（电工理论与新技术专业论文）无人值守机房远程监控系统的研制.pdf

无人值守机房远程监控系统的研制 d e v e l o p m e n to f u n m a n n e dd e v i c er o o mr e m o t em o n i t o rs y s t e m a b s t r a c t i nt h ep a p e r ，n e wm e t h o d s w h i c ha l ea p p l i e du n m a n n e dd e v i c er o o mr e m o t em o n i t o r i n g a l ed i s c u s s e d , u n d e rc e n t r a lm a n a g e m e n tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo fc a m p u s n e t w o r kd e v i c er o o m a tt h es a m et i m e ，ar e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hi sa d a p t e dt ot h e u n m a n n e dd e v i c el o o m i sa p p l i e di nt h ec a m p u sn e t w o r kc e n t e r , d o r m i t o r i e sa n dl a b s t h e r e s u l tt u r n sg o o d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t y , t w od i f f e r e n tm e t h o d s ，w h i c h 种a p p l i e di nd o r m i t o r i e s ，l a b s a n dn e t w o r kc e n t e r , a r ep u tf o r w a r dd u r i n gt h ed i s c u s s i o n n ed a t at r a n s m i s s i o ni su s e dt w o d i f f e r e n tw a y s ：w i r et r a n s m i s s i o na n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o n t h er e m o t em o n i t o r i n gt e r m i n a l i sd e v e l o p e do nt h ep r i n c i p l e so fs m a l ls i z e ，l o wc o s ta n dh i g hp c 拍o r m a n c er e l i a b i l i t y m m a i n w o r kp r o c e s si n c l u d e ：d i s c u s s i n gs o m ep r o b l e m so f t h es e n s o 稿s e l e c t i n gt h ed i g i _ t a la n d s m a r th u m i d i t ys e n s o rs h t l la n dt h e1 - w i r eb u st e m p e r a t u r e 站i x s o rd s l 8 8 2 0w h i c ha l en o t r e q u i r e da d j u s t m e n t , d e s i g n i n gt h ep o n d i n gs e n s o ra n dt h ed o o r w i n d o ws w i t c hs e n s o ra n d s t u d ye m p h a t i c a l l yt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo fs h t l 1a n dt h ei r n p e d a n c em a t c h i n go f p e n d i n gs e n s o r i nt h ed a t at r a n s m i s s i o np a r t , t h ew i r et r a n s m i s s i o nb yt h ee t h e m e ta n dt h e w i r e l e s st r a n s m i s s i o nb vn r f 4 0 la r ei n t r o d u c e d t h ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o np r o t o c o lo f n 】u 4 0 1i ss t u d i e de m p h a t i c a l l ya n dt h ee x p e