基于單片機的通信機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)研究

何中勝，趙紅玉，莊燕濱

(1. 常州工學院 計算機信息工程學院，常州 213002；2. 江蘇鐵通 常州分公司，常州 213002)

0 引言

近幾年，隨著Internet和信息技術的快速發(fā)展，中國鐵通的業(yè)務水平和業(yè)務數量也在大幅提高，其下屬的中國鐵通江蘇分公司，在滬寧高鐵和京滬高鐵的帶動下，也發(fā)生了很大變化，其下屬公司常州鐵通，為了進一步加強對常州地區(qū)通信設備的監(jiān)控，有效防范機房安全隱患，確保通信設備運行良好。常州鐵通加大資金投入，先后完成了十幾個分機房的建設工作，為了對新建機房和已建機房溫濕度、交直流電壓、門禁、固網模塊等設備的監(jiān)控，以有效實現機房集中監(jiān)控和管理，開發(fā)一套機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為必要。

更重要的是，機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)也是我國電信行業(yè)發(fā)展的大勢所趨，隨著電信企業(yè)集約化經營政策實施，國家對通信設備及其環(huán)境的維護工作提出了更高的要求。政策要求電信企業(yè)對通信設備和環(huán)境必須實行集中控制，少人或無人值守，盡量采取遠程控制和遠程監(jiān)控技術[1,5]。另外，網絡技術、通信技術、計算機技術和控制技術的發(fā)展，也為實現機房通信電源和環(huán)境監(jiān)控提供了相應的技術支持，使機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實現成為可能。

1 系統(tǒng)分析

通過對江蘇鐵通常州分公司通信機房環(huán)境實際情況的調查和研究，重點從機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結構、功能組成、數據采集及系統(tǒng)監(jiān)控等內容入手，對監(jiān)控系統(tǒng)的方式、方案進行了分析，在結合本地網現有網絡資源的基礎上提出了通信機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案。本系統(tǒng)擬解決的主要關鍵問題有：

1）機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件的系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)實現和系統(tǒng)測試的部署和開發(fā)過程；

2）機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件和各個分站機房管理系統(tǒng)之間的通信問題；

3）本系統(tǒng)具體監(jiān)控內容：監(jiān)控管理服務器，智能開關電源，交流配電箱，蓄電池組，門禁，集中數據采集器，監(jiān)控平臺軟件等各種設備，以及機房環(huán)境各種（如：溫度、濕度、煙感等)參量，其具體的監(jiān)控內容如表1所示。

表1 機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控內容

根據以上系統(tǒng)需求分析，給出通信機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的網絡結構框架圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網絡結構框架圖

2 系統(tǒng)硬件設計

機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一種以計算機控制技術為主，集傳感器和檢測技術、嵌入式計算機、計算機網絡、數據采集與傳送、通信協議工程于一體的綜合系統(tǒng)。因此本系統(tǒng)開發(fā)過程中需要用到傳感變送技術、數據采集技術及通信技術等。限于篇幅，本文僅就這些技術的主要功能設計進行闡述。

2.1 傳感變送單元

傳感變送單元(SENS)是指安裝在機房各個位置的一定數量的各種類型的傳感器。是監(jiān)控系統(tǒng)必不可少的組成部分。

本系統(tǒng)中傳感器主要負責監(jiān)控下面一些環(huán)境指標，其中告警的方式采用警號、顯示和蜂鳴器等。

1）溫度傳感器的監(jiān)測范圍一般在10℃～40℃之間，精度為0．5℃。

2）濕度傳感器的監(jiān)測范圍一般在20%～90%RH之間，測量精度為2%RH。通常置于機房中心位置。

3）煙感傳感器用來監(jiān)測可燃物質燃燒后所釋放的煙霧，一般響應時間＜10s,通常置于機房中心位置。

4）電流、電壓傳感器用來監(jiān)測空調和交換機的供電電流、電壓狀況?？照{機組的電流測量范圍在1A～100A之間，測量精度為1A；交換機的電壓測量范圍在40V～60V之間，測量精度為0.1V。

5）門禁傳感器用來監(jiān)測機房門窗的開關狀況，通常置于門窗兩側。

6）積漏水傳感器用來監(jiān)測機房積水和漏水情況，通常放置在門下等位置。

7）玻璃破碎傳感器用來監(jiān)測玻璃門窗的破碎狀況，通常放置在玻璃門窗上方。

2.2 數據采集單元設計

數據采集通常是指對不同工作方式的傳感單元（如溫濕度、空調電流、交換機電壓、門窗開關、火警、水災等）的信息進行數據采集、分析和規(guī)整工作。另外，數據采集器還傳輸客戶端的查詢命令，根據查詢條件發(fā)送其采集到的環(huán)境參數，以及故障報警器的開啟等功能[2,3]。

