魏 星

（天津財(cái)經(jīng)大學(xué) 理工學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)系，天津 300222）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及和嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，機(jī)房規(guī)模不斷擴(kuò)大、動(dòng)力設(shè)備種類不斷增加、維護(hù)難度加大，因此機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)扮演了越來越重要的角色。目前機(jī)房監(jiān)控主要集中在空調(diào)或UPS監(jiān)控等方面，監(jiān)測的只是機(jī)房的部分環(huán)境且監(jiān)控系統(tǒng)性能單一、集成度不高，穩(wěn)定性和安全性較差，缺乏集中維護(hù)、全方位監(jiān)控和管理，通常監(jiān)控都是控制端主發(fā)監(jiān)控命令，缺少數(shù)據(jù)相互通信機(jī)制，一旦控制端癱瘓或有線網(wǎng)絡(luò)中斷將會(huì)造成無法挽回的損失。針對(duì)這些弊端本文利用高性能MPU和業(yè)已成熟的嵌入式Linux系統(tǒng)，提出了一種無人值守機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)底層架構(gòu)的解決方案：將智能設(shè)備監(jiān)控、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、視頻采集、GPRS無線報(bào)警集成一體，即使在網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下受控端模塊也能主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)發(fā)出報(bào)警信息。底層架構(gòu)的設(shè)計(jì)有助于解決PC機(jī)程序開發(fā)周期長，生存周期短，可維護(hù)性差的缺點(diǎn)，提高了機(jī)房監(jiān)控的可靠性和安全性，既能監(jiān)測機(jī)房動(dòng)力環(huán)境又能對(duì)機(jī)房設(shè)備內(nèi)部的異常做出預(yù)警和報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了從機(jī)柜微環(huán)境到設(shè)備運(yùn)行情況再到機(jī)房整體環(huán)境的多層次監(jiān)控，彌補(bǔ)了國內(nèi)無人值守機(jī)房監(jiān)控方面的空缺具有很高的推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)特點(diǎn)

監(jiān)控系統(tǒng)無論是從功能上、穩(wěn)定性、安全性、可維護(hù)性還是集成性能較以往有了很大改進(jìn)，主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1.1 多層次報(bào)警聯(lián)動(dòng)

任何報(bào)警均可聯(lián)動(dòng)本地畫面警告、聲音提示、聯(lián)動(dòng)報(bào)警輸出、通過有線網(wǎng)絡(luò)和GPRS兩種方式上傳到監(jiān)控中心。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）視頻報(bào)警：視頻移動(dòng)偵測、視頻遮擋、視頻丟失均可觸發(fā)報(bào)警。

2）模擬量、開關(guān)量報(bào)警：支持8路模擬量報(bào)警輸入，8路開關(guān)量報(bào)警輸入，8路開關(guān)量報(bào)警輸出，支持報(bào)警手動(dòng)、計(jì)劃設(shè)防、撤防，支持主動(dòng)上傳，具備豐富的閥值設(shè)置功能。

3）異常狀態(tài)報(bào)警：系統(tǒng)的異常狀態(tài)如：硬盤滿、硬盤異常、網(wǎng)絡(luò)非法訪問、IP地址沖突、網(wǎng)線斷開。

1.2 解決傳輸問題

因RS-485接口采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，具有良好的抗噪聲干擾性，傳輸線路簡單，干擾信號(hào)少，穩(wěn)定性高。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。有效解決了異地機(jī)房連接監(jiān)控問題；SPI總線數(shù)據(jù)的傳輸由單端不平衡傳輸改為雙端平衡傳輸，通過適當(dāng)?shù)碾娐废蛞种屏斯材８蓴_，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸距離，實(shí)現(xiàn)SPI數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸，可靠距離在1200m。

