王誠(chéng)等

【摘要】 本文介紹了一種以機(jī)房溫濕度為背景的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。MCU為主控單元，控制傳感器采集數(shù)據(jù)，控制GSM模塊發(fā)射相應(yīng)的告警信息。MCU通過相應(yīng)的算法判斷機(jī)房溫室度是否超出閾值。采用手機(jī)作為接收終端，接收告警信息，以便未在監(jiān)控室的管理員，能夠收到告警信息，并及時(shí)采取對(duì)應(yīng)措施。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)據(jù)傳輸 MCU 傳感器 GSM 接收終端眾多周知，機(jī)房需要一個(gè)相對(duì)恒溫恒濕的環(huán)境，如果環(huán)境溫度變化較大，將會(huì)對(duì)機(jī)房設(shè)備產(chǎn)生不可估量的影響。同時(shí)管理員不可能24小時(shí)在監(jiān)控室，這樣就導(dǎo)致了，管理員不在監(jiān)控室時(shí)，機(jī)房發(fā)生了告警，管理員未能及時(shí)收到告警信息，本文就是基于這樣的一個(gè)思路而展開論述的。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有 30%以上的機(jī)房因散熱問題出現(xiàn)過宕機(jī)現(xiàn)象，目前，數(shù)據(jù)中心的功率密度以平均每年15%到20%的速度增加[1]。這樣就要需要有及時(shí)的告警系統(tǒng)，本方案可以讓未在機(jī)房的管理員及時(shí)收到告警信息，結(jié)合傳統(tǒng)的警鳴告警，完成24小時(shí)監(jiān)控。

一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

如圖1系統(tǒng)總體框圖，其中，電源模塊為系統(tǒng)提供所需的3.3V電源網(wǎng)絡(luò)，溫濕度傳感器采用SHT11機(jī)房專用溫濕度傳感器，SHT11將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其與MCU之間的通信協(xié)議是I2C總線協(xié)議，MCU接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，并根據(jù)相應(yīng)的算法作出判斷，將告警信息通過串口傳輸給SIM900A，SIM900A掛接GSM網(wǎng)絡(luò)，將接收到的告警信號(hào)發(fā)射基站，基站接收信息再將告警信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的接收終端，即手機(jī)。

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)軟件使用的是Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)Altium Designer。下面幾節(jié)將著重介紹系統(tǒng)各個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)。

2.1 MCU電路設(shè)計(jì)

微控制器（MCU）極其外圍電路構(gòu)成了控制單元電路，出于低功耗、運(yùn)算速度和引腳分配的考慮，MCU 選用的是德州儀器（TI）推出的16bit低功耗微控制器MSP430F5342。如圖2為主控單元電路，其中P3^1～P3^4外接SIM900的控制引腳，DATA，SCK接傳感器數(shù)據(jù)接口。K2，D6，R24，C39實(shí)現(xiàn)了控制器的復(fù)位電路。X5為低速晶振，頻率為32.768KHz，X4為高速晶振，當(dāng)控制器正常運(yùn)行時(shí)，高速晶振X4為控制器提共穩(wěn)定的高頻時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)控制器出于休眠狀態(tài)時(shí)，低速晶振X5為控制器提供低頻時(shí)鐘信號(hào)，以降低系統(tǒng)的功耗。P7為控制器的JTAG接口，用來(lái)下載程序和在線調(diào)試程序。

2.2 GSM電路設(shè)計(jì)

數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng) （GSM）是完全依照歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）制定的GSM規(guī)范研制而成的，由于GSM的信令和語(yǔ)音信道都是數(shù)字制式的，因此也被稱為第二代移動(dòng)電話系統(tǒng)[2]。本文使用SIMCom公司的SIM900A模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。SIM900A是一個(gè)雙頻（EGSM900和DCS1800）的GSM/GPRS模塊，可以自動(dòng)搜尋兩個(gè)頻段，也可通過AT指令來(lái)控制選擇頻段，內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議，工作電壓為3.3V，sleep模式下耗流為1mA，支持標(biāo)準(zhǔn)8線串口接口和2線串口接口。如圖3所示，其中PR2是排阻，連接SIM900和控制器的串口實(shí)現(xiàn)兩者之間的正常通信，同時(shí)有一端連接SIM900的PWRKEY，可以通過程序拉低PWRKEY來(lái)開啟和關(guān)閉模塊。LED顯示了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。J2是GSM基帶天線接口，引腳1是饋線，通過5歐姆系統(tǒng)連接到SIM900的RF_ANT引腳。JP3是SIM卡的卡槽，模塊供電前需要在其中插入SIM卡，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，D1～D5五個(gè)二極管是為了防止靜電，起到保護(hù)電路的作用。

2.3 傳感器和電源系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器使用機(jī)房和數(shù)據(jù)中心專用傳感器：SHT11數(shù)字溫濕度傳感器。SHT11主要特點(diǎn)是結(jié)果已經(jīng)完全標(biāo)定，無(wú)需程序中額外標(biāo)定，數(shù)字信號(hào)輸出便于處理，低功耗，SMD封裝便于焊接，數(shù)據(jù)傳輸遵循I2C總線協(xié)議便于通信。C32是去耦電容，R23是上拉電阻，P6是傳感器的接口。

系統(tǒng)供電是5V輸入，可以外接電源適配器或者鋰電池。電源設(shè)計(jì)采用各個(gè)模塊單獨(dú)供電的方法，這樣便于調(diào)測(cè)。傳感器供電芯片使用LM7803三端整電源穩(wěn)壓芯片，最大輸出電流1.5A，輸出電壓3.3V，具有過載保護(hù)和短路保護(hù)功能。CE6和C45，C46和CE12，CE10，CE11，CE9，CE8，C49構(gòu)成去耦濾波網(wǎng)絡(luò)。三個(gè)LED分別顯示三個(gè)穩(wěn)壓芯片輸出正常與否。微控制器供電采用HT7133高輸入微功耗三端口穩(wěn)壓器，輸出誤差為5%，主要用于通信、音視頻設(shè)備和電池供電設(shè)備。出于SIM900A模塊在信號(hào)猝發(fā)傳輸時(shí)電流峰值達(dá)到2A的考慮，所以采用MIC29320大電流低電壓穩(wěn)壓芯片，輸出電流可達(dá)3A，精度為1%。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

如圖4所示，系統(tǒng)上電初始化，電源指示燈正常點(diǎn)亮，傳感器開始采集機(jī)房環(huán)境溫濕度信息，并將所采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過I2C總線傳輸給微控制器，控制器接收到傳感器采集的數(shù)據(jù)，并運(yùn)行比較算法，計(jì)算出采集的數(shù)據(jù)是否超出事先預(yù)設(shè)的溫濕度閾值，如果不超出，繼續(xù)運(yùn)行算法，如果超出則通過串口向SIM900A發(fā)送相應(yīng)的AT指令，操作SIM900A工作并向GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送告警信息，終端手機(jī)自動(dòng)連接到最近基站接收到告警信息，以便管理員采取相應(yīng)的措施。

三、總結(jié)

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)繪制PCB原理圖，系統(tǒng)采用四層電路板設(shè)計(jì)，上下兩次走信號(hào)線，中間兩層分別是地線和電源線，最后發(fā)送工廠制作電路板，焊接調(diào)測(cè)電路。當(dāng)傳感器檢測(cè)到超出閾值信號(hào)時(shí)，便會(huì)向目標(biāo)發(fā)送告警信息或者打電話告知。本設(shè)計(jì)成本低、精度高、反應(yīng)靈敏，適用于中小型企業(yè)級(jí)機(jī)房和數(shù)據(jù)中心。