r i m e n to ft r a n s m i s s i o nd i s t a n c ea n dt h e r e l i a b i l i t yi sc a r r i e do na f t e rt h a t t h es o f t w a r eo fp o s i t i o nm a c h i n ei sd e s i 黜db yv ba n d i t i sc o n v e n i e n tt od e b u g a tl a s t , ar e l i a b l ee x p e r i m e n ti sd e s i g n e db o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e n ew h o l es y s t e mh a sb e e ni nt h en e t w o r kc e n t e rf o ro v e ro n e y e a r 1 1 1 ef a c th a v ep r o v e d t h a tt h ed e s i g no ft h et e r m i n a lp e r f o r n m c ei sr e l i a b l ea n dd e f i n i t e l ym e e t st h er e q u i r e m e n to f t h eu n m a n n e dd e v i c er o o mm o n i t o r i n g t h ew h o l er e m o t em o n i w r i n gs y s t e mr e m o v e st h e s a f e t yh i d d e nd a n g e ro ft h eu n m a n n e dd e v i c er o o ma n ds a v e st h eh u m a nl a b o u ra n dm a t e r i a l r e s o u r c e t h e r e f o r e ，t h en e wt e c h n o l o g yi so f p r o m i s i n ga p p l i c a t i o np f o s p e c t k e yw o r d s ：h u m i d i t ys e n s o r ：u m a n n e d ；w i r e l e s sr f 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究5 - 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注衣致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 鑫五i 墓日期：丝翌z ：塑 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：瓤面笑 导师签名：j 心牛塑 趔z 年上月j 旦 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 无人值守机房监控技术国内外现状及发展趋势 无人值守机房监控是指对机房内的设备及环境进行集中监控。包括系统对机房内的 电源、空调、服务器、交换机、高低压配电等多种设备的运行参数和物理环境参量诸如： 温度、湿度、火警盗警等各种参量( 有时还包括现场图象、声音) 进行遥测和遥控，实时 监测其运行参数，诊断和处理故障，记录和分析相关数据，从而实现少人或无人值守并 对设备进行集中监控和集中维护的控制系统。 我国的机房集中监控技术的研究工作始于8 0 年代末，1 9 9 2 年由邮电部设计院和广 州市电信局合作研究试验成功的广州长途枢纽楼通信集中监控系统是我国第一个成功 的应用实例。1 9 9 6 年1 月邮电部发布的通信局电源系统总技术要求( 暂行规定) 及 ( 1 9 9 6 ) 1 0 5 号文件，明确指出通信机房环境和设备应实现集中监控，逐步实现少人或无 人值守，并把集中监控列为必不可少的部分。 目前国内己经有多个厂家有类似的产品，但是功能比较单一，不太适合我国无人机 房的实际情况和价格较高等问题。许多的机房环境集中监控系统还存在一个明显的问题 就是，一个系统只能监控一种设备，要想监控多种设备，就得上好几个系统，这显然是 不合适的。为此，要把所有设备的监控功能加以融合，才能做到比较全面的系统监控。 而且各个地方的接入网点的物理环境各不相同，具体情况千差万别，必须从机房环境的 实际出发，设计适合机房的环境集中监控系统。这一规定引起了各级邮电部门的高度重 视，并出现了国内外计算机工程公司、生产设备厂家、高等院校和研究院所相关专业、 计算机集中监控系统专业厂商以及邮电部门自身多头参与系统开发的局面。与国际上在 这一领域的研究开发相比，国内在机房设备及环境集中监控系统的开发和应用方面尚处 于起步阶段，而由于这一领域的多学科性质，使得由单一专业的机构进行的系统设计方 案和实施往往存在各种不合理因素，如有些产品只有设备监控而无环境图像监控，有些 产品的系统传输方式单一、组网不灵活等。