李四峰

摘要：優(yōu)良的環(huán)境是機房設備平穩(wěn)運行不可或缺的因素，因此工作人員需要高頻度地巡視檢查，但是仍然 可能出現問題發(fā)現不及時的情況。為了避免這種情況，提出了一套環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)終端機使用溫濕度 傳感器和漏水檢測電路來檢測機房內的環(huán)境，通過無線模塊將數據傳輸到控制臺，控制臺實時顯示整個系 統(tǒng)的運行情況和機房的室內環(huán)境。如果出現異常情況，系統(tǒng)將發(fā)出警報，提醒工作人員處置問題。該系統(tǒng) 極大地提升了響應速度，有效地保障了機房的安全運轉。

關鍵詞：溫濕度傳感器；單片機；組態(tài)屏；漏水檢測；機房環(huán)境；無線通信模塊

中圖分類號：TN92；TP216；TU89文獻標識碼：A

0 引言

機房的溫濕度對機房設備的安全平穩(wěn)運行十分 重要，溫濕度過高或者過低都會對設備產生影響， 甚至造成嚴重的安全問題。目前，很多機房安裝了 機房空調，機房空調具備制冷、制熱、加濕、除濕 等功能，可以使機房環(huán)境保持在特定的溫濕度。但 是如果機房空調遇到停機故障，有可能造成機房溫 濕度不可控的情況，此外機房空調發(fā)生意外漏水也 會造成不良后果 [1]。

多點無線機房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)能夠應對這些狀 況，實時監(jiān)測機房各部位的溫濕度以及地面漏水情 況，如有異常，第一時間發(fā)出警報，輔助工作人員 及早排除不安全因素，確保機房溫濕度保持在正常 范圍。

1 總體架構

多點無線機房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)分為控制臺和終端 機，控制臺能夠控制整個系統(tǒng)，顯示系統(tǒng)的運行狀 態(tài)以及所有終端機檢測結果；終端機的作用是檢測 所在點位的溫濕度和漏水情況?？刂婆_和終端機之 間采用無線通信的方式進行連接，一個控制臺可以 搭載多個終端機，系統(tǒng)可以同時監(jiān)測多個點位的參 數。系統(tǒng)框架如圖 1 所示，控制臺主要包括電源、 微控制器、人機交互模塊、無線通信模塊；終端機 包括電源、微控制器、溫濕度傳感器、漏水檢測、 無線通信模塊。

2 硬件電路設計

2.1 主控芯片

系統(tǒng)微控制器芯片采用國產單片機 STC32G8K64， 這是一款在功能和性能方面都非常出色的 32 位單片 機。其具有抗干擾、低功耗等特點，能夠高速處理 大量信息，比普通單片機快 70 倍左右。該單片機提 供了 48 個中斷源和 4 個中斷優(yōu)先級，可以根據不同 的需求進行靈活中斷處理。此外，支持通用異步收 發(fā)傳輸器（universal asynchronous receiver/transmitter， UART）、串行外設接口（serial peripheral interface， SPI）、 集 成 電 路 總 線（inter-integrated circuit，IIC） 等多種通信協(xié)議，可以與其他設備進行信息交互和 數據傳輸。芯片的電源電壓范圍為 1.9 ～ 5.5 V，系 統(tǒng)采用 3.3 V 電源供電。

2.2 人機交互模塊

系統(tǒng)采用的 SDWb070T54A 是由武漢中顯科 技有限公司生產的一款擁有優(yōu)秀電磁兼容特性的工 業(yè)級串口組態(tài)屏，界面友好、使用方便，不需要復 雜的編程知識。其采用異步全雙工串口，可以通過 配套的工業(yè)組態(tài)軟件（viewtech graphical user soft[1]ware，VGUS）進行配置，選擇合適的通信電平和波 特率。其還能夠輸出音頻，可以作為系統(tǒng)的警報聲 音輸出裝置。其電源電壓范圍為 4.5 ～ 5.5 V，系統(tǒng) 采用 5.0 V 電源供電。組態(tài)屏與單片機的連接電路 如圖 2 所示。

