与核1进行通信。
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