基于多功能傳感器的測量系統(tǒng)設(shè)計

黃鳳鳴，費 強(qiáng)，劉再興

（無錫華普微電子有限公司，江蘇無錫 214035）

1 引言

數(shù)據(jù)中心的綠色體現(xiàn)在低功耗、低排放、高產(chǎn)出、高密度，而在滿足這些條件的同時，對機(jī)房穩(wěn)定性要求也越來越高。隨著國內(nèi)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展以及運營理念的不斷轉(zhuǎn)變，電源分配單元（PDU）產(chǎn)品已經(jīng)完全取代了普通電源插座，而在未來的數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，將更加突出對節(jié)省能耗、降低人力成本、提高運行效率等方面的要求。在新一代數(shù)據(jù)機(jī)房中，利用多種通訊模式，能及時發(fā)現(xiàn)機(jī)房電源異常，預(yù)防故障發(fā)生，并能迅速排除故障，降低人力成本，尤其在一些無人值守的機(jī)房或基站，綠色智能的概念表現(xiàn)得更為突出。

PDU 設(shè)備必須不間斷地為計算機(jī)系統(tǒng)提供安全穩(wěn)定的運行環(huán)境，一旦PDU 出現(xiàn)故障，計算機(jī)系統(tǒng)就無法穩(wěn)定運行，對數(shù)據(jù)的計算、傳輸和存儲的可靠性帶來極大的威脅。若PDU 的故障或報警信息無法及時反饋與解決，就可能損壞硬件設(shè)備或丟失數(shù)據(jù)，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。尤其在高鐵、機(jī)場、地鐵等公共交通基礎(chǔ)設(shè)施，銀行、證券等金融中心數(shù)據(jù)尤為重要的數(shù)據(jù)機(jī)房，安全穩(wěn)定的設(shè)備運行環(huán)境極其重要。

本文結(jié)合公司產(chǎn)品的研發(fā)，設(shè)計并研制出能同時檢測多種信號的多功能組合傳感器測量系統(tǒng)。將測量數(shù)據(jù)信號經(jīng)單片機(jī)處理，通過算法提高測量精度，制定與上位機(jī)的通信協(xié)議，并對電路進(jìn)行實驗、調(diào)試，最后完成多功能傳感器測量系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計原理

根據(jù)設(shè)計要求，測量系統(tǒng)不僅要滿足一定精度的溫濕度、煙霧等的測量，同時還具有顯示當(dāng)前各種傳感器信號的測量值以及預(yù)留總線通信的軟硬件接口功能，另外設(shè)計時還要考慮電源的問題，系統(tǒng)的工作可靠性指標(biāo)也是設(shè)計中需要考慮的一個因素。系統(tǒng)設(shè)計原理如圖1 所示。利用MCU 豐富的外設(shè)接口選取適配的傳感器，例如溫濕度和煙霧傳感器可通過485接口和MCU 相連接，水浸傳感器和氣壓傳感器可通過GPIO 端口相連接，監(jiān)測到環(huán)境異常，立刻通過報警裝置進(jìn)行聲光報警，并能通過液晶或終端顯示報警信息。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計原理框圖

2.2 功能實現(xiàn)

整個測量系統(tǒng)由下位機(jī)、外接傳感器和接口組成。單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過各類接口和傳感器進(jìn)行通訊，獲取測量結(jié)果，并由LCD 實時顯示和同時存儲結(jié)果。同時，對數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，通過通訊接口將測量結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.2.1 單片機(jī)

單片機(jī)選用ARM9 高性能32 位微處理器，應(yīng)用于工業(yè)控制和需要豐富通信的接口領(lǐng)域。運行頻率最高可達(dá)50 MHz，擁有64 kB 程序存儲器和4 kB 數(shù)據(jù)存儲器，集成了許多系統(tǒng)級外設(shè)功能，如I/O、UART、SPI、I2C、PWM 等，以減少系統(tǒng)外圍元器件，節(jié)省電路板空間和系統(tǒng)成本。

2.2.2 傳感器接口電路

目前市場上的傳感器支持的接口種類繁多，以485 和I/O 兩種類型為主。485 型傳感器為每一個傳感器分配一個獨立地址，各自采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，互不干擾；I/O 型傳感器，響應(yīng)速度快，多用于報警信號處理。同時，本系統(tǒng)設(shè)計了專門的電路，可支持多種形式接口的傳感器接入系統(tǒng)，例如RJ11、RF45、USB 等。用戶可自由選擇匹配的傳感器接入系統(tǒng)，極大地豐富了系統(tǒng)的使用場景。傳感器接口電路如圖2 所示。

圖2 傳感器接口電路

2.2.3 顯示/上位機(jī)通訊電路

單片機(jī)采集的各傳感器數(shù)據(jù)可通過SPI 接口和液晶模塊連接，顯示測量結(jié)果；也可選擇將數(shù)據(jù)按照自定的協(xié)議格式，通過串口傳至PC，進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和后期處理。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件運用模塊化設(shè)計方法，編程環(huán)境是KEIL7.0，采用C 語言進(jìn)行編寫，包括主程序和中斷程序兩部分，由四大模塊組成：初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及顯示報警模塊。

