基于嵌入式系统的可再生能源远程监控系统

摘要

可再生能源的广泛应用能源源(RES)需要集中监控系统。要使这些操作控制室独立，就需要开发智能服务器和基于web的应用程序。成本是任何嵌入式系统设计的一个基本因素。本课题探讨了一种全新的低成本伺服器/客户端嵌入式系统的设计理念能源来源。本文采用嵌入式Linux操作系统和ARM9控制器开发嵌入式服务器。低成本的客户端设计采用arm7单片机与局域网连接。在局域网系统中，服务器和客户端相互连接，开发了基于服务器的应用程序来监控客户端操作。服务器有基于web的应用程序，可以通过互联网访问。它由服务器子系统和多个客户端子系统组成。客户端嵌入式系统直接连接到驱动某些应用的单个可再生能源。服务器嵌入式系统是通过局域网连接到各个客户端的中央系统。这个服务器系统监视和控制所有客户端的操作。任何一台基于internet的计算机都可以通过web监控服务器的运行。 This gives facility to administrator to control the operation of client from any corner of world & he need not required to be at control station were server is resided.

关键字

可再生能源(RES)， Boost-Up转换器，LPC2378单片机，rj45，三星，Matlab, 10Base-T

介绍

在过去的一个世纪里，人们已经看到不可再生能源的消耗比任何其他人类活动对环境造成的破坏都要大。煤和原油等化石燃料产生的电力导致大气中有害气体浓度过高。这反过来又导致了今天面临的许多问题，如臭氧消耗和全球变暖。因此，替代能源已经变得非常重要，与当今世界息息相关。这些资源，如太阳能和风能，是永不枯竭的，因此被称为可再生能源。从这些来源转换电能的系统被称为可再生能源系统。可再生能源是来自自然资源的能源，如阳光、风、雨、潮汐(海浪)和地热(地球产生的热量)。所有系统都被远程放置，并产生电力存储在电池中。由于发电和消费系统位于远程，因此它们需要监控并具有集中控制系统。嵌入式系统具有低成本、低功耗、体积小等特点，是当今世界发展嵌入式系统的必然要求。分布式可再生能源嵌入式系统的开发是一项具有挑战性的任务。

提出了一种基于ARM控制器的以太网嵌入式系统。本文讨论了以太网系统的设计及其与基于ARM的控制器的接口。本文介绍了一种独立于平台的嵌入式web服务器的实现及其集成。通过在控制网络中引入web，可以突破传统控制网络的时空限制，有效地实现对设备的遥感、监测和实时控制。

基于Internet的嵌入式远程监控系统的体系结构存在一些关键问题。他们建议使用Java Applet进行动态页面设计，提高响应能力。嵌入式web服务器是为无线传感器网络(WSN)中的一个节点设计和构建的扩展模块。这允许授权的互联网用户与传感器网络建立双向通信。服务器使用有限的可用硬件资源来实现到WSN节点的接口，并向远程用户提供动态HTML页面。用户可以远程监控WSN的运行情况，定期下载感知到的数据，并改变网络的运行模式。本文讨论了如何设计web服务器，并使用JAVA语言来设计web服务器。他们还讨论了有关可再生能源的问题，有关可再生能源的数据如何监控和如何在集中服务器上收集。

提出了一种基于internet的可再生能源系统嵌入式网络监测系统。通过使用低成本的网络通信模块(rcm3700)作为web服务器，与基于PC的网络通信模块相比，可以实现更好的网络安全性、更低的功耗、更紧凑的尺寸和更易于使用。

