基于LabVIEW和DS18B20的网络中心机房温度测控系统

金星

（遵义师范学院物理与机电工程系，贵州遵义563002）

随着互联网和通讯产业的高速发展,网络运营商中心机房的规模越来越大,网络设备的数量越来越多。数量如此众多的网络设备被密集安放在中心机房内,其散发的热量如果不及时散发出去,将会使机房的环境温度迅速升高。温度是影响网络设备运行稳定性和使用寿命的主要因素之一。IT设备元器件对温度变化非常敏感,如果环境温度太高,且无通风冷却条件,产生的热量散发不出去,就会加快半导体材料的老化,并在内部引起暂时或永久的微观变化,使元器件产生故障并造成数据丢失[1]。采用人工检测的方法可靠性低、实时性差,因此,有效进行网络中心机房温度的自动监测具有重要的现实意义。

本文研究一种新型智能温度测控系统,利用智能数字温度传感器实现温度数据的多点采集,采用美国NI公司推出的数据分析软件——LabVIEW来进行系统软件设计,系统自动采集、分析数据,能根据异常情况进行声光报警,并具有数据存储和查询功能,方便对机房温度的情况进行评估。

1 系统整体设计及工作原理

本系统是一个全智能温度巡检与控制系统,系统工作流程如图1所示。它主要由温度传感器、MSP430F169单片机、RS485/232转换变送器、温度控制电路、散热系统、计算机和相应软件组成,其工作流程如下：主控计算机向单片机MSP430F169发送温度读取命令,MSP430F169向温度传感器DS18B20发出温度测定指令,温度传感器将测得的温度数据发送给MSP430F169,经信号转换后由通讯总线上传给主控计算机,主控计算机利用LabVIEW对数据进行分析处理,并将测量的数据结果显示出来,同时主控计算机将采集到的信号根据PID控制算法求出系统输出信号的大小,通过MSP430F169将控制信号输出给温度控制电路,控制电路控制散热系统的启动或停止,从而达到对待测物体温度的控制作用。由于每一个DS18B20都具有唯一的64位序列号,这样就可以在一根总线上挂接多个DS18B20,实现组网多点测温。

2 系统硬件设计

2.1 数字温度传感器 DS18B20

DS18B20是美国 Dallas半导体公司生产的“一线总线”接口温度传感器[2],电源电压可在3V～ 5.5V范围变化,测温范围－55℃～＋ 125℃,测量分辨率最高可达0.0625℃,测量时间可达 93.75ms甚至更快,具有良好负压特性,当电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,独特的单线接口方式,使DS18B20与微处理器之间仅需要一条口线即可实现数据的双向通讯,这样可保证较高精准度和极强的抗干扰纠错能力[3]。

2.2 智能终端

数字温度传感器DS18B20采集温度数据,并将温度数据转换成串行数字信号通过I/O接口供单片机处理,MSP430F169接收各个温度数据后,经过分析、处理,送至LCD显示单元实时显示,并判断温度数据是否超限,如果超限,则自动进行声光报警。同时,MSP430F169接收来自主控计算机的控制信号,将控制信号送至温度控制单元,交由温度控制电路进行温度控制。

2.2.1 温度采集单元

在本设计中,测量分辨率为0.5℃,温度范围为-30～ 120℃,因此采用外部电源供电方式。外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式,可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点,即使电源电压VCC降到 3V时,依然能够保证测量精度。工作电源由VDD引脚接入,工作稳定可靠,抗干扰能力强,电路也比较简单,在总线上挂接多个DS18B20传感器,组成多点测温系统。需要注意的是,在外部供电的方式下,DS18B20的 GND引脚不能悬空,否则不能转换温度,读取的温度总是85℃[4]。温度采集电路如图3所示。

2.2.2 温度控制单元

控制电路的工作原理是从MSP430F169的温度控制单元接收控制信号,然后控制继电器的动作,使散热风扇工作在相应的状态下。散热风扇的工作电压是交流220V,用固态继电器对它进行控制。使用三级管来驱动继电器,可以确保温度控制单元I/O通道的安全。Port端口接温度控制单元 I/O通道中相应的输出端,流经Port端口的电流被电阻 R限制在3mA以下,固态继电器的输入端电压被电阻 R限制在5V以下,温度控制电路如图 4所示。

