多点无线机房环境监测系统

2024-05-12李四峰

电子产品世界 2024年1期

李四峰

摘要：优良的环境是机房设备平稳运行不可或缺的因素，因此工作人员需要高频度地巡视检查，但是仍然可能出现问题发现不及时的情况。为了避免这种情况，提出了一套环境监测系统，系统终端机使用温湿度传感器和漏水检测电路来检测机房内的环境，通过无线模块将数据传输到控制台，控制台实时显示整个系统的运行情况和机房的室内环境。如果出现异常情况，系统将发出警报，提醒工作人员处置问题。该系统极大地提升了响应速度，有效地保障了机房的安全运转。

关键词：温湿度传感器；单片机；组态屏；漏水检测；机房环境；无线通信模块

中图分类号：TN92；TP216；TU89文献标识码：A

0 引言

机房的温湿度对机房设备的安全平稳运行十分重要，温湿度过高或者过低都会对设备产生影响，甚至造成严重的安全问题。目前，很多机房安装了机房空调，机房空调具备制冷、制热、加湿、除湿等功能，可以使机房环境保持在特定的温湿度。但是如果机房空调遇到停机故障，有可能造成机房温湿度不可控的情况，此外机房空调发生意外漏水也会造成不良后果 [1]。

多点无线机房环境监测系统能够应对这些状况，实时监测机房各部位的温湿度以及地面漏水情况，如有异常，第一时间发出警报，辅助工作人员及早排除不安全因素，确保机房温湿度保持在正常范围。

1 总体架构

多点无线机房环境监测系统分为控制台和终端机，控制台能够控制整个系统，显示系统的运行状态以及所有终端机检测结果；终端机的作用是检测所在点位的温湿度和漏水情况。控制台和终端机之间采用无线通信的方式进行连接，一个控制台可以搭载多个终端机，系统可以同时监测多个点位的参数。系统框架如图 1 所示，控制台主要包括电源、微控制器、人机交互模块、无线通信模块；终端机包括电源、微控制器、温湿度传感器、漏水检测、无线通信模块。

2 硬件电路设计

2.1 主控芯片

系统微控制器芯片采用国产单片机 STC32G8K64，这是一款在功能和性能方面都非常出色的 32 位单片机。其具有抗干扰、低功耗等特点，能够高速处理大量信息，比普通单片机快 70 倍左右。该单片机提供了 48 个中断源和 4 个中断优先级，可以根据不同的需求进行灵活中断处理。此外，支持通用异步收发传输器（universal asynchronous receiver/transmitter， UART）、串行外设接口（serial peripheral interface， SPI）、集成电路总线（inter-integrated circuit，IIC）等多种通信协议，可以与其他设备进行信息交互和数据传输。芯片的电源电压范围为 1.9 ～ 5.5 V，系统采用 3.3 V 电源供电。

2.2 人机交互模块

系统采用的 SDWb070T54A 是由武汉中显科技有限公司生产的一款拥有优秀电磁兼容特性的工业级串口组态屏，界面友好、使用方便，不需要复杂的编程知识。其采用异步全双工串口，可以通过配套的工业组态软件（viewtech graphical user soft[1]ware，VGUS）进行配置，选择合适的通信电平和波特率。其还能够输出音频，可以作为系统的警报声音输出装置。其电源电压范围为 4.5 ～ 5.5 V，系统采用 5.0 V 电源供电。组态屏与单片机的连接电路如图 2 所示。

电源管脚：管脚 7 和管脚 8 是电压输入（volt[1]age in，Vin）接电源 5 V，管脚 1 和管脚 2 是地线（GND）接电源地。

UART 功能脚：管脚 4 是数据输入（data in， Din），管腳 5 是数据输出（data out，Dout），需要分别与单片机的发送数据（transmit data，Txd）和接收数据（receive data，Rxd）管脚相连。由于组态屏和单片机采用不同电压供电，电路中采用三极管搭建的电路实现了通信电平转换的功能，使得组态屏和单片机之间的数据传输更安全稳定。其他功能脚：管脚 3 和管脚 6 无连接（no connect，NC）。

2.3 无线通信模块

系统采用的 E01-ML01SP4 是由成都亿佰特电子科技有限公司自主研发的一款超小尺寸的 2.4 GHz 贴片式无线通信模块。该模块以 nRF24L01P（无线收发芯片）为基础，可以自动把缓存区的数据发射出去 [2]。成都亿佰特电子科技有限公司对其功能进行优化，使模块在最大发射功率和接收灵敏度方面都比原来更加优秀，在理想条件下，其通信距离可达 2 km。其电源电压范围为 2.0 ～ 3.6 V，系统采用 3.3 V 电源供电。无线通信模块连接如图 3 所示。

