祝 虹，吉承平

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房是學(xué)校校園網(wǎng)的核心和樞紐，機(jī)房內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行狀況直接影響到學(xué)校的教學(xué)、科研等各項(xiàng)工作的順利進(jìn)行。中心機(jī)房內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是由易受環(huán)境條件影響的精密電子設(shè)備、機(jī)電設(shè)備組成，如果機(jī)房環(huán)境不能滿足這些設(shè)備的使用要求，就會加速設(shè)備元器件及材料的老化，降低設(shè)備的可靠性，縮短設(shè)備的使用壽命。本文針對網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房對環(huán)境需求的特殊性以及機(jī)房自身的重要性，設(shè)計(jì)了基于組態(tài)的網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

組態(tài)源自英文“Configuration”，有配置的含義[1-5]，它是運(yùn)用軟件工具對計(jì)算機(jī)和軟件進(jìn)行配置，達(dá)到滿足用戶使用需求的目的。本文設(shè)計(jì)的機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)通過對各種參數(shù)的組態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)了對中心機(jī)房環(huán)境參數(shù)及各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的監(jiān)測、控制，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)將各種參數(shù)發(fā)送到監(jiān)測中心進(jìn)行顯示與存儲，使得網(wǎng)管員能快速、及時(shí)地對機(jī)房中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程巡檢、控制、管理與維護(hù)。

1 需求分析

機(jī)房測控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、空調(diào)自動控制、照明控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

(1)進(jìn)行機(jī)房內(nèi)溫濕度等環(huán)境信息和供電電壓的數(shù)據(jù)采集，將采集到的各項(xiàng)參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的正常值進(jìn)行比較，非正常情況下系統(tǒng)報(bào)警。

(2)機(jī)房內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備較多，散熱量大，空調(diào)需要24小時(shí)不間斷工作。如果空調(diào)發(fā)生故障不能制冷，應(yīng)立即重新啟動空調(diào)電源，并報(bào)警。

(3)從節(jié)約能源方面考慮，對機(jī)房內(nèi)的照明燈實(shí)現(xiàn)檢測和控制。若網(wǎng)管員不在機(jī)房，而照明燈沒有關(guān)閉，可通過遠(yuǎn)程控制將燈關(guān)閉。

(4)系統(tǒng)將采集到的設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等信息發(fā)送到監(jiān)控中心顯示與保存，使得網(wǎng)管員能實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)房內(nèi)發(fā)生的各種情況。

2 體系結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，監(jiān)控系統(tǒng)分為監(jiān)控服務(wù)器和測控終端兩部分。監(jiān)控服務(wù)器放置在網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房內(nèi)，負(fù)責(zé)收集機(jī)房內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)等，將收集到的參數(shù)以數(shù)字、曲線圖等形式顯示，并將信息存入數(shù)據(jù)庫備查;測控終端包括控制器硬件及相應(yīng)的測控軟件。在機(jī)房內(nèi)設(shè)置些采集點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集機(jī)房的溫濕度等參數(shù)，將采集結(jié)果顯示在液晶上，并將測量參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的值(溫度預(yù)設(shè)為18℃ ～22℃，濕度預(yù)設(shè)為50% ～60%)進(jìn)行比較，如果測到的參數(shù)值超出預(yù)設(shè)范圍，進(jìn)行聲光報(bào)警，自動控制相應(yīng)的受控設(shè)備進(jìn)行處理、改善，使其回歸到正常范圍，并將采集到的各項(xiàng)參數(shù)發(fā)送到監(jiān)控中心，顯示和存儲。

3 硬件選擇與接口電路設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)的測控硬件平臺的核心采用了Freescale公司的微控制器MCF52233(60MHz)，它的內(nèi)核集成了ColdFire V2版本，片內(nèi)有32kB的SRAM和256kB的Flash，是一款適合解決終端以太網(wǎng)應(yīng)用的微控制器[6-9]。測控系統(tǒng)的硬件電路包括核心板電路設(shè)計(jì)、擴(kuò)展板電路設(shè)計(jì)、溫度控制電路設(shè)計(jì)、濕度控制電路設(shè)計(jì)、開關(guān)量輸入輸出模塊、MCF52233以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)等。限于篇幅，本文詳細(xì)介紹溫、濕度電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件框圖

3.1 溫度監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

溫度正常是確保機(jī)房內(nèi)各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備正常工作的重要物理參數(shù)之一，且遠(yuǎn)程、網(wǎng)絡(luò)化采集溫度并報(bào)警是現(xiàn)代化機(jī)房發(fā)展的一個(gè)必然趨勢。在溫度電路設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到Pt100鉑熱電阻，它的阻值與溫度的變化成正比，且Pt100阻值測量范圍可達(dá)－200℃ ～+850℃之間，最大非線性偏差僅小于0.5℃，Pt100符合系統(tǒng)溫度采集需求。系統(tǒng)室溫測量選用了Pt100鉑電阻型溫度傳感器。