1）數據采集單元的構成

本系統(tǒng)中被監(jiān)控的設備分為智能設備和非智能設備。因智能設備如開關電源、智能空調等本身具有數據采集能力，并提供智能接口供后臺讀取，可以直接接入監(jiān)控系統(tǒng)。非智能設備如低壓配電柜等，信號一般不能被采集器直接采集，需要使用傳感器或變送器將不方便采集的非電量信號或電量信號轉換成標準的電量信號。本系統(tǒng)中采用艾默生公司生產的IDA一體化采集器來對非智能設備信號進行采集，該采集器以AT89C51單片機為其核心選用ANALOG DEV ICES公司的AD7828為A/D轉換芯片。

2）告警的檢測、顯示與處理

監(jiān)控系統(tǒng)對監(jiān)控目標的狀態(tài)除了保存狀態(tài)數據外還采用報警的直觀方式進行展現，同時對告警進行分級與處理。系統(tǒng)對于煙感、門禁、地面積漏水、玻璃破碎和移動探測等傳感器信號的信息輸入通過一個10K上拉電阻串接到一個47K的電阻上，再連接到一片74LS244的輸入端，該連接方式可以有效的防止信號抖動等現象，避免由意外因素引起的虛警[2,5]。

對于告警優(yōu)先級的處理，把火警的優(yōu)先級設為最高。正常情況下，火警的告警信號為高電平，當發(fā)生火災時，傳感器輸出信號就變?yōu)榈碗娖?，這種信號會立即驅動安裝在監(jiān)控中心的警號報警，同時主板上的蜂鳴器也報警，顯示器上也會顯示火警事故信息，這時就要立即采取相應的措施進行事故處理。

對于移動探測信號，正常情況下為低電平有效。當發(fā)現有人體移動時，告警量變就會變?yōu)楦唠娖剑⑶逸敵龈唠娖叫盘?，該信號驅動顯示面板上的移動探測指示燈變?yōu)榧t色。

門禁傳感器、玻璃破碎傳感器、積漏水傳感器等的信號采集于傳輸均為高電平有效，它們的顯示、報警功能與移動探測傳感器類似，這里不再詳述。

2.3 通信單元設計

智能設備可以與計算機通信，無需采集器即可直接接入監(jiān)控系統(tǒng)中的前置機。但是接入的智能設備，通常會有各自的通信協議，必須了解其協議才能使它們跟上位機進行通信。

在機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，遠端局的數據信號一般通過電信網絡如電話線、E1中繼、數字數據網等傳送至監(jiān)控中心。根據鐵通的實際應用情況，采用PSTN和E1中繼兩種傳輸方式[4,5]。

1）通信單元的整體網絡結構

由于本系統(tǒng)通信時所傳輸的數據量不大，系統(tǒng)本身對通信速率的要求不高，所以在遠端分機房的通信單元與監(jiān)控中心機房之間的通信方式采用基于電話網的DTMF雙音多頻通信技術[4,5]?；陔娫捑W的DTMF雙音多頻通信是由CCITT提出的一種郵電通信指令，其解碼過程采用一套科學的算法，并且會經過一系列嚴格的濾波處理，因此，最后得到的數據具有高可靠性和準確性。

2）中心端通信單元的設計

中心端通信單元主要要完成的工作是對遠端各個分機房每個通信單元的雙音多頻信號芯片所采集的數據進行匯集，并將雙音多頻信號轉換成RS-232電平，再把轉換成的數據通過監(jiān)控中心的主機串口傳遞給遠端的中心計算機進行相應的處理；另外，負責接收監(jiān)控中心主機所發(fā)出的命令信號，根據其地址把這些命令信號傳輸給相應的遠端通信單元，讓它們根據這些命令進行數據采集，并把采集到的數據上傳到監(jiān)控中心主機上。

通信單元中的邏輯控制模塊主要功能為：

1）負責接收由AT89C51發(fā)出的命令信號，并對其通信地址進行解碼，按照解碼后的地址，把每個命令信號傳送給對應的AT89C205l單片機。

2）負責接收由AT89C2051所發(fā)出的8路數據信號和中斷申請信號，并按照每個中斷申請的先后順序讀取數據，把這些數據送給AT89C51進行相應的處理。

在本系統(tǒng)中為了緩解通信線路的工作負擔，提高數據通信的效率，加快傳輸速度，把中心通信單元的通信數據格式的地址部分設計為2個字節(jié)，其中第一個字節(jié)是數據采集單元的通信地址，第二個字節(jié)又分為兩部分，前半部分是通信盒子的編號地址，后半部分是通信盒子上八個端口的編號地址。由監(jiān)控中心主機發(fā)出的命令消息各個中心通信單元均能接受，接收之后再根據自身的地址與命令信息包中地址部分的通信地址的比較結果，判斷是否處理該命令消息，如果兩者地址相同則對其進行處理，不相同則不予處理。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 數據采集單元的軟件設計

數據采集單元的軟件就是一個運行在AT89C51單片機上的應用程序，其主要功能如下：

1）實時數據采集。主要實現數據的模數轉換、實時數據的線性化、報警條件判斷、數據過濾等功能。

2）接受操作員在站下發(fā)送的信息，并且解釋所接收到的信息，最后按照要求將這些信息做一相應的處理。

數據采集單元的軟件主要由主程序、定時服務子程序和串口中斷子程序三部分組成。主程序是其核心部分，主要完成數據采集、數據分析和報警條件的判定等功能。其具體處理流程為：