近一两年，社会上所开发的机房监控产品也 有些，但是存在价格过搞，功能冗余等问题，都不太适合我国的无人值守机房等，这 就需要我们共同努力，使我国的监控系统在软硬件的先进性和可靠性、系统结构的合理 性、系统功能的完善性和实用性以及与被控设备的接口能力等方面得到进一步提高。 1 2 论文选题及研究内容 本课题来源于大连理工大学网络中心监控的实际工程项目，属于测控领域。 无人值守机房远程监控系统的研制 近年来随着我国信息化进程的加快，很多地方建设了大量的计算机、服务器等机房， 如电信领域、各车间动力机房以及计算机机房等。每个机房里都有独立的一套设备，其 中有交换机、服务器、空调设备、发电机等。面对如此多的机房设备，传统的人工监控 方式已经变成了不可能，只能采用无人值守的方式。因此，通过合理设计及配置机房设 备和环境集中监控系统，可以做到对设备故障、环境情况及安全性的迅速、准确反应和 有目的性的维护，提高网络系统的维护管理质量，降低系统维护费用，同时保障系统处 于良好的工作状态，降低运行成本。 本文在了解国内外无人值守机房的监控系统的发展现状和趋势的基础上。结合本校 网络中心的实际项目，研制了无人值守机房远程监控系统，并用该系统对中心机房以及 分布在校园内的各宿舍和实验室的交换机机房进行监控，真正实现了无人或少人值守的 目的。文章主要包括如下几个方面的内容： ( 1 ) 探讨了无人值守机房远程监控系统的设计方案，见第2 章。 ( 2 ) 研制小体积、低成本、高可靠性的无人值守机房远程监控系统。对机房内的设 备和环境进行监控。并合理选择温度、湿度传感器，校正电压电流互感器，设计积水传 感器，检测网络性能等以及相关终端软件和上位机软件的设计，见第3 、4 章。 ( 3 ) 针对中心机房选用了n r f 4 0 1 进行无线传输的方式，并在监控终端上配有l e d 显示、实时存储以及串口，方便扩展短信模块等进行报警，通知管理人员，见第5 章。 ( 4 ) 解决了无人值守机房的安全隐患，将所研制远程监控系统应用在计算机中心和 各宿舍、实验室的交换机机房，并进行了长期的稳定性和可靠性测试，并对测试结果进 行分析，见第6 章。 2 一 大连理工大学硕士学位论文 2 远程监控系统的功能和方案 近年来随着我国信息化进程的加快，很多地方建设了大量的计算机、服务器等机房， 如电信领域、各车间动力机房以及计算机机房等。近一两年，社会上所开发的机房监控 产品也有一些，但是存在价格过搞，功能冗余等问题，都不太适合我国的无人值守机房。 因此，我们进行了无人值守机房远程监控系统的开发工作，以提高维护和管理水平。 2 1 远程监控系统的功能 由于机房设备是数据存放和网络安全运行的重要环节，机房的管理和维护工作中存 在以下几个问题： 1 缺乏对机房设备的集中监视与控制功能，由于设备数量过多，对设备运行情况 难以实时把握，没有数据分析，对可能发生的设备故障不能做到提前处理。 2 设备发生故障时，故障很难定位，特别是当多处同时发生故障时更无从下手。 3 机房的安全不能保证，没有防火、防水、防盗等监控，不能有效保证设备运行 安全。 4 没有监控系统平台使故障管理工作无法实行闭环化、自动化管理，更无法形成 一套行之有效的监控和维护管理体系，无法对运行工作进行考核。 5 采用传统的人工巡检维护模式或根本没进行巡检维护，无法有效保证设备工作 质量和时效性。 6 缺乏有效的维护支撑手段，维护人员无法全面科学地了解机房内设备的实际运 行状态，不能及时发现设备的运行故障，对故障的处理和分析缺乏定量的数据使设备维 护无法进行。 7 维护工作效率低，没有故障定量的数据分析、经验式维护，不能适应计算机网 络发展的要求，耗费了大量的人力物力。 为克服机房管理和维护中可能出现的以上问题，我们根据本地实际设计并实现了一 套机房场地设备集中监控系统，以实现对电源、u p s 等设备以及温度、湿度、水浸、门 禁在内的机房环境参量统一监控。以保障机房的安全运行，实现科学化规范化管理。针 对以上普遍存在的问题，制定监控内容和性能要求如下： 1 设备间供电与u p s 电源情况，包括供电的电压、电流与u p s 输出后的电压、电 流。 2 机房各设备温度情况，出现异常报警并记录。 3 设备间的温湿度情况与地面漏水报警。 3 一 无人值守机房远程监控系统的研制 4 安全防护的监控，包括设备间门窗的开启情况。 2 2 监控系统的组成 为克服以上问题，在设计该智能监控终端时，充分考虑到网络资源的特点，基于单 片机的智能监控终端除了要完成有关传感器信号的采集和处理，而且具有数据通讯输出 功能，既可单独分布在个学生宿舍的交换机房使用，也可通过网络将采集到的数据发送 至远程终端，组成客户端服务器端模式。 考虑到设备间具备利用以太网远程监控的便利条件，设计系统的工作模式为客户端 服务器模式，即监控客户端需要记录有关数据并采用t c p i p 形式发送服务器端保存记 录，服务器端可以选择性监控各客户端，如图2 1 所示。 毫尸螭l p ， 葛i 户l n j 同 络 中 警 心毫 机 擅 磨斑 謦 贯一 量 p 图2 1 远程监控系统示意图 f i g 2 1t h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e ms c h e m e 在设计该监控系统时，进行模块化设计，包括基于单片机的智能监控终端、基于 温匿、 靛厦、 电压、 电孤。 