硬件

答:LPC2378

LPC2378是一款16/32位ARM7TDMI-S，具有512K字节程序闪存，16K字节RAM，外部内存总线，RTC, 4x 10位ADC 2.44 uS, 2倍UARTs,4倍CAN, I2C, SPI, 2倍32位TIMERS, 7倍CCR, 6倍PWM, WDT, 5V容忍I/O，最高60MHz操作。它具有标准的JTAG连接器，ARM 2x10引脚布局，用于ARM-JTAG编程/调试。有一个可选的- TRACE连接器，它是128x128像素12位彩色TFT液晶背光。支持以太网100MBit。它有MMA7620 3轴加速度计，两个RS232端口，两个CAN驱动器和连接器，SD/MMC卡连接器，I2C UEXT连接器，SPI, RS232和电源，用于连接RF链接，MP3等附加模块，IrDA收发器，麦克风和耳机的音频输入和音频输出插孔，连接ADC的trimpot，通过RS232端口外部控制飞利浦ISP实用程序的RESET电路，ISP/RUN模式的跳线，四个方向和推动动作的操纵杆，两个USER按钮，RESET按钮，两个板载电压调节器3V和5V，电流高达800mA。

B.三星S3C2440 ARM9

应用处理器，或SoC(片上系统)，是一种具有专门架构的微处理器，用于部署在嵌入式系统中，如数字静止/摄像机，数字/智能电视和机顶盒，以及汽车系统等。AnSoC的工作频率从几百MHz到几GHz，其架构能够在有限的电路板空间内以低功耗水平提供显著的计算性能。高端soc通常包含多个核心，使其能够在数字成像和多媒体设备等应用中提供出色的性能。ARM核心系列是920T。其速度为300MHz/400MHz。其特点是2410s功能+摄像头接口。

C.太阳能电池板

太阳能电池板是电连接并安装在支撑结构上的一组太阳能光伏模块。光伏组件是一种封装的、连接的太阳能电池组件。太阳能组件可以作为一个更大的光伏系统的组件，在商业和住宅应用中产生和供电。每个模块在标准测试条件(STC)下由其直流输出功率额定，通常范围为100 ~ 320瓦。在相同的额定输出下，模块的效率决定了模块的面积——效率为8%的230瓦模块的面积将是效率为16%的230瓦模块的两倍。单个太阳能组件只能产生有限的电量;大多数安装包含多个模块。光伏系统通常包括一个面板或一组太阳能模块，一个逆变器，有时还有电池和/或太阳能跟踪器和互连线路。

D.太阳辐射

PV装置的效率取决于太阳辐射的光谱分布。太阳是一种光源，其辐射光谱可与6000 K附近黑体的光谱相比较。黑体吸收并发射各种波长的电磁辐射。黑体辐射波长的理论分布可以用普朗克定律进行数学描述，普朗克定律建立了波长(或频率)之间的关系和相互依赖性，黑体的温度和光谱分布.Fig.4.1显示了黑体辐射的光谱分布与外星和地面太阳辐射,研究光伏设备上的太阳辐射的影响是困难的,因为阳光在地球表面的光谱变化等因素影响的温度对太阳圆盘和外星空间的气氛的影响,在太阳与地球的平均距离上，辐照的太阳能约为1.353千瓦/米2．在地球表面，辐射大约是1千瓦/米2(这只是一个参考值，因为地球表面的净辐射取决于许多因素)。

E.中继集线器

中继器集线器可以连接多个接口，并通过检测冲突、重新生成丢失的前位和阻塞来自故障接口的流量来帮助确保可靠的通信。IEEE 802.3标准规定了支持单一速度的中继器集线器的功能，但没有禁止支持多种速度的集线器。在接收到来自接口的流量时，中继器集线器重复该流量，将其传递到每个其他附加的接口。在使用中继器集线器的网络中，每个接口都可以看到来自其他接口的所有流量，只有两个例外。中继器集线器阻止来自故障接口的流量。多速轮毂只有在必要时才能在速度之间进行转换。

远程监控系统的设计

它由服务器子系统和多个客户端子系统组成。客户端嵌入式系统直接连接到驱动某些应用的单个可再生能源。服务器嵌入式系统是通过局域网连接到各个客户端的中央系统。这个服务器系统监视和控制所有客户端的操作。任何一台基于internet的计算机都可以通过web监控服务器的运行。这为管理员提供了方便，可以从世界任何角落控制客户端操作，并且他不需要在服务器所在的控制站。基于Web的设备监控系统的功能是实时采集现场设备的数据信息，通过Web表单发布，并以用户自定义的数据传输样式的形式远程发送。结合基于标准浏览器的组态软件，提供灵活丰富的远程监控和诊断功能。监控系统包括以下基本功能

