沈劍峰，丁金華，董 宇

（大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連116034）

對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（以下簡(jiǎn)稱IDC）來(lái)說(shuō)，良好的環(huán)境狀態(tài)是保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的條件，而對(duì)IDC環(huán)境狀態(tài)的檢測(cè)是使其保持良好環(huán)境的重要措施[1-5]。根據(jù)電子信息系統(tǒng) IDC設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50174-2008)，開(kāi)機(jī)時(shí)，IDC設(shè)備最優(yōu)的環(huán)境是溫度為22～24℃，相對(duì)濕度為40%～55%；停機(jī)時(shí)，IDC設(shè)備環(huán)境要求是溫度為 5～35℃，相對(duì)濕度為40%～70%。因?yàn)镮DC的不間斷供電系統(tǒng)（UPS）工作時(shí)會(huì)釋放出氫氣,可能發(fā)生爆炸或火災(zāi)等安全隱患，所以為了保證IDC設(shè)備的安全運(yùn)行，除了溫度和濕度的檢測(cè)外，還需檢測(cè)IDC的空氣中氫氣密度和煙塵濃度。

系統(tǒng)還可以通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將檢測(cè)信息與工作人員時(shí)刻保持聯(lián)系。

1 IDC環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

IDC環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由四部分組成：數(shù)據(jù)采集、STM32主板、無(wú)線通信和觸摸屏。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 數(shù)據(jù)采集

IDC環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)采集環(huán)境的溫度、濕度和空氣中氫氣密度、煙霧濃度。

由于IDC的空間較小，本系統(tǒng)檢測(cè)該空間4個(gè)點(diǎn)的溫濕度。系統(tǒng)選用溫濕度一體傳感器DHT21，DHT21的溫度測(cè)量范圍是-20℃～+60℃，分辨率為0.1℃。DHT21濕度測(cè)量有效范圍是20～90%RH，當(dāng)溫度控制在25℃左右恒溫時(shí)，精度可達(dá)到±3%RH。DHT21是數(shù)字傳感器，DHT21與CPU之間單通道串行通信，傳送距離在20 m以上[6]。

普通的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)只針對(duì)空氣中的溫度測(cè)量，由于IDC設(shè)備局部空氣不流通引起的溫度失常則是無(wú)法檢測(cè)到的。IDC環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)選用8路AD590溫度傳感器，專用于檢測(cè)容易發(fā)生異常的設(shè)備的溫度。AD590是單片集成兩端感溫電流源，輸出恒流模擬信號(hào)，接線的長(zhǎng)短不會(huì)影響檢測(cè)到的溫度值，這樣傳感器可以安放在機(jī)房?jī)?nèi)的任何位置。AD590的測(cè)溫范圍為-55℃～+150℃，在測(cè)量范圍內(nèi)，非線性誤差僅為±0.3℃。

因?yàn)榭諝庵袣錃夂蜔熿F密度異常的可能性較小，且檢測(cè)精度要求較低，所以系統(tǒng)只設(shè)1路氫氣密度和1路煙霧密度的測(cè)量?？梢赃x用電壓模擬信號(hào)的傳感器,這樣便于軟件編程和電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)分別選用MQ-2和MQ-8這兩個(gè)空氣質(zhì)量傳感器。

1.2 無(wú)線通信

IDC環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用TC35短消息模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，TC35短消息模塊通過(guò)RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口與STM32通信，通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與工作人員的手機(jī)進(jìn)行通信。工作人員不必時(shí)刻守著機(jī)房，不僅減少了IDC設(shè)備對(duì)工作人員的輻射量，同時(shí)可以騰出時(shí)間做其他工作，提高了工作人員的利用率。

1.3 觸摸屏

觸摸屏的作用是顯示系統(tǒng)的工作信息，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能進(jìn)行調(diào)試設(shè)置。通過(guò)RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口與STM32通信。

1.4 STM32主板

STM32是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心。機(jī)房?jī)?nèi)用電設(shè)備眾多，可能會(huì)產(chǎn)生多種信號(hào)干擾。為了保證CPU的工作正常穩(wěn)定，必須選用安全可靠的處理芯片并對(duì)CPU進(jìn)行電路隔離與信號(hào)屏蔽。

本系統(tǒng)是基于ARM體系型號(hào)為STM32F103RBT6微處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)的。STM32F103RBT6包含2個(gè)12 bit的ADC,分12個(gè)I/O通道，不需要外部輔助硬件就能實(shí)現(xiàn)多路傳感器同時(shí)提取數(shù)據(jù)；具有3個(gè)USART，滿足液晶及遠(yuǎn)程控制部分的串行通信。