圖3 溫度接口電路

溫度控制電路設(shè)計(jì)如圖3所示。測控設(shè)備的模擬量接口采用了5V電壓信號輸入，傳感器測量電橋由PtR2、PtR3、PtR4與Pt100組成，為了保證電橋輸出穩(wěn)定的電壓信號，可調(diào)分流基準(zhǔn)源(TL431)將電橋的輸入電壓穩(wěn)定在2.5V。測控終端設(shè)備的模擬量接口輸入信號的獲取，是通過從電橋獲取差分信號，再經(jīng)過兩級運(yùn)放放大后得到。放大電路的運(yùn)算放大器采用了LM324。為了避免由于單極放大倍數(shù)過高帶來的非線性差，放大電路采用了兩級放大:前級放大約為8倍，后級放大約為2倍。運(yùn)放的差分電壓信號可以通過調(diào)節(jié)電阻PtR3進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí)，Pt100阻值變大，輸入放大電路的差分信號變大，接口電路的輸出電壓對應(yīng)升高，如果溫度升高范圍超出正常值，系統(tǒng)報(bào)警。

3.2 濕度監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

目前，測量濕度的方法主要有:干濕球測濕法和電子式濕度傳感器測濕法。由于電子式濕度傳感器的測量準(zhǔn)確度達(dá)到2% ～3%RH，系統(tǒng)采用了HS1101濕敏電容組成的電子式濕度測試電路。

HS1101濕敏電容器件具有快速反應(yīng)時(shí)間、長時(shí)間飽和下快速脫濕、高可靠性與長時(shí)間穩(wěn)定性等特點(diǎn)，接口控制電路設(shè)計(jì)如圖4所示。系統(tǒng)采用12VDC供電，將HS1101置于運(yùn)算放大器與電阻和電容組成的橋式振蕩電路中，通過調(diào)節(jié)HumR2可調(diào)整放大器的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)零;由振蕩電路產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)過整流、直流放大，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為易于計(jì)算機(jī)接收的數(shù)字信號。為了降低信號的波動，將HumR3與HumC2形成RC回路。

圖4 濕度傳感器接口電路

電路設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)采集到的濕度A/D值的波動較大，接入HumC2后A/D值正常;當(dāng) HumOut端出現(xiàn)過高電壓時(shí)，可將HumV反接，可以起到過壓保護(hù)作用。

4 軟件組態(tài)配置

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要通過配置若干參數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)房各參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。具體配置參數(shù):輸入與輸出通道配置參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)、傳感器的物理量回歸參數(shù)、輸入與輸出控制關(guān)系配置參數(shù)等[10-14]。監(jiān)控軟件通過配置式組態(tài)開發(fā)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)配置，從而實(shí)現(xiàn)對具體應(yīng)用系統(tǒng)需求的滿足。

根據(jù)輸入輸出分析表(見表1)，對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置信息如圖5所示。在進(jìn)行溫、濕度輸出控制時(shí)，當(dāng)檢測到溫度超出正常配置的上、下限(22℃ ～18℃)，空調(diào)衛(wèi)士電源立即開啟，實(shí)現(xiàn)空調(diào)的開啟操作;當(dāng)檢測到濕度超出正常配置的上限(60%)，除濕器電源即刻開啟，對空氣除濕，當(dāng)濕度低于配置的下限(50%)，加濕器電源開啟，進(jìn)行加濕。當(dāng)需要添加控制器時(shí)，只需要點(diǎn)擊組態(tài)配置菜單中添加模板命令將配置信息存檔，以后加載這些配置信息時(shí)，直接通過該菜單中的應(yīng)用模板命令即可。將這些配置好的控制器參數(shù)派發(fā)到機(jī)房，網(wǎng)管員可以通過監(jiān)控平臺軟件或IE瀏覽器實(shí)現(xiàn)對機(jī)房的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

表1 系統(tǒng)終端輸入輸出表

圖5 輸入輸出通道配置

5 難點(diǎn)總結(jié)

機(jī)房遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及硬件的設(shè)計(jì)與軟件的配合，比較復(fù)雜。本文解決的主要難點(diǎn)有:

(1)嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化通信，各種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議對運(yùn)算速度、存儲空間等方面要求較高。目前MCU的軟硬件資源上很難運(yùn)行TCP/IP等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。設(shè)計(jì)時(shí)不能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的簡單移植，而是需要對它們進(jìn)行優(yōu)化與裁剪。

(2)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，首先明確系統(tǒng)硬件功能，做好整體規(guī)劃，其次對每個(gè)設(shè)計(jì)部分單獨(dú)、逐一分析，最后畫出其原理圖，并對其進(jìn)行正確性驗(yàn)證。

(3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了防止傳感器發(fā)生偏差，產(chǎn)生錯(cuò)誤的輸出信號，采用了遠(yuǎn)程動態(tài)在線校準(zhǔn)的方法，實(shí)現(xiàn)了物理量的回歸不依賴所用傳感器型號。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于組態(tài)的網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并給出具體實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)已在本校網(wǎng)絡(luò)中心成功應(yīng)用。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)軟件人機(jī)交互界面友好，能夠?qū)崟r(shí)顯示現(xiàn)場設(shè)備檢測到的數(shù)據(jù)，成功地對機(jī)房環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)控，有效減少機(jī)房管理人員的工作量。該系統(tǒng)及其采用的組態(tài)測控方法具有很好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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