1）初始化系統(tǒng)配置；

2）是否有設置地址？若無進行設置RTU地址；

3）是否有告警地址？若無進行告警地址和告警信息設置；

4）檢測FLAG標志，若FLAG為真，則1）進行告警檢驗處理并向中心發(fā)送告警；2）監(jiān)測中心有無應答，若無應答，轉到1），否則轉到3）；3）保存應答告警信息；

5）轉向2）。

定時服務子程序主要實現在固定的時間間隔內查詢采樣標志，如果采樣標志置位，則對傳感器數據進行采集，并且判斷是否需要設置告警標志；串口中斷子程序主要負責接收系統(tǒng)操作員從監(jiān)控中心下發(fā)的命令消息，解釋并處理這些消息，最后返回給監(jiān)控中心所需要的數據。

3.2 監(jiān)控中心軟件設計

監(jiān)控中心軟件完成通信、數據采集、分析處理、數據庫管理與維護，能顯示、聲光告警、查詢、記錄和打印各監(jiān)測點的數據以及系統(tǒng)維護等功能。

監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)分前臺和后臺兩個子系統(tǒng)。

前臺子系統(tǒng)主要實現遠程監(jiān)控、遠程處理、告警處理、信息查詢等功能：

1）遠程控制模塊：主要實現對機房環(huán)境進行遠程控制功能。例如：控制機房各種電源開關的分合，門禁的開關狀態(tài)等。

2）視頻監(jiān)控模塊：主要通過視頻監(jiān)控儀實現對機房中一些可視化環(huán)境的監(jiān)控等。

3）空調控制模塊：空調是機房環(huán)境中至關重要的設備之一，它對機房溫濕度的調節(jié)起到舉足輕重的作用，因此，需要把對空調的控制單獨分成一個模塊來處理。

4）告警處理：主要實現對告警信息的處理。

5）設備狀態(tài)報表：主要實現查詢和打印各種設備工作狀態(tài)的報表功能。

6）實時信息：主要用來監(jiān)控各種設備的實時工作狀態(tài)。

7）歷史信息：主要用來監(jiān)控各種設備的歷史工作數據。

后臺主要實現基本數據維護、參數設置等功能：

1）設備管理模塊：主要實現對機房及機房內各種設備的管理功能。例如：機房、設備等的增刪改。

2）通道管理模塊：主要實現對機房通信通道的管理，如通道的增刪改和開啟與關閉，通道配置的管理等。

3）監(jiān)控管理模塊：主要實現對監(jiān)控對象的管理，如監(jiān)控對象增刪改，監(jiān)控對象參數的配置等。

4）告警管理：主要實現對告警的管理，如告警類別的管理，告警處理人的管理，告警信息的增刪改等。

5）數據管理：主要實現對監(jiān)控數據的處理和日志的處理等。

6）系統(tǒng)管理：主要實現系統(tǒng)信息管理和監(jiān)控機時鐘的管理等。

7）用戶管理：主要實現對角色、用戶和登錄用戶自身一些屬性的管理。

3.3 實驗及運行分析

本系統(tǒng)軟件部分采用流行的MVC架構模式實現。用戶首先登錄機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，進入中心軟件的首頁面，如圖2所示。

圖2 中心軟件的主頁面

在首頁面中選擇某個分中心機房時，出現相應的監(jiān)控頁面，如圖3所示。從圖3中發(fā)現可以監(jiān)控到每一個監(jiān)控對象所連接的通道，屬于哪個機房，屬于哪個設備，以及監(jiān)控對象當前的各個監(jiān)控屬性。實驗表明, 該機房監(jiān)控系統(tǒng)能實現其設計功能, 滿足設計要求。

圖3 監(jiān)控數據頁面

4 結束語

本文主要研究了開發(fā)機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)所涉及到的數據采集、通信單元設計、中心監(jiān)控軟件設計等重要環(huán)節(jié)，整個監(jiān)控系統(tǒng)只有協同工作，才能共同完成機房環(huán)境的監(jiān)控任務。由于使用本系統(tǒng)可以控制一個總線上多個分機房的環(huán)境，使得控制簡單方便。通過本系統(tǒng)可以實時跟各個分機房進行通信，系統(tǒng)圖形界面操作簡單、直觀高效，很方便對機房環(huán)境進行實時監(jiān)控。

[1] 胡友名,杜潤生,楊叔子.生產過程遠程監(jiān)控與診斷技術研究[J].華中科技大學學報,2002,30(4):16-18.

[2] 桂玲.基于嵌入式的無線智能監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].煤炭技術,2012,31(5):186-187.

[3] 陳義明,王勇.動力設備及環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)[J].信息技術與信息化,2004,22(4):25-27.

[4] 于海晨,仲崇權.基于Internet的控制系統(tǒng)遠程監(jiān)控方案及實例[J].計算機測量與控制,2001,19(5):14-15.

[5] 常雨芳,黃文聰.基于嵌入式技術的機房監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 湖北工業(yè)大學學報,2011,26(2):27-30.