2 STM32主板的電路設(shè)計(jì)

STM32主板的電路設(shè)計(jì)主要分為傳感器DHT21的電路設(shè)計(jì)、傳感器AD590的電路設(shè)計(jì)、空氣質(zhì)量傳感器MQ-2與MQ-8的電路設(shè)計(jì)和RS232通信電路的設(shè)計(jì)。

2.1 傳感器DHT21的電路設(shè)計(jì)

DHT21是數(shù)字傳感器，DHT21與STM32之間單總線串行通信。DHT21與STM32之間選用單通道的高速光耦合器6N137（如圖2所示）。IDC環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)共有4路溫濕度一體傳感器DHT21，分別連接到STM32的4個(gè)普通I/O口。

2.2 傳感器AD590的電路設(shè)計(jì)

AD590的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。AD590輸出電流以絕對(duì)溫度零度（-273℃）為基準(zhǔn)，每增加 1℃，它會(huì)增加1 μA輸出電流。在室溫23℃時(shí)，其輸出電流Io=（273+23）=296 μA。 Vo的值為 Io乘上 10 K，以室溫 23℃而言，輸出值為 10 K×298 μA=2.96 V 。 當(dāng)溫度在-55℃～+150℃內(nèi)變化時(shí)，AD590輸出是2.18 V～4.23 V的電壓信號(hào),通過(guò)差分放大電路,把信號(hào)調(diào)整到 0.18 V～2.23 V。然后通過(guò)AD7741把電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號(hào)，經(jīng)光電隔離，最后連接到STM32的ADC采樣引腳。

IDC環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)共有8路溫度傳感器AD590。為了減少AD590的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，IDC環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)8個(gè)溫度傳感器AD590采用掃描的方式讀數(shù)。通過(guò)CD4028依次對(duì)8個(gè)溫度傳感器供電，再通過(guò)CD4051依次連接8個(gè)溫度傳感器到模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。這里STM32輸出到CD4051和CD4028的信號(hào)速度較慢，選用光電隔離元件TLP521就可以滿足要求。

2.3 傳感器MQ-2和MQ-8的電路設(shè)計(jì)

空氣質(zhì)量傳感器MQ-2和MQ-8輸出電壓模擬信號(hào)，它們的工作原理相同，這里以MQ-2為例設(shè)計(jì)電路。因?yàn)橹挥?路 MQ-2，所以 MQ-2可安裝在STM32主板上,不需使用光電隔離，MQ-2的輸出信號(hào)直接到STM32的 ADC口上。RS的變換范圍是 5 kΩ～20 kΩ，R1=5 kΩ，這樣輸出點(diǎn)的電壓范圍是1 V～2.5 V。

2.4 RS-232通信的電路設(shè)計(jì)

TC35和觸摸屏的通信都是RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口與STM32通信，IDC環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)選用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)兩路TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換。

3 STM32的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)IDC環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的工作要求，設(shè)計(jì)STM32的主程序流程圖如圖4所示。

圖4 IDC環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)主程序流程圖

STM32的軟件設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)部分：傳感器數(shù)據(jù)的采集、與TC35模塊的通信以及與觸摸屏的通信。

3.1 STM32采集傳感器數(shù)據(jù)的軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 DHT21數(shù)據(jù)的采集[7-8]

STM32與 DHT21之間的通信采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通信時(shí)間5 ms左右,一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit,高位先出。數(shù)據(jù)格式為：濕度高8 bit+濕度低8 bit+溫度高 8 bit+溫度低8位+校驗(yàn)和8 bit。

首先初始化STM32的I/O口，使之作為推拉式輸出，輸出 18 ms以上的低電平，然后輸出 20～40 μs的高電平。然后改變I/O口為上拉式輸入，DHT21會(huì)發(fā)送80 μs的低電平,說(shuō)明DHT21發(fā)送響應(yīng)信號(hào),DHT21發(fā)送響應(yīng)信號(hào)后,把總線拉高 80 μs,準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù),每一位數(shù)據(jù)都以50 μs低電平時(shí)隙開(kāi)始,高電平的長(zhǎng)短確定了數(shù)據(jù)位是 0還是 1，高電平時(shí)間為 26～28 μs表明該數(shù)據(jù)為0，高電平時(shí)間為70 μs表明該數(shù)據(jù)為 1。

