基于電力載波通信的機房監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：本文將電力載波技術(shù)引入到機房監(jiān)控系統(tǒng)中，利用機房豐富的電力線纜資源實現(xiàn)大量散布式傳感器組網(wǎng)通信，在保證通信質(zhì)量的基礎(chǔ)上，大幅度地降低機房監(jiān)控系統(tǒng)改造難度和部署、維護成本，具有很高的實用價值。

【關(guān)鍵詞】電力載波通信（PLC） 機房監(jiān)控系統(tǒng) 嵌入式WEB服務(wù)器 Modbus RTU協(xié)議

1 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，機房中安裝的設(shè)備不斷增多，機房環(huán)境安全狀況的重要性也日漸凸現(xiàn)。為了節(jié)省人工成本，提高監(jiān)控效率，提升機房管理水平，機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運而生。

機房監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)控對象包括精密空調(diào)、UPS、電量檢測、溫濕度檢測、漏水檢測等。由于監(jiān)控對象種類多、位置分散，目前主流的機房監(jiān)控系統(tǒng)一般以嵌入式監(jiān)控主機為核心，各類采集控制設(shè)備就近部署在監(jiān)控對象附近，兩者通過串口、網(wǎng)絡(luò)、Zigbee、Wi-Fi等多種有線/無線手段進行通信。

然而，上述通信手段均存在一些局限：對于串口、網(wǎng)絡(luò)等有線通信手段，系統(tǒng)部署時需要增加大量布線，顯著加大了機房建設(shè)、改造的難度和成本；對于Wi-Fi、Zigbee等無線通信手段，機房中普遍存在的金屬殼體對電磁波產(chǎn)生漫反射，不僅影響通信質(zhì)量，也干擾了機房電磁環(huán)境。

電力能源是電子設(shè)備運行的基本要素，機房中四通八達的電力線纜為監(jiān)控系統(tǒng)通信提供了豐富可靠的信道資源。采用電力載波通信技術(shù)可以有效解決現(xiàn)有機房監(jiān)控系統(tǒng)通信手段帶來的各種問題。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由監(jiān)控主機和采集控制設(shè)備組成。采用MODBUS RTU協(xié)議，每臺監(jiān)控主機最多可與255臺采集控制設(shè)備組成一主多從的電力載波通信網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控主機既可作為Socket客戶端實現(xiàn)多臺監(jiān)控主機TCP/IP組網(wǎng)，也可作為Web Server向遠端提供查詢和配置等服務(wù)。采集控制設(shè)備采用模塊化設(shè)計，其主體由開關(guān)電源和電力載波通信模塊組成，同時開發(fā)了多種傳感接口以適配監(jiān)控對象。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

3 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件主要由監(jiān)控主機和采集控制設(shè)備組成。

監(jiān)控主機是監(jiān)控信息匯聚節(jié)點，負責(zé)將采集控制設(shè)備搜集到的監(jiān)控數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，打包成格式化數(shù)據(jù)并展現(xiàn)給遠端用戶，本文使用意法半導(dǎo)體公司的STM32F407作為主控制芯片。

采集控制設(shè)備主要由主控制器、電力載波通信模塊、開關(guān)電源和傳感控制模塊組成。其中主控制器、電力載波通信模塊和開關(guān)電源等封裝在一塊主控板上；傳感控制模塊按功能可分為電力監(jiān)測模塊、溫度傳感模塊、濕度傳感模塊、水浸傳感模塊、串口控制模塊、風(fēng)扇控制模塊等，作為可替換的擴展模塊通過金手指與主控板對接。采集控制設(shè)備主控制芯片選用ATMEL公司的ATmega16單片機。

3.1 電力載波通信

電力載波芯片采用SGS-Thomson公司的ST7538，ST7538是一種新型的半雙工、同步/異步FSK（調(diào)頻）調(diào)制解調(diào)器。電力載波通信原理如圖2所示，模擬主要由耦合電路、濾波電路和保護電路組成。濾波電路采用電流并聯(lián)諧振電路，濾除噪聲和無用信號，電力線耦合部分采用1：1寬帶通信變壓器進行隔離。數(shù)字方面，ST7538可提供同步三線串行通信方式。

3.2 開關(guān)電源

考慮到開關(guān)電源中高頻變壓器工作頻率與ST7538工作頻率相近，容易產(chǎn)生串?dāng)_，因此選用了金升陽公司小體積模塊電源LD03-10B5R2，該模塊EMC及安全規(guī)格滿足國際IEC6100、UL60950和EN60950標準。

3.3 電力監(jiān)測模塊

電力檢測模塊選用ADE7753功率檢測芯片，ADE7753利用檢測的瞬時電壓電流信號，計算出交流信號的電壓有效值、有效值以及有功、無功和視在功率。

3.4 溫度傳感模塊

溫度是機房電子設(shè)備有效運行的關(guān)鍵指標之一，由于機房內(nèi)電子設(shè)備發(fā)熱效能差異很大，因此在同一機房內(nèi)，溫度的局部差異較為明顯。本文采用了基于1-wire總線的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。每只DS18B20均內(nèi)置唯一的64位序列號，多只DS18B20可在一根數(shù)據(jù)線上完成身份識別、采集控制、數(shù)據(jù)傳輸、電源充電等動作。經(jīng)實測，在不外加電源的情況下，單根30m長的數(shù)據(jù)線上至少可串接64只DS18B20，完全能滿足對機房內(nèi)溫度微環(huán)境的密集監(jiān)控要求。