圖2 EEPROM電路圖

1.3 有線無線并存

數(shù)據(jù)采集機(jī)可以接收監(jiān)控模塊數(shù)據(jù)，并將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)按照協(xié)議封裝后通過網(wǎng)口上傳給監(jiān)控端，同時(shí)將監(jiān)控端的控制命令下傳給有線監(jiān)控模塊；為了避免有線故障或監(jiān)控端出現(xiàn)異常，又增加了GPRS通信模塊和無線傳感器模塊，如遇到線路故障會(huì)馬上通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出報(bào)警短信，也可以通過和攝像頭連動(dòng)發(fā)出彩信，告知管理員故障所在，解決了部分機(jī)房布線困難的難題。

1.4 通信接口轉(zhuǎn)換

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集機(jī)不僅提供了RS232、RS485接口還具備網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了RS485轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊，通過使用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)集中、接入和控制，能快速、有效、低成本的接入以太網(wǎng)或互連網(wǎng)，與監(jiān)控端的數(shù)據(jù)通信快速、準(zhǔn)確。

1.5 配置參數(shù)掉電保存技術(shù)

由于LPC2132片內(nèi)沒有EEPROM，當(dāng)出現(xiàn)掉電情況時(shí)所有配置參數(shù)都會(huì)丟失，為了能夠保存配置信息在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)加上了AT45DB021芯片，使用前先對(duì)相關(guān)引腳進(jìn)行配置，確保在掉電情況下配置參數(shù)不會(huì)丟失。為確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集機(jī)和監(jiān)控模塊之間有效的工作，在硬件設(shè)計(jì)中加入看門狗電路，利用控制器內(nèi)部看門狗實(shí)現(xiàn)了快速重啟、初始化監(jiān)控設(shè)備，系統(tǒng)可長時(shí)間不間斷運(yùn)行，可靠性高，避免因程序、線路問題或數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中斷問題。

1.6 通用分組無線服務(wù)技術(shù)

通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service)是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS以全球手機(jī)系統(tǒng)（GSM）為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可說是GSM的延續(xù)。和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來傳輸。主要的優(yōu)點(diǎn)：

1）數(shù)據(jù)傳輸速率快10倍于GSM，還可以穩(wěn)定地傳送大容量、高質(zhì)量音頻與視頻文件。

2）輕松實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上漫游與電話接入永遠(yuǎn)在線，實(shí)時(shí)接收?qǐng)?bào)警數(shù)據(jù)。

3）僅按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)底層架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 微處理器選擇

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集機(jī)是底層數(shù)據(jù)采集的核心，采用三星公司推出的32位S3C2440微處理器，采用了ARM920t內(nèi)核，0.13um的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元，提供了低成本、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案且全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合于對(duì)成本和功率敏感型的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了MMU,AMBA,BUS和Harvard高速緩存體系結(jié)構(gòu)，減少了整體系統(tǒng)成本無須配置額外組件。包括以下特性:16 KB指令和數(shù)據(jù)緩存,16 KB MMU處理虛擬內(nèi)存管理,TFT& STN液晶顯示器控制器、NAND閃存的引導(dǎo)程序,系統(tǒng)管理員(芯片選擇邏輯與SDRAM控制器),直接存儲(chǔ)器存取, UART，定時(shí)器和PWM、I / O端口，ADC和觸摸屏接口,AC97 音頻解碼器接口，相機(jī)接口,IICBUS、 IIS-BUS總線接口,USB主設(shè)備, SD主機(jī)接口和SPI接口，可以方便的進(jìn)行功能擴(kuò)展。

2.2 程序設(shè)計(jì)

以Linux為其操作系統(tǒng)，可以支持多種硬件平臺(tái)，對(duì)硬件的要求較低，具有高度的可靠性和安全性，并且是開源免費(fèi)高度可定制的操作系統(tǒng)，對(duì)于資源相對(duì)緊張的嵌入式設(shè)備來說及其適合。