F.动态发布实时数据

嵌入式Web服务器以Web页面的形式发布和动态刷新实时数据和历史数据。远程客户端通过网络浏览实时信息。

G.远程参数设置

参数包括运行参数和设备工况参数。Web服务器收到远程客户端的参数设置请求后，执行写操作。控制功能包括远程测量、远程调节、远程控制和远程通信。Web服务器收到远程控制操作请求后，发出控制命令驱动监控系统的相应执行机构。本文档涉及系统和模块的配置参数信息。下载功能是从Web服务器上下载参数文件的功能。上传功能是将参数文件从客户上传到Web服务器的功能。监测系统对采集到的数据进行分析和处理。如果数据出现超限和异常，则表明设备处于异常状态。此时Web服务器通过网络自动发送相应的告警邮件，通知管理员及时对设备进行维护。在设计报警功能时，应考虑其自身特点和被监控对象的优先级。对多个报警信号进行加权处理，确保所有重要报警都能及时处理。 In addition, during the system normal operation, it can send the system running log to the designated email address based on user’s setting.Access level setting is not only in the traditional page-based form, but also in the flexible Object-based form. A single device and data collection point may become the Object. Thus, different important levels data point can be configured of different access level in same Page. Only the client which has the access level no lower than the level equipment required can performance the monitoring operation within its limits after the authentication of web server.

灵活的查询和丰富的报表是对监控系统基本功能的扩展。将实时数据与历史数据进行对比分析，从不同角度为管理人员提供设备运行维护信息。为设备的维护、检修、更新和改造提供可靠依据。

H.客户端嵌入式系统设计

客户端嵌入式系统是为以下应用而设计的。通过太阳能系统监控正在充电的电池状态，监控应用程序(风扇和灯)的状态，监控周围的温度，通过局域网与服务器交换信息

可再生能源的连接图如下图所示。这个方框图明确了电池将通过太阳能电池板(可再生能源之一)进行连续充电。多个应用程序，如风扇，灯等将运行在电池。通过与服务器连接的客户端嵌入式系统对设备进行监控。

它有四个开关接口来选择程序菜单。传感器温度和电池电压16X2液晶显示接口，查看单片机输出。多个应用程序通过继电器连接到电路(如风扇和灯光控制)。嵌入式系统是围绕ARM7LPC2378单片机设计的。

一、远程监控系统的结构设计

远程监控系统由数据采集设备、本地Web服务器和远程监控主机组成。嵌入式远程监控系统在嵌入式平台上完成数据采集，并通过TCP/IP协议从web服务器向远程主机提供数据。为实现无人值守管理创造了条件。

ARM9核心板由S3C2410、FLASH和SDRAM组成。三星S3C2410 16/32位RISC是一款具有高性价比、低功耗、小体积、高集成度等特点的微处理器。S3C2410采用ARM920T内核开发。为了降低系统总成本，S3C2410包括以下组件:独立的16KB指令和16KB数据缓存，处理虚拟内存管理的MMU, LCD控制器(STN&TFT)， NAND闪存引导加载程序和系统管理器。

核心板采用数据宽度为8 M×16位的28F128J3C芯片构建闪存系统。采用两片数据宽度为16bit，单片容量为32MB的HY57V561620BT芯片构建SDRAM存储系统。64mb的SDRAM空间可以满足嵌入式操作系统和各种复杂算法操作的要求。硬件平台通过连接以太网MAC芯片DM9000扩展了一个10/100自适应以太网接口。该平台还具有两个串口、USB HOST接口、USB DEVICE接口、音频接口、SD卡接口等。USB HOST接口可以连接USB移动存储设备和其他USB设备，如USB鼠标、USB键盘。USB DEVICE接口可与上位机通信。平台配有液晶显示屏和触摸屏，便于操作和调试。设备的各种信号由传感器采集，经信号调理后由A/D转换芯片ADC0809转换为数字信号。可编程控制芯片用ARM控制A/D采集和数据传输。 The data can be published through web page form by embedded Web server, saved in SD card and displayed by LCD. For the purpose of providing equipment operating condition information facilitate, the system designed RS-232, USB and Ethernet data communication way.