3.1 系統(tǒng)軟件框架

系統(tǒng)軟件的設(shè)計流程為：系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先對各個模塊進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)、各類傳感器、LCD 顯示模塊等。接著MCU 開始循環(huán)采樣，先對485型傳感器按地址逐個進(jìn)行結(jié)果采樣，然后對I/O 型傳感器進(jìn)行結(jié)果讀取，根據(jù)預(yù)先的設(shè)置以特定的單位顯示出來。軟件框圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件處理流程

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理流程如圖4 所示，先確認(rèn)傳感器類型，接著按照各傳感器各自的工作方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，獲取結(jié)果等待下一步處理。數(shù)據(jù)處理模塊主要包括數(shù)字濾波程序以及各項指數(shù)的轉(zhuǎn)換程序，對每路信號連續(xù)采樣10 次，再將10 次采樣值進(jìn)行排序處理，丟棄最大值和最小值，這樣就將可能出現(xiàn)的高低干擾信號有效地濾除，實現(xiàn)中位濾波算法，然后對剩余的8 個數(shù)求平均值。

3.3 顯示報警模塊

顯示模塊采用循環(huán)顯示的方法對每個傳感器的結(jié)果進(jìn)行分頁顯示，每頁顯示時間為3 s。LCD 在顯示結(jié)果的同時，系統(tǒng)各個傳感器的監(jiān)測還在后臺同時進(jìn)行，監(jiān)測和顯示兩個任務(wù)并行，互不影響。當(dāng)某傳感器數(shù)值超過了設(shè)定的閾值，會觸發(fā)報警裝置進(jìn)行聲光報警，快速通知運維人員迅速到場定位問題。顯示程序流程如圖5 所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程

圖5 顯示軟件流程

4 測試與分析

為了測試所開發(fā)的測量系統(tǒng)的工作情況，將多個傳感器通過對應(yīng)接口接入電路板進(jìn)行測試，包括溫濕度傳感器(485 型)、水浸傳感器(485 型)、煙感傳感器(I/O 型)，并通過聲光報警器進(jìn)行預(yù)警。

將煙感傳感器、水浸傳感器和溫濕度傳感器各一路接入系統(tǒng)，顯示結(jié)果如圖6 所示。圖中LCD 顯示第一行“SMOKE：0”表示煙感報警信息(0 為正常，1 為報警)，第二行“WATER：0”表示水浸報警信息(0 為正常，1 為報警)，第三行“T1：23C H1：72%”表示第一路溫度和濕度值，第四行“T2：0C H2：0%”表示第二路溫度和濕度值。

測試結(jié)果直接顯示在LCD 上，可翻頁顯示每個傳感器的測試結(jié)果，若產(chǎn)生報警，界面會停留于所在的傳感器界面，并進(jìn)行閃爍顯示。綜合數(shù)據(jù)分析，采集到的數(shù)據(jù)信息真實反映了當(dāng)前實驗環(huán)境中的各項參數(shù)，可用于監(jiān)控機(jī)房的實時環(huán)境。

MCU 同時將測試結(jié)果通過串口傳至PC，可通過管理系統(tǒng)界面獲取測試系統(tǒng)的實時環(huán)境參數(shù)，更為運維人員遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了便利。PC 端顯示如圖7 所示。

圖6 LCD 顯示效果

圖7 網(wǎng)頁顯示效果

5 結(jié)論

本文針對PDU 機(jī)房環(huán)境監(jiān)測的需求，設(shè)計了多功能組合傳感器應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件，該應(yīng)用系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)、數(shù)據(jù)顯示以及通信協(xié)議等單元。對多功能傳感器測量系統(tǒng)整體特性進(jìn)行測試，并對各特性參數(shù)進(jìn)行了分析與討論，對于傳感器形成網(wǎng)絡(luò)化做了一定的貢獻(xiàn)。運維人員可以利用網(wǎng)絡(luò)對分布在各地的機(jī)房環(huán)境進(jìn)行檢測、控制和管理，從而節(jié)約人力成本，更高效地管理系統(tǒng)設(shè)備。在實驗室中，利用16 套設(shè)備，搭建了一個小型化數(shù)字機(jī)房，連接了8 路溫濕度傳感器，4 路煙感傳感器，2 路水浸傳感器；將傳感器遍布機(jī)房的各個角落。測試中模擬了多種實驗環(huán)境，例如局部溫度過高、模擬煙霧產(chǎn)生、液體側(cè)翻等，都能及時產(chǎn)生聲光報警，并以郵件形式及時通知用戶。

此系統(tǒng)安裝拆卸方便，支持熱插拔，若傳感器發(fā)生損壞可快速更換，大大提高了工作效率，同時在任何地方都可以通過局域網(wǎng)對機(jī)房電源進(jìn)行安全監(jiān)控、安全預(yù)警和智能管理，降低了整個機(jī)房管理的復(fù)雜度，減少了人為手動干預(yù)和現(xiàn)場維護(hù)，提高了安全性。