门留、 进本辱 俸璐 舟络g 洼监控瓣瞎辱 基于 r m 井发扳帕 研略监蛙蝽麟异再 黻用口 = 一 篇篓苏b ：= ：二： 一i 意裟菩r 图2 2 远程监控系统功能示意图 f i g 2 2t h ef u n c t i o n so f t h er o m o t em o n i t o r i n gs y s t e ms c h e m e 一4 一 辨略中心机麝t鲁量稿 竺 一 孬嚣冀错 大连理工大学硕士学位论文 a r m 系统的网络监控终端和服务器端管理软件。其中，基于单片机的智能监控终端，需 要完成有关传感器信号的采集与处理并具有数据通讯输出功能，既可以单独也可以和基 于a r m 系统的网络监控终端联合使用构成客户端；基于a 跚系统的网络监控终端可以接 受前者发送的机房监控数据并记录并连接以太网，同时完成网络流量等监控任务：值班 人员可以利用专门开发的管理软件，随时方便地实时查看各设备情况及历史记录。监控 系统的功能如图2 2 所示。 中心机房和其他分布的机房情况有所不同，白天是有值班人员的，而且中心机房内 部设备较多，布线十分不方便。由于中心机房是整个网络的核心，因此在设计监控系统 时有所不同。中心机房的监控终端如图2 3 所示： 图2 3 中心机房监控系统功能示意图 f i g 2 3t h ef l l n c t i o n so f t h ec e n t e l d e v i c er o o mm o n i t o r i n gs y s t e ms c h e m e 该系统采用无线方式将采集终端的数据发送到值班人员的电脑上，在晚上值班人员 不在的情况下可以通过短信模块发送短信通知相关维护人员。 5 一 无人值守机房远程监控系统的研制 3 传感器有关问题的探讨 根据功能需求，合理的选择和设计传感器直接关系到整个系统数据采集的准确性和 稳定性。整个监控终端需要作到价格低、功耗低、监控参数精度高、可靠性高，能够完 成传感器的状态自检等，这就需要合理的选择和设计传感器。 3 1 温、湿度传感器的选择 在传统的模拟信号远距离温、湿度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、 多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测 量精度。随着科学技术的发展，特别是现代仪器的发展，微型化、集成化、数字化正成 为传感器发展的一个重要方向。 3 1 1 温度传感器d s l 8 8 2 0 合理的选择传感器直接关系到采集的精度和成本问题。美国d a l l a s 半导体公司推出 的数字化温度传感器d s l 8 2 0 采用单总线协议，即与微机接口仅需占用一个i o 端口，无 需任何外部元件，直接将温度转化成数字信号，以9 位数字码方式串行输出，从而大大 简化了传感器与微处理器的接口。d s l 8 8 2 0 与单片机的接口如下图所示： 图3 1d s l 8 8 2 0 接口示意图 f i g 3 1t h ei n t e r f a c eo f d s i s b 2 0s c h e m e d s l 8 8 2 0 是美国d a l l a s 半导体公司生产的可组网数字式温度传感器，在其内部使用 了在板( 0 n b o a r d ) 专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如只三极管的集成 电路内。与其它温度传感器相比，d s l 8 8 2 0 具有以下特性： 1 独特的单线接口方式，d s l 8 8 2 0 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微 处理器与d s l 8 2 0 的双向通讯。 2 d s l 8 2 0 支持多点组网功能，多个d s l 8 8 2 0 可以并联在唯一的三线上，实现多点测 温。 3 d s l 8 2 0 在使用中不需要任何外围元件。 4 测温范围一5 5 + 1 2 5 ，固有测温分辨率o 5 。c 。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 5 测量结果以9 位数字量方式串行传送。 d s l 8 2 0 虽然具有测温系统简单、测温精度商、连接方便、占用i o 口少等优点，但 在实际应用中也应注意以下几方面的问题： 1 系统的硬件虽然简单但需要相对复杂的软件进行补偿，由于d s l 8 8 2 0 与微处理器 间采用串行数据传送，因此，在对d s l 8 2 0 进行读写编程时，必须严格的保证读写时序， 否则将无法读取测温结果。 2 在d s l 8 8 2 0 的有关资料中均未提及单总线上所挂d s l 8 2 0 数量问题，容易使人误认 为可以挂任意多个d s l 8 8 2 0 ，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂的d s l 8 8 2 0 超过8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以 注意。 