圖4 數(shù)據(jù)采集機(jī)程序流程圖

程序編寫過程中使用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，Linux多線程遵循POSIX線程接口。與多進(jìn)程相比它是一種對(duì)系統(tǒng)資源要求更少的多任務(wù)并發(fā)技術(shù)。但由于多線程共享地址空間，在程序中對(duì)于全局?jǐn)?shù)據(jù)的操作也要做好相應(yīng)的互斥，否則可能會(huì)引發(fā)錯(cuò)誤，本程序中使用多個(gè)互斥鎖及信號(hào)量對(duì)涉及到的共享數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。

和其他設(shè)備類似，串口在Linux下也是以文件的形式出現(xiàn)在/dev目錄下,調(diào)用open（）函數(shù)打開后可以和其他普通文件一樣進(jìn)行讀寫操作。對(duì)于RS-485通信，由于默認(rèn)處于接收態(tài)，應(yīng)適當(dāng)修改串口驅(qū)動(dòng)以滿足發(fā)送前使能要求。系統(tǒng)首先設(shè)置缺省網(wǎng)絡(luò)配置，在系統(tǒng)上電后主動(dòng)發(fā)起和遠(yuǎn)程監(jiān)控端連接，在建立和監(jiān)控端的TCP/IP連接之后，程序使用select（）函數(shù)的無超時(shí)阻塞來對(duì)網(wǎng)口數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視，并可通過判斷read（）函數(shù)返回值來確定與監(jiān)控端的連接是否斷開。

2.3 數(shù)據(jù)通道設(shè)計(jì)

以往數(shù)據(jù)通道采用RS-232/422/485、Lonworks總線形式標(biāo)準(zhǔn)不一，本系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集通道包括“智能型網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集機(jī)-智能設(shè)備監(jiān)控模塊-傳感器監(jiān)控模塊（有線和無線）-視頻監(jiān)控模塊-無線監(jiān)控模塊”統(tǒng)一采用RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，通過硬件電路設(shè)計(jì)每個(gè)監(jiān)控模塊都有唯一的地址，最多可以掛接200多個(gè)同類總線接口設(shè)備；而“PC監(jiān)控端-網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集機(jī)”監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸。

2.4 數(shù)據(jù)透傳功能

數(shù)據(jù)采集機(jī)主要是透傳功能，封裝了監(jiān)控設(shè)備驅(qū)動(dòng)，處理每個(gè)監(jiān)控模塊和控制端之間的數(shù)據(jù)交換，按照傳輸控制協(xié)議負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)控端發(fā)送的命令進(jìn)行解析和響應(yīng)，封裝后分發(fā)給各個(gè)不同的監(jiān)控模塊，同時(shí)還要將各個(gè)模塊的實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)打包發(fā)給監(jiān)控端，供上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；此外還要定時(shí)對(duì)各個(gè)監(jiān)控模塊進(jìn)行輪詢將采集的數(shù)據(jù)存入隊(duì)列的數(shù)據(jù)對(duì)象中，并及時(shí)將失去連接的監(jiān)控模塊告知監(jiān)控端進(jìn)行處理或報(bào)警，以免失去連接、中斷通信、無法進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和報(bào)警。

2.5 數(shù)據(jù)采集機(jī)與各模塊的通信

2.5.1 智能協(xié)議采集器模塊

通過廠家提供的通信協(xié)議及接口負(fù)責(zé)監(jiān)控精密空調(diào)、UPS運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)控制端指令不僅能夠控制智能設(shè)備運(yùn)行和關(guān)閉、對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)（包括設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、是否奇偶校驗(yàn)等），而且還能將所獲監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)按協(xié)議封裝上傳，供控制端分析、參考以便實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制策略和優(yōu)化運(yùn)行策略。硬件驅(qū)動(dòng)是在UCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)下經(jīng)ADS1.2進(jìn)行調(diào)試、編寫，通過串口調(diào)試助手進(jìn)行測試，并通過JTAG仿真燒錄到片內(nèi)Flash中自動(dòng)運(yùn)行。

