基于单片机的通信机房环境监控系统的开发研究

何中胜，赵红玉，庄燕滨

(1. 常州工学院 计算机信息工程学院，常州 213002；2. 江苏铁通 常州分公司，常州 213002)

0 引言

近几年，随着Internet和信息技术的快速发展，中国铁通的业务水平和业务数量也在大幅提高，其下属的中国铁通江苏分公司，在沪宁高铁和京沪高铁的带动下，也发生了很大变化，其下属公司常州铁通，为了进一步加强对常州地区通信设备的监控，有效防范机房安全隐患，确保通信设备运行良好。常州铁通加大资金投入，先后完成了十几个分机房的建设工作，为了对新建机房和已建机房温湿度、交直流电压、门禁、固网模块等设备的监控，以有效实现机房集中监控和管理，开发一套机房环境监控系统显得尤为必要。

更重要的是，机房环境监控系统的开发也是我国电信行业发展的大势所趋，随着电信企业集约化经营政策实施，国家对通信设备及其环境的维护工作提出了更高的要求。政策要求电信企业对通信设备和环境必须实行集中控制，少人或无人值守，尽量采取远程控制和远程监控技术[1,5]。另外，网络技术、通信技术、计算机技术和控制技术的发展，也为实现机房通信电源和环境监控提供了相应的技术支持，使机房环境监控系统的实现成为可能。

1 系统分析

通过对江苏铁通常州分公司通信机房环境实际情况的调查和研究，重点从机房环境监控系统结构、功能组成、数据采集及系统监控等内容入手，对监控系统的方式、方案进行了分析，在结合本地网现有网络资源的基础上提出了通信机房环境监控系统的设计方案。本系统拟解决的主要关键问题有：

1）机房环境监控系统软件的系统分析、系统设计、系统实现和系统测试的部署和开发过程；

2）机房环境监控系统软件和各个分站机房管理系统之间的通信问题；

3）本系统具体监控内容：监控管理服务器，智能开关电源，交流配电箱，蓄电池组，门禁，集中数据采集器，监控平台软件等各种设备，以及机房环境各种（如：温度、湿度、烟感等)参量，其具体的监控内容如表1所示。

表1 机房环境监控系统监控内容

根据以上系统需求分析，给出通信机房环境监控系统的网络结构框架图，如图1所示。

图1 系统网络结构框架图

2 系统硬件设计

机房环境监控系统是一种以计算机控制技术为主，集传感器和检测技术、嵌入式计算机、计算机网络、数据采集与传送、通信协议工程于一体的综合系统。因此本系统开发过程中需要用到传感变送技术、数据采集技术及通信技术等。限于篇幅，本文仅就这些技术的主要功能设计进行阐述。

2.1 传感变送单元

传感变送单元(SENS)是指安装在机房各个位置的一定数量的各种类型的传感器。是监控系统必不可少的组成部分。

本系统中传感器主要负责监控下面一些环境指标，其中告警的方式采用警号、显示和蜂鸣器等。

1）温度传感器的监测范围一般在10℃～40℃之间，精度为0．5℃。

2）湿度传感器的监测范围一般在20%～90%RH之间，测量精度为2%RH。通常置于机房中心位置。

3）烟感传感器用来监测可燃物质燃烧后所释放的烟雾，一般响应时间＜10s,通常置于机房中心位置。

4）电流、电压传感器用来监测空调和交换机的供电电流、电压状况。空调机组的电流测量范围在1A～100A之间，测量精度为1A；交换机的电压测量范围在40V～60V之间，测量精度为0.1V。

5）门禁传感器用来监测机房门窗的开关状况，通常置于门窗两侧。

6）积漏水传感器用来监测机房积水和漏水情况，通常放置在门下等位置。

7）玻璃破碎传感器用来监测玻璃门窗的破碎状况，通常放置在玻璃门窗上方。

2.2 数据采集单元设计

数据采集通常是指对不同工作方式的传感单元（如温湿度、空调电流、交换机电压、门窗开关、火警、水灾等）的信息进行数据采集、分析和规整工作。另外，数据采集器还传输客户端的查询命令，根据查询条件发送其采集到的环境参数，以及故障报警器的开启等功能[2,3]。