2.2.3 RS485/232转换器

目前常用的总线类型有现场总线(Lonworks)、控制器局域网络(CAN总线)、 RS485总线、RS232总线等。由于 RS485总线允许连接多达 128个收发器,具有良好的抗噪声干扰性、长距离传输和多机通信能力,可以方便地建立起设备网络,因此本系统采用RS485总线作为终端通讯总线。但是,众所周知,主控计算机只有RS232数据接口,还存在一个接口的转化问题[6],本系统采用RS485/232转换器进

为保证系统的高效率、高精度、低功耗需求,本设计采用德州仪器(TI)生产的超低功耗单芯片微控制器MSP430F169[5]。智能终端主要由温度采集单元、RS485通信单元、 LED显示单元、温度控制单元、声光报警单元和供电单元组成,结构如图2所示。行接口转换,可以方便地完成系统终端与主控计算机之间的数据通讯。

3 系统软件设计

3.1 软件设计

系统工作流程图如图5所示。

程序进入主系统后,首先对整个系统进行初始化,然后是系统自检,检测各硬件是否正常工作,如果硬件正常,系统开始进行温度数据的采集,对采集到的温度信号进行判断,如果温度没有超过预设温度,则继续采集温度信号；如果温度超过预设温度,启动温度超限报警并在显示屏上显示,并自动发送短消息给机房维护人员,同时计算机通过PID控制算法控制散热风扇启动(停止),使温度值稳定在设定值规定的范围内。

3.2 主控计算机软件系统设计

主控计算机软件系统采用美国国家仪器公司(National Insturments,NI)开发的仪器和分析软件应用开发工具LabVIEW进行开发,系统前面板如图 6所示。主要功能如下：

(1)系统控制：主要功能是温度数据的采集、分析、设置数据的刷新频率,将数据提供给数据分析模块进行分析处理。

(2)温度设置：用于设置温度的上限和下限,当实测温度数据不在设置范围内时,系统立刻启动温度超限报警,并利用声光信号提醒机房维护人员。

(3)温度显示：为了实时显示当前温度的变化趋势,实现温度变化曲线的生成,采用Waveform Chart对实时温度进行显示,并使用直方图对温度变化数据进行统计。

(4)温度控制：比较当前温度值与设定温度值,当检测温度大于设定温度时,向控制电路数字I/O通道相应位写入“ 1”,接通继电器,启动散热风扇,达到为机房设备降温的目的；当检测温度小于设定温度时,向数字I/O通道相应位写入“ 0”,关闭继电器,停止散热风扇。这样,既可以避免继电器反复动作导致继电器损坏,又可以使机房温度稳定一定范围内。

(5)温度存储：本模块调用LabVIEW中的写入电子表格文件函数“W rite To Spreadsheet File.vi”,将采集到的温度值存入电子表格文件中,既可以提供给直方图生成程序使用,又可以作为温度数据的历史记录。温度存储模块框图如图7所示。

4 结束语

本系统实现了网络中心温度的检测和控制。系统硬件部分电路简单、性能可靠,可完成对机房温度信号的数据采集、前端处理和温度控制；软件部分设计直观易懂的人机交互界面,实现数据的处理、图形化显示、超限报警和文件存储,在测控的过程中还可以方便地改变控制范围的参数,可调节性能得以提高,智能控制散热设备的工作,中心机房的温度得到有效的控制,达到良好的散热效果,有效提高了设备的运行稳定性,延长了设备的使用寿命。本系统具有能耗低、成本低、精度高、易操作等特点,可广泛适用于大学、制药厂、医院、仓储中心、档案棺、血站、疾病防控中心、环保监测部门、蔬菜大棚的温度测控,具有很好的推广价值。

[1] 鲍成龙.温度对电脑的影响[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/f1f2b3254b35eefdc8d33326.htm l,2011-04-03.

[2] 温欣玲,周旭东,赵东波.煤矿高压电缆接头实时温度监控系统设计[J].煤炭科学技术,2008,(6):86-89.

[3] 颜丽娜,张铁民.基于DS18B20测温系统的设计[J].科技信息,2010,(11):496-497.

[4] 电子驿站.新型数字温度传感器DS18B20介绍[EB/OL].http://Www.ourmpu.com/mcujx/ds18sy12.htm,2011-04-03.

[5] Texas Instruments.MSP430TM16位超低功耗 MCU-1xx8MHz系列-MSP430F169[EB/OL].http://focus.ti.com.cn/cn/Docs/prod/folders/print/msp430f169.htm l,2011-04-03.

[6] 陈伟忠,廖曙生.基于GIS的电缆接头温度在线监测系统的研究[J].日用电器,2006,(10):58-60.