電源管腳：管腳 7 和管腳 8 是電壓輸入（volt[1]age in，Vin）接電源 5 V，管腳 1 和管腳 2 是地線 （GND）接電源地。

UART 功能腳：管腳 4 是數據輸入（data in， Din），管腳 5 是數據輸出（data out，Dout），需要 分別與單片機的發(fā)送數據（transmit data，Txd）和 接收數據（receive data，Rxd）管腳相連。由于組 態(tài)屏和單片機采用不同電壓供電，電路中采用三極 管搭建的電路實現了通信電平轉換的功能，使得組 態(tài)屏和單片機之間的數據傳輸更安全穩(wěn)定。 其 他 功 能 腳： 管 腳 3 和管腳 6 無 連 接（no connect，NC）。

2.3 無線通信模塊

系統(tǒng)采用的 E01-ML01SP4 是由成都億佰特電子 科技有限公司自主研發(fā)的一款超小尺寸的 2.4 GHz 貼片式無線通信模塊。該模塊以 nRF24L01P（無線 收發(fā)芯片）為基礎，可以自動把緩存區(qū)的數據發(fā)射 出去 [2]。成都億佰特電子科技有限公司對其功能進 行優(yōu)化，使模塊在最大發(fā)射功率和接收靈敏度方面 都比原來更加優(yōu)秀，在理想條件下，其通信距離可 達 2 km。其電源電壓范圍為 2.0 ～ 3.6 V，系統(tǒng)采用 3.3 V 電源供電。無線通信模塊連接如圖 3 所示。

電源管腳：管腳 1 是電壓輸入接電源 3.3 V， 管腳 8、9、10 是地線，接電源地。

SPI 功能腳：管腳 3 是片選低電平有效（chip select not，CSN）；管腳 4 是串行時鐘（serial clock，SCLK）；管腳 5 是主設備輸出從設備輸入（master out slave in，MOSI），用于由主設備到從設備傳輸 數據；管腳 6 是主設備輸入從設備輸出（master in slave out，MISO），用于由從設備到主設備傳輸數 據。4 個管腳分別與單片機的 SPI 總線按線序連接。 其他功能腳：管腳 2 是芯片使能（chip enable， CE），接單片機輸出腳；管腳 7 是模塊中斷信號 （interrupt，IRQ），與單片機輸入管腳相連。

2.4 溫濕度傳感器

系統(tǒng)采用的 SHT30 是由盛世瑞恩傳感器公司 生產的一款緊湊型數字溫濕度傳感器，其溫度、濕 度精度分別為 ±0.2℃ 和 ±2% RH，電源電壓范圍為 2.4 ～ 5.5 V，系統(tǒng)采用 3.3 V 電源供電。溫濕度傳感 器連接如圖 4 所示。

電源管腳：管腳 5 是電壓輸入，接 3.3 V 電源； 管腳 8 是地線，接電源地。

IIC 功能腳：管腳 1 是串行數據（serial data， SDA），管腳 4 是串行時鐘（serial clock，SCL）， 分別與單片機的 IIC 功能腳相連。通信時，IIC 協(xié) 議中作為主設備的單片機發(fā)送時鐘信號，控制總線 通信，而作為從設備的 SHT30 只需要對單片機的 時鐘信號做出響應即可。

其 他 功 能 腳： 管 腳 2 是 地 址 線（address， ADDR），其狀態(tài)決定傳感器在 IIC 中的通信地 址，當 ADDR 接低電平時，通信地址是 0x44；當 ADDR 接高電平時，通信地址是 0x45，系統(tǒng)中管 腳 2 接地。管腳 3 是警報信號（ALERT），不用時 必須懸空；管腳 6 是復位（negative reset，nRST）， 不用時可以懸空；管腳 7 沒有功能，接地（R）[3]。

2.5 漏水檢測

漏水檢測電路如圖 5 所示。系統(tǒng)采用電路板裸 線作為漏水的檢測探頭，當探頭不接觸水的時候， 探頭為開路，當探頭接觸到水的時候，探頭變?yōu)橥?路，裸線之間水的電阻即探頭處電阻 [4]。

電路采用三極管放大電路來檢測探頭處電阻的 變化。在正常情況下，漏水檢測探頭是開路，單片 機檢測到高電平；當有漏水情況發(fā)生的時候，水的 電阻使得電路發(fā)生變化，單片機檢測到低電平。單 片機通過讀取管腳狀態(tài)即可確定是否發(fā)生漏水事故。