1）数据采集单元的构成

本系统中被监控的设备分为智能设备和非智能设备。因智能设备如开关电源、智能空调等本身具有数据采集能力，并提供智能接口供后台读取，可以直接接入监控系统。非智能设备如低压配电柜等，信号一般不能被采集器直接采集，需要使用传感器或变送器将不方便采集的非电量信号或电量信号转换成标准的电量信号。本系统中采用艾默生公司生产的IDA一体化采集器来对非智能设备信号进行采集，该采集器以AT89C51单片机为其核心选用ANALOG DEV ICES公司的AD7828为A/D转换芯片。

2）告警的检测、显示与处理

监控系统对监控目标的状态除了保存状态数据外还采用报警的直观方式进行展现，同时对告警进行分级与处理。系统对于烟感、门禁、地面积漏水、玻璃破碎和移动探测等传感器信号的信息输入通过一个10K上拉电阻串接到一个47K的电阻上，再连接到一片74LS244的输入端，该连接方式可以有效的防止信号抖动等现象，避免由意外因素引起的虚警[2,5]。

对于告警优先级的处理，把火警的优先级设为最高。正常情况下，火警的告警信号为高电平，当发生火灾时，传感器输出信号就变为低电平，这种信号会立即驱动安装在监控中心的警号报警，同时主板上的蜂鸣器也报警，显示器上也会显示火警事故信息，这时就要立即采取相应的措施进行事故处理。

对于移动探测信号，正常情况下为低电平有效。当发现有人体移动时，告警量变就会变为高电平，并且输出高电平信号，该信号驱动显示面板上的移动探测指示灯变为红色。

门禁传感器、玻璃破碎传感器、积漏水传感器等的信号采集于传输均为高电平有效，它们的显示、报警功能与移动探测传感器类似，这里不再详述。

2.3 通信单元设计

智能设备可以与计算机通信，无需采集器即可直接接入监控系统中的前置机。但是接入的智能设备，通常会有各自的通信协议，必须了解其协议才能使它们跟上位机进行通信。

在机房环境监控系统中，远端局的数据信号一般通过电信网络如电话线、E1中继、数字数据网等传送至监控中心。根据铁通的实际应用情况，采用PSTN和E1中继两种传输方式[4,5]。

1）通信单元的整体网络结构

由于本系统通信时所传输的数据量不大，系统本身对通信速率的要求不高，所以在远端分机房的通信单元与监控中心机房之间的通信方式采用基于电话网的DTMF双音多频通信技术[4,5]。基于电话网的DTMF双音多频通信是由CCITT提出的一种邮电通信指令，其解码过程采用一套科学的算法，并且会经过一系列严格的滤波处理，因此，最后得到的数据具有高可靠性和准确性。

2）中心端通信单元的设计

中心端通信单元主要要完成的工作是对远端各个分机房每个通信单元的双音多频信号芯片所采集的数据进行汇集，并将双音多频信号转换成RS-232电平，再把转换成的数据通过监控中心的主机串口传递给远端的中心计算机进行相应的处理；另外，负责接收监控中心主机所发出的命令信号，根据其地址把这些命令信号传输给相应的远端通信单元，让它们根据这些命令进行数据采集，并把采集到的数据上传到监控中心主机上。

通信单元中的逻辑控制模块主要功能为：

1）负责接收由AT89C51发出的命令信号，并对其通信地址进行解码，按照解码后的地址，把每个命令信号传送给对应的AT89C205l单片机。

2）负责接收由AT89C2051所发出的8路数据信号和中断申请信号，并按照每个中断申请的先后顺序读取数据，把这些数据送给AT89C51进行相应的处理。

在本系统中为了缓解通信线路的工作负担，提高数据通信的效率，加快传输速度，把中心通信单元的通信数据格式的地址部分设计为2个字节，其中第一个字节是数据采集单元的通信地址，第二个字节又分为两部分，前半部分是通信盒子的编号地址，后半部分是通信盒子上八个端口的编号地址。由监控中心主机发出的命令消息各个中心通信单元均能接受，接收之后再根据自身的地址与命令信息包中地址部分的通信地址的比较结果，判断是否处理该命令消息，如果两者地址相同则对其进行处理，不相同则不予处理。

3 系统软件设计

3.1 数据采集单元的软件设计

数据采集单元的软件就是一个运行在AT89C51单片机上的应用程序，其主要功能如下：

1）实时数据采集。主要实现数据的模数转换、实时数据的线性化、报警条件判断、数据过滤等功能。

2）接受操作员在站下发送的信息，并且解释所接收到的信息，最后按照要求将这些信息做一相应的处理。

数据采集单元的软件主要由主程序、定时服务子程序和串口中断子程序三部分组成。主程序是其核心部分，主要完成数据采集、数据分析和报警条件的判定等功能。其具体处理流程为：