3.5 風(fēng)扇控制模塊

風(fēng)扇控制模塊采用雙向可控硅作為交流開關(guān)的執(zhí)行器件。由于系統(tǒng)中使用的風(fēng)扇屬于感性負載，且對抗干擾要求較高，因此采用了隔離型可控硅電路。ATmega16單片機根據(jù)控制信號，通過光耦隔離元件驅(qū)動可控硅，改變可控硅的導(dǎo)通角，從而調(diào)節(jié)輸出至風(fēng)扇的電壓有效值。

4 軟件設(shè)計

4.1 Modbus通信協(xié)議

監(jiān)控主機與多臺采集控制設(shè)備通過電力載波進行組網(wǎng)通信時，需要建立有序的通訊機制以防止相互干擾，本文采用了一主多從的Modbus通信協(xié)議。

傳統(tǒng)的Modbus 協(xié)議幀由從機地址、功能碼、數(shù)據(jù)內(nèi)容和校驗碼組成。機房監(jiān)控系統(tǒng)中，常涉及到多個機房多臺監(jiān)控主機協(xié)同工作的情況，除通過選擇不同傳輸頻率進行區(qū)分外，同時在傳統(tǒng)Modbus協(xié)議幀頭加入主機地址碼，在系統(tǒng)部署時可通過撥碼開關(guān)配置采集控制設(shè)備所屬主機，通信時采集控制設(shè)備只有接收到所屬主機請求信息后才給予回應(yīng)。

4.2 基于Ajax的嵌入式Web服務(wù)器

由于監(jiān)控數(shù)據(jù)量較大，為了提高監(jiān)控主機數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)效能，主控芯片STM32上不使用操作系統(tǒng)，監(jiān)控主機采用LwIP協(xié)議棧完成網(wǎng)絡(luò)傳輸。

LwIP協(xié)議棧提供完整的基于Socket的TCP/UDP通信機制，但不提供Web服務(wù)。本文在LwIP協(xié)議?；A(chǔ)上通過開源代碼構(gòu)建了嵌入式Web服務(wù)器。服務(wù)器通過接收、解析瀏覽器請求報文，獲取其請求方式（Get方式或Post方式）、請求類型（是否包含數(shù)據(jù)交互）及請求資源名稱。若請求包含數(shù)據(jù)交互式請求，如Html腳本中表單提交操作，則提供基于CGI的回調(diào)機制，完成服務(wù)器與瀏覽器端的數(shù)據(jù)交互；若請求為網(wǎng)頁訪問，則通過文件系統(tǒng)接口直接調(diào)用相應(yīng)網(wǎng)頁資源。報文解析處理完成后，服務(wù)器將本地端網(wǎng)頁資源封裝為Http報文發(fā)送回瀏覽器端，瀏覽器將按協(xié)議解析報文，獲取網(wǎng)頁腳本，并在瀏覽器頁面中展現(xiàn)給用戶。

由于CGI僅提供基于整體頁面的交互式刷新機制，頁面在數(shù)據(jù)交互時必須從服務(wù)器端獲取完整的網(wǎng)頁腳本并整體刷新，造成網(wǎng)頁閃爍、服務(wù)器資源耗費高等問題。Ajax是一種基于異步響應(yīng)的快速動態(tài)網(wǎng)頁交互技術(shù)，即瀏覽器在刷新頁面時，僅需從服務(wù)端獲取待更新的網(wǎng)頁腳本，而無需重載整個頁面。在Http報文交互時，本文通過增加對Ajax報文幀的解析和封包，構(gòu)建了基于Ajax的應(yīng)用程序回調(diào)機制，解決了CGI刷新頁面的閃爍問題，并有效降低了服務(wù)端資源耗費。Web服務(wù)端流程如3所示。

在網(wǎng)頁端，Ajax要求將網(wǎng)頁拆分為靜態(tài)的主體網(wǎng)頁部分及動態(tài)子網(wǎng)頁部分，主頁面通過div調(diào)用子網(wǎng)頁；主網(wǎng)頁Ajax部分基于XMLHttpRequest對象與JavaScript技術(shù)，前者實現(xiàn)Ajax數(shù)據(jù)交互的基本功能，后者實現(xiàn)Ajax主體框架。

Web資源方面，利用意法半導(dǎo)體提供的Fat32文件系統(tǒng)動態(tài)鏈接庫，通過對文件系統(tǒng)相應(yīng)接口添加板載NAND flash驅(qū)動的方式，可構(gòu)建標準的stdio文件輸入輸出機制，為瀏覽器提供豐富的Web資源存儲。

5 結(jié)論

本文結(jié)合傳統(tǒng)機房監(jiān)控系統(tǒng)特點，設(shè)計開發(fā)了一種基于電力載波的機房監(jiān)控系統(tǒng)。利用機房豐富的電力線纜資源，實現(xiàn)大量散布式傳感器的組網(wǎng)通信。經(jīng)驗證，本系統(tǒng)通信穩(wěn)定、針對性強、成本低、維護難度小、展現(xiàn)手段豐富，且具有節(jié)能降耗的特點，具有很高的應(yīng)用價值。

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作者簡介

李光（1980-），男，現(xiàn)為海軍裝備部信息系統(tǒng)局工程師。

作者單位

海軍裝備部信息系統(tǒng)局 北京市 100841