电源管脚：管脚 1 是电压输入接电源 3.3 V，管脚 8、9、10 是地线，接电源地。

SPI 功能脚：管脚 3 是片选低电平有效（chip select not，CSN）；管脚 4 是串行时钟（serial clock，SCLK）；管脚 5 是主设备输出从设备输入（master out slave in，MOSI），用于由主设备到从设备传输数据；管脚 6 是主设备输入从设备输出（master in slave out，MISO），用于由从设备到主设备传输数据。4 个管脚分别与单片机的 SPI 总线按线序连接。其他功能脚：管脚 2 是芯片使能（chip enable， CE），接单片机输出脚；管脚 7 是模块中断信号（interrupt，IRQ），与单片机输入管脚相连。

2.4 温湿度传感器

系统采用的 SHT30 是由盛世瑞恩传感器公司生产的一款紧凑型数字温湿度传感器，其温度、湿度精度分别为 ±0.2℃ 和 ±2% RH，电源电压范围为 2.4 ～ 5.5 V，系统采用 3.3 V 电源供电。温湿度传感器连接如图 4 所示。

电源管脚：管脚 5 是电压输入，接 3.3 V 电源；管脚 8 是地线，接电源地。

IIC 功能脚：管脚 1 是串行数据（serial data， SDA），管脚 4 是串行时钟（serial clock，SCL），分别与单片机的 IIC 功能脚相连。通信时，IIC 协议中作为主设备的单片机发送时钟信号，控制总线通信，而作为从设备的 SHT30 只需要对单片机的时钟信号做出响应即可。

其他功能脚：管脚 2 是地址线（address， ADDR），其状态决定传感器在 IIC 中的通信地址，当 ADDR 接低电平时，通信地址是 0x44；当 ADDR 接高电平时，通信地址是 0x45，系统中管脚 2 接地。管脚 3 是警报信号（ALERT），不用时必须悬空；管脚 6 是复位（negative reset，nRST），不用时可以悬空；管脚 7 没有功能，接地（R）[3]。

2.5 漏水检测

漏水检测电路如图 5 所示。系统采用电路板裸线作为漏水的检测探头，当探头不接触水的时候，探头为开路，当探头接触到水的时候，探头变为通路，裸线之间水的电阻即探头处电阻 [4]。

电路采用三极管放大电路来检测探头处电阻的变化。在正常情况下，漏水检测探头是开路，单片机检测到高电平；当有漏水情况发生的时候，水的电阻使得电路发生变化，单片机检测到低电平。单片机通过读取管脚状态即可确定是否发生漏水事故。

2.6 终端机编号

系统中有多个终端机，每个终端机都需要一个编号，为此终端机上放置了一个 4 位的拨码开关，终端机通过读取拨码开关的状态确定其系统编号。每个终端机的拨码开关都设置成不同状态，可以设置 0000 至 1111 共 16 种状态，系统中最多可以搭载 16 个终端机。

2.7 电源

系统供电是市电 220 V 交流电，综合考虑各个部件的工作电压，采用如下方案：①控制台采用电源模块 LD10-23B05R2-RC 将 220 V 交流电转为 5 V 直流电供给控制台，其中，组态屏直接使用 5 V 电源，芯片 AMS1117-3.3 则将 5 V 直流电转为 3.3 V 直流电供给其他部件使用；②终端机采用电源模块 LD03-23B03R2P 将 220 V 交流电转为 3.3 V 直流电，为其供电。

3 程序设计

3.1 通信协议

控制台和终端机之间通过无线通信模块进行通信，组态屏和单片机之间的指令格式值得借鉴。一个完整的指令帧包括 7 个部分，其中 4 个必要部分包括帧头、指令长度、指令和起始地址；3 个非必要部分包括数据长度、数据内容和校验码 [5]。鉴于控制台只需要查询指令，终端机只需要回复，系统指令结构可进行简化。控制台发送指令格式：帧头 + 终端机编号 + 帧尾；终端机回复数据格式：帧头 + 终端机编号 + 温度码 + 湿度码 + 漏水标志位 + 帧尾。帧头为 0xA5，终端机编号 1 个字节，温度码、湿度码各 2 个字节，漏水标志位 1 个字节，帧尾为 0x5A。控制台收到数据后按格式解码即可。部分程序代码如下：

void decode（）// 解码程序

{

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

// 确定帧头 0xA5，帧尾 0x5A

{

Zhongduan_ID =Rec_Buff[1]；

// 读终端机编号

Wd=（（Rec_Buff[2]<<8）|Rec_Buff[3]）；

Sd=（（Rec_Buff[4]<<8）|Rec_Buff[5]）；

Wendu[Zhongduan_ID]=（175*（float）

Wd/65535-45）；

// 解码温度