1）初始化系统配置；

2）是否有设置地址？若无进行设置RTU地址；

3）是否有告警地址？若无进行告警地址和告警信息设置；

4）检测FLAG标志，若FLAG为真，则1）进行告警检验处理并向中心发送告警；2）监测中心有无应答，若无应答，转到1），否则转到3）；3）保存应答告警信息；

5）转向2）。

定时服务子程序主要实现在固定的时间间隔内查询采样标志，如果采样标志置位，则对传感器数据进行采集，并且判断是否需要设置告警标志；串口中断子程序主要负责接收系统操作员从监控中心下发的命令消息，解释并处理这些消息，最后返回给监控中心所需要的数据。

3.2 监控中心软件设计

监控中心软件完成通信、数据采集、分析处理、数据库管理与维护，能显示、声光告警、查询、记录和打印各监测点的数据以及系统维护等功能。

监控中心软件系统分前台和后台两个子系统。

前台子系统主要实现远程监控、远程处理、告警处理、信息查询等功能：

1）远程控制模块：主要实现对机房环境进行远程控制功能。例如：控制机房各种电源开关的分合，门禁的开关状态等。

2）视频监控模块：主要通过视频监控仪实现对机房中一些可视化环境的监控等。

3）空调控制模块：空调是机房环境中至关重要的设备之一，它对机房温湿度的调节起到举足轻重的作用，因此，需要把对空调的控制单独分成一个模块来处理。

4）告警处理：主要实现对告警信息的处理。

5）设备状态报表：主要实现查询和打印各种设备工作状态的报表功能。

6）实时信息：主要用来监控各种设备的实时工作状态。

7）历史信息：主要用来监控各种设备的历史工作数据。

后台主要实现基本数据维护、参数设置等功能：

1）设备管理模块：主要实现对机房及机房内各种设备的管理功能。例如：机房、设备等的增删改。

2）通道管理模块：主要实现对机房通信通道的管理，如通道的增删改和开启与关闭，通道配置的管理等。

3）监控管理模块：主要实现对监控对象的管理，如监控对象增删改，监控对象参数的配置等。

4）告警管理：主要实现对告警的管理，如告警类别的管理，告警处理人的管理，告警信息的增删改等。

5）数据管理：主要实现对监控数据的处理和日志的处理等。

6）系统管理：主要实现系统信息管理和监控机时钟的管理等。

7）用户管理：主要实现对角色、用户和登录用户自身一些属性的管理。

3.3 实验及运行分析

本系统软件部分采用流行的MVC架构模式实现。用户首先登录机房环境监控系统，进入中心软件的首页面，如图2所示。

图2 中心软件的主页面

在首页面中选择某个分中心机房时，出现相应的监控页面，如图3所示。从图3中发现可以监控到每一个监控对象所连接的通道，属于哪个机房，属于哪个设备，以及监控对象当前的各个监控属性。实验表明, 该机房监控系统能实现其设计功能, 满足设计要求。

图3 监控数据页面

4 结束语

本文主要研究了开发机房环境监控系统所涉及到的数据采集、通信单元设计、中心监控软件设计等重要环节，整个监控系统只有协同工作，才能共同完成机房环境的监控任务。由于使用本系统可以控制一个总线上多个分机房的环境，使得控制简单方便。通过本系统可以实时跟各个分机房进行通信，系统图形界面操作简单、直观高效，很方便对机房环境进行实时监控。

[1] 胡友名,杜润生,杨叔子.生产过程远程监控与诊断技术研究[J].华中科技大学学报,2002,30(4):16-18.

[2] 桂玲.基于嵌入式的无线智能监控系统设计[J].煤炭技术,2012,31(5):186-187.

[3] 陈义明,王勇.动力设备及环境集中监控系统[J].信息技术与信息化,2004,22(4):25-27.

[4] 于海晨,仲崇权.基于Internet的控制系统远程监控方案及实例[J].计算机测量与控制,2001,19(5):14-15.

[5] 常雨芳,黄文聪.基于嵌入式技术的机房监控系统设计[J]. 湖北工业大学学报,2011,26(2):27-30.