2.5.2 傳感器采集器模塊

可實(shí)時(shí)獲取所連接的各種傳感設(shè)備的模擬量與數(shù)字量（包括溫濕度傳感器、繼電器、水浸，煙感、門磁等輸出的信號(hào)），不僅有豐富的閥值對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)置和監(jiān)控而且還能將報(bào)警信息在幾秒鐘內(nèi)主動(dòng)上傳，使機(jī)房管理人員能夠及時(shí)掌握機(jī)房動(dòng)力環(huán)境狀況、避免意外發(fā)生。

2.5.3 視頻采集模塊

實(shí)現(xiàn)360度完全監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)機(jī)房場景實(shí)時(shí)再現(xiàn)，一旦有人進(jìn)入會(huì)連動(dòng)攝像機(jī)錄像、抓拍，啟動(dòng)人臉識(shí)別功能、啟動(dòng)本地緊急預(yù)警策略，圖片報(bào)警過程中采用了嵌入式小波零樹圖像編碼（EZW）壓縮技術(shù)，不但能通過有線網(wǎng)絡(luò)直接傳送到監(jiān)控中心還可將圖片壓縮成手機(jī)能接收的格式進(jìn)行彩信傳輸，能夠有效的防止有人潛入機(jī)房實(shí)施盜竊或破壞行為，既可本地獨(dú)立工作也可聯(lián)網(wǎng)協(xié)同工作；

2.5.4 無線報(bào)警模塊

采用法國Wavecom公司的Q2686/7系列無線CPU，一改以往直接和監(jiān)控端相連的形式，通過RS-232接口與數(shù)據(jù)采集機(jī)相連，既能接受監(jiān)控端上下線、發(fā)送報(bào)警信息指令，又能在和監(jiān)控端機(jī)失去通信的情況下根據(jù)預(yù)先設(shè)定的模擬量的上下限和開關(guān)量的報(bào)警狀態(tài)，將報(bào)警數(shù)據(jù)按協(xié)議封裝后發(fā)送到GSM網(wǎng)絡(luò)，不受有線網(wǎng)絡(luò)影響，報(bào)警快速準(zhǔn)確，同時(shí)起到數(shù)據(jù)冗余和備份的作用。這也是專為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)不相連的分散場所的監(jiān)控所設(shè)計(jì)的方案，如無人值守基站、多個(gè)分散的機(jī)房、多個(gè)分散的庫房/倉庫、多個(gè)分散的智能設(shè)備等，可以使用這個(gè)方案實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程報(bào)警。

2.5.5 無線傳感器模塊

解決了在機(jī)房布線困難的條件下，可以通過智能設(shè)備在任意位置添加無線傳感器，利用接收電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的無線收發(fā)，如遇報(bào)警信息智能設(shè)備會(huì)主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)采集機(jī)再通過GPRS直接發(fā)送到指定的手機(jī)或固話上，或發(fā)送到監(jiān)控端產(chǎn)生聲光報(bào)警，使機(jī)房管理人員及時(shí)排除隱患。

3 結(jié)論

對(duì)機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)底層采用模塊化設(shè)計(jì)原則，既可以對(duì)機(jī)房個(gè)別環(huán)境單獨(dú)監(jiān)控，又預(yù)留出足夠的可擴(kuò)展接口可添加功能強(qiáng)大的監(jiān)控模塊，監(jiān)控端模塊只要和數(shù)據(jù)采集機(jī)相連就可以對(duì)機(jī)房進(jìn)行全方位、無間斷監(jiān)控，解決了機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)在開發(fā)效率低，維護(hù)成本高，可維護(hù)性差，功能單一等缺點(diǎn)，使機(jī)房監(jiān)控向無人值守方向更近一步，經(jīng)過半年多不間斷運(yùn)行取得了很好的應(yīng)用效果，此設(shè)計(jì)已經(jīng)產(chǎn)品化并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，有廣闊的市場前景。

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