3.1.2 AD590數(shù)據(jù)的采集

IDC共有8路AD590,采用循環(huán)掃描的方式。首先CD4028的地址引腳DCBA輸入0001,CD4051的地址引腳CBA輸入001,抬高CD4051的輸入使能引腳INH電平，這樣開(kāi)通 AD590_1，然后等待 200 ms,預(yù)熱 AD590，最后讀取一定時(shí)間AD7741的脈沖次數(shù)。所讀取AD7741的次數(shù)反映AD590檢測(cè)溫度的大小,這樣即讀完一路AD590檢測(cè)的溫度值。通過(guò)改變CD4028和CD4051的地址重復(fù)上述步驟，依次讀取8路AD590檢測(cè)的溫度值。

3.1.3 MQ-2和MQ-8數(shù)據(jù)的采集

MQ-2和MQ-8輸出的是電壓信號(hào)，STM32可以直接通過(guò)帶有復(fù)用功能ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）的I/O口，把電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號(hào)，通過(guò)STM32內(nèi)部集成DMA控制器，把ADC讀取的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絊TM32內(nèi)存，每次需要傳輸200個(gè)數(shù)據(jù)，并求平均值，這樣可以保證最后輸出的空氣中氫氣密度和煙霧濃度值穩(wěn)定。

3.2 STM32與TC35模塊通信的設(shè)計(jì)[8]

使用TC35模塊前，要在TC35模塊上插入一張SIM卡，確定TC35模塊連接上移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。STM32與TC35模塊之間是通過(guò)串口通信的。首先STM32向TC35模塊發(fā)送初始化指令：AT+CNMI=2,1（指令功能：短信提示），AT+CMGF=1（指令功能：英文方式發(fā)送）。初始化之后，如果TC35模塊接收到信，向STM32發(fā)送指令：+CMTI：“SM”,1（表示有短信接收，存在 SIM卡的第 1個(gè)位置）；此時(shí) STM32向 TC35模塊發(fā)送指令：AT+CMGR=1；（指令功能：讀取SIM卡的第一個(gè)位置的短信）；然后STM32會(huì)接收到：+CMGR：“REC UNREAD”,“+8613*********”,“10/06/07,15：02：08+32” （表示短信未讀，短信來(lái)源號(hào)碼，接收時(shí)間）；abc（表示短信內(nèi)容）；STM32接受到任何短信，識(shí)別短訊來(lái)源號(hào)碼是否是事先設(shè)定的號(hào)碼，如果是，則發(fā)送：AT+CMGS=“13*********”（功能：向設(shè)定好的號(hào)碼發(fā)送短信）；STM32等待TC35回復(fù)，等收到回復(fù)后，發(fā)送IDC環(huán)境數(shù)據(jù)信息：ab******（IDC環(huán)境數(shù)據(jù)）；STM32發(fā)送信息結(jié)束標(biāo)識(shí)：1A；STM32收到指令：+CMGS：11（IDC環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送成功）。

3.3 STM32與觸摸屏通信的軟件設(shè)計(jì)[9]

觸摸屏用來(lái)顯示IDC環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)置對(duì)應(yīng)環(huán)境值的安全范圍。首先要把設(shè)計(jì)好的背景圖片存儲(chǔ)在觸摸屏的Flash里面，存入觸摸屏的控制程序（此程序設(shè)定觸摸屏按鍵代碼）。

STM32控制觸摸屏的主要代碼如下：

AA 52 CC 33 C3 3C（清屏指令）

AA 70 01 CC 33 C3 3C(背景圖片選擇指令,其中 01表示圖片的地址)

AA 53 00 80 00 F0 32 32 46 35 CC 33 C3 3C （在溫度后面顯示22.5，其中00 80和00 F0是顯示文字的坐標(biāo)，32 32 46 35是22.5的ASCII碼）

觸摸屏按鍵返回碼：

AA 71 00 01 CC 33 C3 3C(其中 00 01表示鍵碼)

通過(guò)實(shí)際測(cè)試IDC環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)檢測(cè)到的環(huán)境溫度、濕度和空氣中氫氣密度、煙霧濃度數(shù)值穩(wěn)定，精度符合要求，通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，管理人員就可以隨時(shí)查看IDC環(huán)境狀況,減輕了IDC工作人員的負(fù)擔(dān)。IDC環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到體現(xiàn)，幫助解決了很多IDC環(huán)境保障問(wèn)題，對(duì)同類檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也有一定的參考價(jià)值。

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