3 连接d s l 8 8 2 0 的总线电缆是有长度限制的。由于信号电缆本身存在电阻，距离过 长时将导致信号衰减。试验中。当采用普通信号电缆传输长度超过5 0 m 时，读取的测温 数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达1 5 0 m ，当 采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主 要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用d s l 8 8 2 0 进行长距离测温 系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 3 1 2 湿度传感器s h t l l 传统的模拟温湿度传感器需设计信号调理电路( 包括电桥、放大、a d 滤波、隔离 等电路) 并需要经过复杂的校准、标定过程，测量精度难以得到保证，而且在线性度、 重复性、互换性、一致性等方面不尽人意。瑞士s e n s i r i o n 公司推出的基于c m o s e n s 专利 技术的新型温湿度传感器s i l t i1 该传感器将c m o s 芯片技术与传感器技术完美结合起来， 将放大器、a d 转换器、校准寄存器等调理电路和传感器集成在一个很小的芯片上。很 好地解决了这一大难题，克服了模拟传感器的种种弊端，具有卓越的稳定性和良好的抗 干扰能力，实现了温湿度传感器的数字式输出且免调试、免标定、免外围电路、全互换， 适配各种单片机构成相对湿度、温度检测系统，极大方便了温湿度传感器在嵌入式测控 领域的应用。 c m o s e n s 技术将传感器与外围调理有机的集成起来，发挥出了强大的优势，因而， s h t l l 具有其他同类产品无与伦比的优势： 1 首先是c m o s e n s 技术将传感器元件、信号放大器、模数转换器、校准数据存储器、 类似1 2 c 总线等外围调理电路与温湿度传感器集成在一个几平方毫米的芯片上，增强了 传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，降低了传感器对干扰噪声的敏感性。 2 其次将温度传感器与湿度传感器完美集成为一个整体，克服由于温度与湿度传感 器之间随温度梯度变化而引起的误差，可使测量精度提高，还可精确得出露点值。 7 一 无人值守机房远程监控系统的研制 3 再次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器输出的一致性，即 具有1 0 0 的互换性，测量精度高等特点。 4 最后，传感器可直接通过模拟1 2 c 总线与任何类型的微处理器、微控制器连接， 简化了接口方式，使得传感器和单片机接口开发很容易，降低了硬件成本，提高了可靠 性。 s h t l l 的性能特点如下： i 基于c m o s e n s 技术将温湿度传感器、信b 5 放大调理、 d 转换、两线总线接口等集 成于一个芯片上； 2 全校准相对湿度及温度值输出，还可以作精确的露点计算； 3 免调试、免标定、免外围电路； 4 具有卓越的长期稳定性；防浸泡功能； 5 可靠的c r c 数据传输校验功能； 6 片内装载校准系数，保证1 0 0 的互换性； 7 具有低电压检测功能；宽电压工作：2 4 v 5 5 v ； 8 超低功耗：测量5 5 0 | l a ，平均2 8 i l a ( 8 位2 pa ) ，休眠0 3 p a ； 9 自动休眠，适于低功耗工作： l o 超快的响应时间 4 s ； s l i t l1 每只传感器芯片都是在极精确的湿度室中进行过标定，因此该结构使传感器 具有响应时间快，精度高( 湿度精度为3 0 9 6 ，温度精度为0 4 c ) ，抗于扰能力强， 低功耗等特点。 另外，s h t l l 数字式传感器具有两线总线数字接口与c r c 数据传输校验，使它可以 很方便的与其他微处理器、微控制器等系统直接接口，很大程度上增加了对传感器接口 开发的方便性与可靠性。其测量原理是首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的 信号，然后经过放大，分别送至a d 转换器进行模数转换、校准和纠错，最后通过二线 串行接口将相对湿度及温度的数据送至m c u 。 3 2 电压、电流互感器的选择 由于功能和性价比的关系，监控终端的电压电流采集部分选择电子式电压互感器和 电流互感器，用来监测机房u p s 电源的电压和电流。下面分别介绍互感器的功能： 3 2 1 小型有源交流电压互感器 ( 1 ) 特点 该系列电压互感器属于电子式电流型电压互感器，内置运算放大器，测量 一8 大连理工大学硕士学位论文 精度高；全封闭，机械和耐环境性能好，使用安全、可靠；外形美观，小巧轻便，印刷 线路板直接焊接安装。 ( 2 ) 外型图、安装尺寸和工作原理 a j i 逦 l， l i t - tr tt i 姒i 图3 2 外型与安装尺寸图 f i g 3 2t h ee x t e r i o ra n df i x e dc h a r t 图中1 3 脚为输入端子，并联到被测回路中，6 脚接+ b ，9 脚接b ，8 脚接地，1 0 脚为输出端，7 脚为调整端；当输入电压自o 额定值变化时，l o 一8 间输出o 5 v ，并 呈线性对应关系；7 - 1 0 间并接一个电容，可补偿相移：7 - 1 0 间并接一电阻时，可改变输 出电压。如果并接的电阻值为r ，则输入额定电压时，输出电压为： c d y = - 二! 一v l( 3 1 ) 1 0 0 0 + r 其中y 为所监控电源的交流电压，v l 为采集的直流电压，根据所采集的直流电压来 计算u p s 电源的电压。 ( 3 ) 性能参数 本监控终端根据实际需要，选择t v s l 9 0 8 0 2 电压互感器，性能参数如下表： 表3 1t v s l 9 0 8 - 0 2 性能参数 t a b 3 1t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f t v s l 9 0 8 - 0 2 型号额定输入电压额定输出电压非线性度相移隔离电压工作电压l lt v s l 9 0 8 - 0 2 2 2 0 v r i l l s5 v r m s0 3 3 0 2 o v4 - 1 5 v - 2 2 v l ( 4 ) 注意事项 该互感器8 脚一定要接地，否则会影响精度；提高加到6 、9 脚的工作电源电压， 可扩大测量范围；反之会缩小测量范围。 3 2 2 小型精密交流电流互感器 ( 1 ) 特点 9 一 无人值守机房远程监控系统的研制 该系列电流互感器为卧式穿芯，印刷线路板直接焊接安装；引出脚问距按2 5 4 t u r n 网格排列，适应计算机布板要求；全封闭，机械和耐环境性能好，电压隔离能力强，外 形美观：小巧轻便，精度高，采样范围宽，应用灵活。 ( 2 ) 外型图、安装尺寸和工作原理 号。 骚 巨 廿，t - l f l 牟芒 1 1 | 喹 1 1 s t 量时善毒 图3 3 外型与安装尺寸图 f i g 3 3t h ee x t e r i o ra n df i x e dc h a r t 在测量电流时，将u p s 电源线穿过电流互感器的穿孔，通过霍尔效应来采集电流信 ( 3 ) 性能参数 表3 2t a l 4 1 9 - 0 3 性能参数 t a b 3 2 t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f t a l 4 1 9 4 ) 3 型号额定输额定输额定采额定采相移非线耐压 l 入电流出电流样电阻 样电压性度 i t a l 4 1 9 - 0 3 1 5 a5 m a 6 0 0 0 3 v 1 5 0 2 1 5 倍额定 ( 4 ) 注意事项 电流互感器初级应串联于被测电流回路中，次级应近似工作于短路状态；次级电路 不允许开路，所以请不要装熔断器。 3 3 积水传感器的设计 积水传感器是根据机房的实际情况单独设计的。现在机房普遍采用暖气供暖，万一 暖气爆裂漏水，则会对机房内设备产生很大的影响。 大连理工大学硕士学位论文 如下图所示，虚线框内部分为传感器前端感应部分，三极管q l 和q 2 起到放大信号 的作用，一旦发现漏水，虚线内两触点立即导通，则回给单片机一个低电平。机房内的 地板底下有诸多的漏水水源，如空调机组的冲洗水回路、排水管等，又不容易及时发现， 图3 4 积水传感器原理图 f i g 3 4p r i n c i p l ed i a g r a mo f p o n d i n gs e n s o r 在有可能漏水的地方采用该积水传感器，一旦发现漏水，则会记录漏水次数。在实际过 程中，由于水电阻很大，进水之后传感器内部比较潮湿，为了保持原有的开路状态使单 片机不会误记漏水次数，在其前部加上一个大约1 0 6f 2 的电阻。 图3 5 积水传感器实物图 f i g 3 5t h er e a lo b j e c to f p o n d i n g l l s o r 3 4 门窗开关传感器的设计 f l 窗传感器采用门磁开关，输出开关量信号，性价比高，外围电路简单，完全可 以达到设计要求。 一 r 埘，母静! v o c 卜 二 专寸一i 臣塑。一_ 5 r i j j - 薯于专! ! v c c 卜_ ( 二 一i 臣空空国 。： 图3 6i l l 窗开关传感器原理图 f i g 3 6d o o r w i n d o w ss w i t c h 湖s o fp r i n c i p l ec h a r t 无人值守机房远程监控系统的研制 如上图所示，将门磁开关接入虚线框部分，r 为限流电阻。当门窗被开启时，门磁 开关有闭合状态转为打开状态，同时单片机引脚由低电平变为高电平。下图为门磁开关 实物图。 图3 7 门窗开关传感器实物图 f i g 3 7d o o r w i n d o w ss w i t c hs e n s o rr e a lo b j e c t 大连理工大学硕士学位论文 4 远程监控系统的研制 整个远程监控系统由两部分组成，一部分是位于无人值守机房内的监控终端，负责 采集各种数据；另部分就是系统的上位机软件部分。本章将分别予以介绍。其中监控终 端包括两部分：智能监控终端和网络监测终端。