该部分可作为独立的硬件模块嵌入到设备中。通过A/D接口卡采集设备状态信息，分析处理后建立设备运行数据库记录。通过网络根据设备运行状态发送告警信息，提供历史数据查询和信息文档管理功能。

J.嵌入式web服务器的设计

基于Web的嵌入式设备监控的思想是在嵌入式设备中实现HTTP服务，将设备转换为Web服务器，嵌入到被控设备中。通过为Internet或局域网用户提供基于web的图形化管理界面，消除了专用的客户端管理软件，实现了对网络中各种设备的统一管理。通过现有的公共通信网络，不受地域限制，使用标准的Web浏览器，用户可以直接访问嵌入式设备中的Web服务器，对网络上所有节点进行远程监控、诊断和维护。嵌入式系统是一种资源有限、功能有限的特殊计算机系统。在嵌入式系统中实现Web服务器是其自身的特点。针对设备监控过程中大量动态数据交换的需求，本文以三星S3C2410为平台，提出了在嵌入式Linux操作系统环境下实现嵌入式Web服务器的解决方案。该方案以通用Web设计技术为基础，结合嵌入式CGI (Common Gateway Interface)、ActiveX和Java Applet技术。能够很好地满足设备监控领域的应用要求。

K.嵌入式cgi

当http请求URL是外部扩展程序时，Web服务器将客户端输入的表单数据放在环境变量中。在实现过程中，服务器启动外部扩展程序调用环境变量的参数。结果将以HTML文档形式返回到Web服务器。该过程是Web服务器与外部扩展程序之间进行数据交换的过程，cgi是两者动态交互界面的标准。根据CGI接口规范，应用程序与Web服务器之间的通信方式有环境变量、命令行、标准的输入和输出。与标准CGI不同，嵌入式CGI的实现往往基于嵌入式系统的特点，针对特定的应用。在基于嵌入式Web的设备状态监控系统中，CGI有两个主要功能:实现用户认证的安全机制;当用户通过浏览器设置设备控制参数(如数据采集参数)时，可以从HTTP消息中分析参数并正确处理。由于功能大大简化，嵌入式CGI的解决方案具有以下特点:在嵌入式CGI程序中不涉及复杂的过程，因此没有必要将其作为一个单独的过程来设计。它被作为HTTP请求处理过程的子函数调用。

模拟及结果

在仿真部分中，通过升压变换器将太阳能电池板的直流电池充电并使直流电压升压，在此部分中，我们使用逆变器将直流电压转换为交流电压，然后在matlab仿真的帮助下将逆变器输出到升压变压器。

太阳能电池板提供两个输入，如温度和辐照度，以产生电压，并取决于它的温度。太阳能电池板输出到存储在电池和它的容量高达7Am每小时。太阳能输出的最大电压为12v。由于最低水平的直流电压，我们增加电压使用升压变换器，它升压到直流80v。这里通过逆变过程将直流电压转换为交流电压，使交流电压达到最大电平。逆变器输出给升压变压器输入，输出电压正常交流电源。

结论及未来工作

本阶段设计了基于web的太阳能客户端监控系统。我们通过使用降压升压转换器来获取能量，并将其存储在电池中。这里我们有一个逆变电路把它转换成交流电源。在我们的项目中，我监控所有的输入参数，如电压、电流、功率等，并通过网络发送。在这个阶段，我模拟了一个太阳能电源的模型，并读取了所有感兴趣的值。在第二阶段，我将设计客户端服务器模型，用于通过网络将这些参数发送到远程目的地。

参考文献

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