2.6 終端機編號

系統(tǒng)中有多個終端機，每個終端機都需要一個 編號，為此終端機上放置了一個 4 位的撥碼開關， 終端機通過讀取撥碼開關的狀態(tài)確定其系統(tǒng)編號。 每個終端機的撥碼開關都設置成不同狀態(tài)，可以設 置 0000 至 1111 共 16 種狀態(tài)，系統(tǒng)中最多可以搭 載 16 個終端機。

2.7 電源

系統(tǒng)供電是市電 220 V 交流電，綜合考慮各個 部件的工作電壓，采用如下方案：①控制臺采用 電源模塊 LD10-23B05R2-RC 將 220 V 交流電轉為 5 V 直流電供給控制臺，其中，組態(tài)屏直接使用 5 V 電源，芯片 AMS1117-3.3 則將 5 V 直流電轉為 3.3 V 直流電供給其他部件使用；②終端機采用電 源模塊 LD03-23B03R2P 將 220 V 交流電轉為 3.3 V 直流電，為其供電。

3 程序設計

3.1 通信協(xié)議

控制臺和終端機之間通過無線通信模塊進行通 信，組態(tài)屏和單片機之間的指令格式值得借鑒。一 個完整的指令幀包括 7 個部分，其中 4 個必要部分 包括幀頭、指令長度、指令和起始地址；3 個非必 要部分包括數據長度、數據內容和校驗碼 [5]。鑒于 控制臺只需要查詢指令，終端機只需要回復，系統(tǒng) 指令結構可進行簡化?？刂婆_發(fā)送指令格式：幀頭 + 終端機編號 + 幀尾；終端機回復數據格式：幀頭 + 終端機編號 + 溫度碼 + 濕度碼 + 漏水標志位 + 幀 尾。幀頭為 0xA5，終端機編號 1 個字節(jié)，溫度碼、 濕度碼各 2 個字節(jié)，漏水標志位 1 個字節(jié)，幀尾為 0x5A?？刂婆_收到數據后按格式解碼即可。 部分程序代碼如下：

void decode（）// 解碼程序

{

if（Rec_Buff[0]==0xA5&&Rec_Buff[7]==0x5A）

// 確定幀頭 0xA5，幀尾 0x5A

{

Zhongduan_ID =Rec_Buff[1]；

// 讀終端機編號

Wd=（（Rec_Buff[2]<<8）|Rec_Buff[3]）；

Sd=（（Rec_Buff[4]<<8）|Rec_Buff[5]）；

Wendu[Zhongduan_ID]=（175*（float）

Wd/65535-45）；

// 解碼溫度

Shidu[Zhongduan_ID]=（100* （float）Sd/

65535）；

// 解碼濕度

Loushui[Zhongduan_ID]=Rec_Buff[6]；//

讀取漏水信息

}

}

3.2 警報機制

警報功能是系統(tǒng)的一個核心功能，系統(tǒng)警報類 型包括兩種：①環(huán)境異常警報，是指終端機檢測 到采樣點溫濕度超過設定閾值或者有漏水的情況； ②終端機響應異常，是指控制臺查詢終端機數據而 終端機超時無響應的情況。

圖 6 為控制臺程序流程，當監(jiān)測到異常時，控 制臺發(fā)出警報，并且顯示異常種類、異常終端機編 號、異常發(fā)生時間，這樣工作人員就可以迅速到達 故障點排除安全隱患。

系統(tǒng)設定中，異常警報只能手動解除，如果設 置警報自動解除功能，可能會錯過偶發(fā)的故障。無 論發(fā)生哪種異常，如果不處理都會留有隱患，甚至 可能釀成事故，系統(tǒng)不能充分發(fā)揮警報作用。因此 警報一旦觸發(fā)，警報聲會一直存在，直到工作人員 排查完問題后，手動操作確認解除警報。

4 結論

本系統(tǒng)可以有效監(jiān)測機房環(huán)境，提醒工作人員排查隱患，其適用于 24 h 有人值守的機房。本系統(tǒng) 存在進一步優(yōu)化的空間，例如，更換撥碼開關可以 使系統(tǒng)掛載更多終端機，添加網絡通信模塊可以實 現多級警報和遠程提醒功能。但是整體來說，本系 統(tǒng)能夠在降低工作人員工作強度的同時，極大地提 升故障發(fā)現速度。

參考文獻

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