智能监控终端将在下文介绍，网络监测 终端主要负责网络性能分析和将监控终端的数据远传，该部分如下图所示： 图4 1 终端实物图 f i g 4 1t h er e a lo b j e c td i a g r a mo f t e r m i n a l 4 1 监控终端的硬件组成 该智能监控终端需要对不同工作方式的传感器所采集到的信息进行分析和处理，如 图4 1 所示：其中包括温度、湿度传感器发出的数字信号；电压、电流互感器的模拟信 号和门窗、水淹传感器的开关量信号。同时，充分考虑了系统扩展性的需求，采用模块 化结构并留有富余的i o 口，具有足够的灵活性以适应不同规模的系统和不同数量的监 控对象的需求，当终端需要扩容时，可以方便的扩充硬件设备，而且留有供通讯的r s 2 3 2 接口。 终端核心部件的指标参数以及可靠性直接决定了整个系统的性能，为适应监控系统 的要求，智能终端需要做到价格低、功耗低、监控参数精度高、可靠性高，能够完成传 感器的状态自检等。因此，在核心部件的选择上，充分考虑到可靠性与性价比，在多种 无人值守机房远程监控系统的研制 嘲n 叠 i - - i e 字信号- 。 、二二一i 到；黼s i - i 啦瞻号 橱 回 转 a t m e g a 8 基 一劐蚰号 雠蝴3 卜- 电 一开关- 呻 蘑 n 幻绩柚- ll _ _并舳 。f 一。 r 一 啦埔m 图4 2 基于单片机a t 鹏g a 8 的智能监控终端工作原理示意图 f i g a 2 i n t e l l i g e n c e m o n i t o r t e r m i n a l b a s e d o n s c m a t m e g a 3 多种各具特色的单片机选用美国a t m e l 公司a v r 系列的a t m e g a 8 嗍。在后来的试验中， 也证明了该款单片机的优越性能。 4 1 1 温度传感器d s l 8 8 2 0 接口电路设计 d s l 8 8 2 0 i s t 6 是属于单总线的工作方式，因此，只需要一根线与单片机的i o 口相 连。d s l 8 8 2 0 可以有两种方式供电，一种是寄生电源方式，另一种是外部电源方式，这 两种方式各有特点采用外部电源供电可以避免传感器在工作是供电不足，而且不需要 其他器件辅助，电路简单。 该传感器与单片机的接口简单，一个传感器只占用单片机的一个i o 口。由于本监 控系统需要测量多点温度，可以选择多个传感器共用一个i o 口，将传感器挂在一线总 线上，也可以通过一一对应的关系，即一个i o 口对应一个传感器。前者需要的i 0 口 比较少，但是设计软件时比较麻烦。根据监控内容的需要，在单片机i 0 口富余的情况 下，本系统选择后者。这种接法在后来设计软件的时候比较简单，节省了大量时间。 4 1 2 温湿度传感器驯t 1 1 接口电路设计 由s h t l l 1 2 - 1 3 构成的温湿度接口电路如图4 2 所示。s h t l l 为从机，单片机作为主 机，通过串行总线进行通信，由于s h t l l 采用两线制类1 2 c 标准接口，接口型式很简单。 只需要在p b i 接s h t l l 的3 脚时钟线s c k , p b o 接s l i t l l 的2 脚数据线d a t a ，并在d a t a 端接入一只i o k 的上拉电阻。二线串行接口包括时钟线( s c k ) 和数据线( d a t a ) 。s c k 用来 接收主机发送来的串行信号，使s h t l l 与主机保持同步。d a t a 为三态引出端，既可输入 数据，亦可输出测量数据，不用时成高阻状态。仅当d a t a 的下降沿过后且s c k 处于上 一1 4 大连理1 二人学硕十学位论文 升沿时刻，才能更新数据。为了使数据信号为高电平，在数据线与v c c 端之间需接一只 4 7 k - 1 0 k 上拉电阻。 图4 3s h t l l 和a t m e g a 8 接口示意图 f i g 4 3t h ei n 忙r f a c es c h e m eb c t v v ms h t l1a n da t m e g a g 4 1 3 电压互藤器接口电路 t v s l 9 0 8 系列小型有源交流电压互感器的接口电路图如下所示： 图4 4 电压互感器采集原理图 f i g 4 4t h ev i 曲嗵萨t r a n s f o r m e r c o l l e c t i o nl i n c i p l ec h a r t 由上图可知，j 3 端子揍u p s 电源电压，经过电压互感器后变为较小的交流电压，然 后经过半波整流得到一个直流电压v l ，电容c 4 的作用是拉直波形，r 5 是起到给电容放 电的作用，在经过稳压管后直接送入m e g a 8 的i o 口。通过 d 转换后由上面公式得出 实际的交流电压。 4 1 4 电流互感器接口电路 将u p s 电源线穿过t a l 4 1 9 - 0 3 电流互感器的穿孔，通过霍尔效应来采集电流信号。 