基于窄带物联网的数据中心压敏点报警系统设计

于 贤，王 锐

（中国移动通信集团 河北有限公司，河北 石家庄 050000）

0 引 言

河北省某数据中心是东数西算国家战略背景下全国互联网数据中心（Internet Data Centre，IDC）布局的重要组成部分，规划机架8 000架，目前已启用数据机房23套，上架业务4 000余架，系统冷负荷约16 000 kW。机房设备的安全运行有赖于制冷系统安全可靠地输出制冷量，一旦制冷系统出现故障，将严重威胁整个机房的设备环境安全[1]。目前，该数据中心的制冷系统中的压力表多为机械式，部分区域的电子压力表无法在现场显示。相较于数字表的读数直观且准确，巡检人员观察机械压力表俯仰角度的不同易造成读数上的误差。系统的压力表数据需要巡检人员定期去现场读取，没有监测平台去实时接收和展现这些数据。由于数据的及时性无法保证，因此一旦系统出现压力波动，运维人员无法第一时间感知。为解决上述问题，本文设计了一种基于窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）的压敏报警系统。

1 系统总体设计

通过日常运维总结，A楼最高楼层重力热管背板空调间内的冷冻水分配单元（Chilled water Distribution Unit，CDU）回水管上为整个制冷系统的压力最低点，约为0.03 MPa。因为该点位于机房的屋顶附近，所以运维人员不方便读取该点的机械表数据。设计将该点的机械压力表替换成具有RS485通信功能的数显电子压力表，以解决运维人员读数不准确的问题。由于该点附近的现场监控单元（Field Supervision Unit，FSU）接口数量紧张且不方便布线，因此利用NBIoT无线模块将数据上传至云服务器进行数据存储和展示。通过服务器上的程序设置和应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）调用，当制冷系统出现失压超过阈值时，准确快速发送报警至值班室。

2 系统的硬件设计

2.1 压力采集模块

压力采集模块采用型号为CYYZ11通用型压力变送器，该产品采用不锈钢隔离膜片的OEM压力传感器作为信号测量元件，并经过计算机自动测试，用激光调阻工艺进行了宽温度范围的零点和灵敏度温度补偿[1]。放大电路位于不锈钢壳体内，将传感器信号转换为标准输出信号，充分发挥了传感器的技术优势，使CYYZ11系列压力变送器具有优异的性能。该压力变送器抗干扰、过载和抗冲击能力强、温度漂移小、稳定性高，具有很高的测量精度，是工业自动化领域理想的压力测量仪表。

压力传感器是在单晶硅片上扩散一个惠斯通电桥，被测介质（气体或液体）施压使桥壁电阻值发生变化（压阻效应），从而产生一个差动电压信号。此信号经专用放大器，将量程相对应的信号转化成标准模拟信号或数字信号。压力传感器工作原理如图1所示。压力变送器通过ZC-RVVP4芯信号线缆与采集设备相连，将转化后的标准信号传至数据采集设备。

图1 压力传感器工作原理

2.2 无线通信模块

无线通信模块采用M5310-A模块，它是一款工业级的多频段NB-IoT无线模块，工作频段是Band3、Band 5、Band 8，主要应用于低功耗的数据传输业务，满足3GPP Release 14标准[2]。M5310-A采用Leadless Chip Carriers封装的贴片式模块，尺寸仅有19 mm×18.4 mm×2.2 mm。此外，M5310-A模块采用了低功耗技术，电流功耗在节能模式下低至3 μA。

3 系统的软件设计

系统软件设计主要包括的任务有压力采集模块数据的读取、NB-IoT模块信息的发送与接收、云端数据展示平台的设计、报警API的调用以及报警规则设置等[3]。

3.1 压力采集模块的数据读取

CYYZ11通用型压力变送器支持RS485格式的信号输出，遵守Modbus-RTU通信协议。数据格式为“9 600，N，8，1”，即“9 600 b/s，无校验，8位数据位，1位停位”。0～1.6 MPa的传感器通信设备地址设为01，即[Address]=01，此时CRC0=84、CRC1=0a。发送数据01 03 00 00 00 01 84 0A，返回数据为01 03 02 02 AC B9 59。02AC为16进制，将其转换成十进制为684。由于0～2000对应0～1.6 MPa，因此当前压力为P=(1.6×684)/2 000=0.547 2 MPa。

3.2 无线通信程序设计

无线通信程序设计分为4部分，具体如下。

（1）RS485指令下发。通过USART口发送查询指令，根据不同压力变送器厂家的指令集、设备地址、校验方式确定指令内容，发送频率设置为1 s[4]。RS485s输出接线如图2所示。

图2 RS485输出接线图

（2）RS485数据读取及转换。通过USART口返回的数据一般为16进制且是AD采样的比例值，需要通过计算转换为压力值，具体计算公式参照厂家手册。

（3）阈值判断及告警触发。根据变送器安装位置的正常压力设置阈值，程序循环判断当前返回的压力值。如果不低于阈值，则每5 min上报一次当前压力值；如果小于阈值时触发告警，则及时向平台发送告警信息[5]。

（4）平台注册、保活及数据上传。通过计算机与设备通信指令控制物联网模组注册平台，并在生命周期内发送保活信息，保持平台连接。如果多次信息发送不成功，则产品自动重启。在没有网络的极端情况下，则后台触发机制，通知此设备掉线无连接。

3.3 云端数据展示平台设计

数据展示平台安装于华为云服务器上，华为云通过基于浏览器的云管理平台，以互联网线上自助服务的方式为用户提供云计算IT基础设施服务。相较于其他云服务品牌，华为云具有价格低廉、安全性高以及易于操作和部署的特点。

通过中移物联网有限公司的OneNet平台，获取实时的压力表数据信息。为了保证数据的安全性，传递过程中使用OneNet平台的加密模式。为了保证数据的安全性、准确性、完整性，将数据先推送到消息队列，后台对消息队列进行消息订阅，当消息队列中出现新的消息时，执行相应的后台方法对数据进行加工并存储。数据展示平台包含完整的用户鉴权功能、权限管理功能，以保证数据的安全。同时，用户界面中以表格的形式展示压力表数据详细信息[6]。

3.4 报警API调用

通过调用华为云上的语言通话Voice Call实现电话报警的功能，提醒值班人员快速响应并进行应急处置[7]。当从压力传感器上传至云服务器上的数据达到设置的报警阈值时，触发报警功能，程序自动调用语音通知API，请求语音通话平台给指定的值班室电话播放语音通知[8,9]。

调用代码示例：

4 结果测试和分析

将该系统应用到实际生产工作中，经过测试，从发生低压告警到值班人员收到电话通知，时间间隔大约在1 min左右[10]。在接到电话后，值班人员迅速处置，预计在5 min内可以将爆管点进行隔离。再通过蓄冷罐释冷等措施，可以快速使制冷系统恢复供冷，尽可能减少因机房高温造成的损失。

5 结 论

基于窄带物联网的数据中心压敏点报警系统不仅为运维人员在日常巡检过程中读取管道压力值提供了便利，还能将实时压力数据传送到云服务器上。通过云平台的展示，只要有互联网，运维人员无论身处何地都能方便地查询该点的压力值，大大提升了数据采集的高效性和实时性。同时，通过报警模块的设置，当压力值处于阈值以下时系统会进行报警，值班人员能迅速启动应急预案，减少因制冷系统失压造成的严重损失。