如下图所示，电流互感器的引脚接到端子j 5 上，采集出来的电流信号通过电阻r 7 和r 8 变成交流电压信号，图中接两个电阻是为了防止其中一个电阻烧坏而形成短路或者开路 现象，导致互感器故障；交流电压信号经过二极管i n 4 0 0 7 半波整流后变成直流电压， 无人值守机房远程监控系统的研制 电容c 9 的作用是将波形拉平；当被采集端的电流变化时，电容c 9 可以通过r 6 放电； 最后将采样信号送到单片机的a d c 引脚进行处理。 图4 5 电流互感器采集原理图 f i g 4 5 t h e c u r r e n t t r a n s f o r m e r c o l l e c t i o n p r i n c i p l ec h a r t 4 1 5 积水传感器与门窗开关传感器接口电路 积水传感器与门窗开关传感器接口电路如下图所示： ，。i 。 一 图4 6 接口原理图 f i g 4 6t h ei n t e r f a c ep r i n c i p l ec h a r t 积水传感器与门窗开关传感器的具体工作原理在第3 章的3 3 和3 4 节当中已经 介绍，这里就不多讨论了。 4 1 6 串行通信接口电路 单片机对信号数据进行处理后，需要与上位机进行数据通信，将采集的各种信息显 示于上位机，以增强入机交互功能。单片机与上位机的通信采用r s 2 3 2 c 总线标准 2 3 1 ， 其电平转换芯片采用m a x i m 公司生产的m a x 2 3 2 ，它包含两路接收器和发送器，适用于各 种2 3 2 通信接口。其内部有一个电压变换器，可以把输入的+ 5 v 电源电压变换成输出所 需的1 0 v 电压。因此，在串行通信中只需要单一的+ s v 电源就可以了，且价格适中硬 件接口电路简单。接口电路如下图所示： 大连理工大学硕士学位论文 图中，电容c 5 一c 8 为钽电解电容，电容值为l 0 l lf ( 耐压高于1 6 v ) ，可以提高抗 干扰能力。连接时电容需要靠近器件，并且不能将极性接反。实际上电容c 5 、c 6 、c 7 、 c 3 及v + 、v 是电源的交换部分，可以实现单一的+ 5 v 到1 0 v 的电压转变。由于在应用 中器件对电源噪声很敏感，因此，v c c 需要对地加去耦电容c 9 ，其值选为0 tpf 。 m 订一 丑9 二_ 豳 p d o 【r ) 1 图4 7 通信接口电路 f i g ，4 7i n t e r f a o f c o m m u n i c a t i o n sc i r c u i t 4 1 7 复位电路 程序在运行过程中，有时需要人为干预使其复位，或因为受到外界和系统内部干扰 信号的影响，出现程序“死杌”现象而不得不复位，这就需要有相应的复位( 上电和手 动) 电路来实现启动功能。由于复位电路是易受到噪声干扰的敏感部位之一，因此，其 设计要求：一要保证整个系统的可靠复位；二要有一定的抗干扰能力。 图4 8 传统复位电路 f i g 4 8t r a d i t i o n a lr e s e tc i r c u i t 1 7 无人值守机房远程监控系统的研制 传统的复位电路如图4 8 所示。其中( a ) 电路实质上是一个低通滤波环节( 惯性滞后 环节) ，对于脉宽小于3 ( = r c ) 的干扰可以起到很好的抑制作用。( b ) 电路实质上是 一个高通滤波环节( 微分超前环节) ，对于电源中存在的干扰脉冲无抑制作用。从干扰角 度分析，显然( a ) 电路优于( b ) 电路。 本监控终端的复位电路在( 8 ) 电路的基础上作了一些改动，以增强系统的抗干扰能 力。如图4 9 所示。在电路中增加了一个二极管d 5 ，其作用是在掉电时使电容c 2 l 迅速 放电，待电源恢复正常时实现可靠复位。避免了由于电源瞬问掉电而电容不能迅速放电 从而引起单片机不能正常可靠复位，导致程序运行失控，造成程序“死循环”。 图4 9 改进后的复位电路 f i g 4 9i m p r o v e dr e s e tc i r c u i t 4 2 监控终端的软件组成 对于一个完善的测控系统，软件和硬件是密不可分的。好的软件设计不仅可以弥补 硬件的某些缺陷，是系统更为灵活，而且可以充分发挥现有的硬件功能，在不增加硬件 开销的基础上大大增强系统的功能。本远程监控系统直接对机房内环境和设备进行监 控，其实时性要求较高。软件编制中适当的采用了中断方式进行控制，以提高监控终端 的实时响应速度。对于软件和硬件的功能划分，在满足实时性的前提下，尽量采用软件 来实现系统的功能，以提高系统的灵活性，并针对监控终端在现场运行时可能遇到的干 扰，在软件设计当中采取一定的抗干扰措施以提高系统的可靠性。 本系统的软件设计遵循结构化和模块化的原则，将软件划分为若干个独立的功能模 块，各模块通过软件接口连接，连接是力求模块内部数据结构的紧凑性以及模块之间数 据关系的松散性，尽可能减少各功能模块的相互影响。系统的程序主要包括：主程序、 d s l 8 8 2 0 温度采集与读取程序、s h t l l 温湿度采集与读取程序、电压电流采集子程序、 门，窗开关与漏水次数读取程序和串行通信程序，下面分别加以叙述。 大连理工大学硕士学位论文 4 2 1 主程序 主程序主要完成的工作包括：程序初始化，各传感器采集数据的子程序调用，数据 的分析处理，上位机命令处理程序等过程。程序的初始化包括数据变量的初始化、寄存 器的设置、i o 控制引脚电平设置、各传感器和串口的初始化等。主程序流