基于ARM的嵌入式機房監控底層架構設計與實現

魏 星

（天津財經大學 理工學院 信息科學與技術系，天津 300222）

0 引言

隨著互聯網的迅速普及和嵌入式系統的廣泛應用，機房規模不斷擴大、動力設備種類不斷增加、維護難度加大，因此機房監控系統扮演了越來越重要的角色。目前機房監控主要集中在空調或UPS監控等方面，監測的只是機房的部分環境且監控系統性能單一、集成度不高，穩定性和安全性較差，缺乏集中維護、全方位監控和管理，通常監控都是控制端主發監控命令，缺少數據相互通信機制，一旦控制端癱瘓或有線網絡中斷將會造成無法挽回的損失。針對這些弊端本文利用高性能MPU和業已成熟的嵌入式Linux系統，提出了一種無人值守機房監控系統底層架構的解決方案：將智能設備監控、現場數據采集、視頻采集、GPRS無線報警集成一體，即使在網絡中斷的情況下受控端模塊也能主動上傳數據發出報警信息。底層架構的設計有助于解決PC機程序開發周期長，生存周期短，可維護性差的缺點，提高了機房監控的可靠性和安全性，既能監測機房動力環境又能對機房設備內部的異常做出預警和報警，實現了從機柜微環境到設備運行情況再到機房整體環境的多層次監控，彌補了國內無人值守機房監控方面的空缺具有很高的推廣價值。

1 系統特點

監控系統無論是從功能上、穩定性、安全性、可維護性還是集成性能較以往有了很大改進，主要有以下幾個優點：

1.1 多層次報警聯動

任何報警均可聯動本地畫面警告、聲音提示、聯動報警輸出、通過有線網絡和GPRS兩種方式上傳到監控中心。具體體現在以下幾個方面：

1）視頻報警：視頻移動偵測、視頻遮擋、視頻丟失均可觸發報警。

2）模擬量、開關量報警：支持8路模擬量報警輸入，8路開關量報警輸入，8路開關量報警輸出，支持報警手動、計劃設防、撤防，支持主動上傳，具備豐富的閥值設置功能。

3）異常狀態報警：系統的異常狀態如：硬盤滿、硬盤異常、網絡非法訪問、IP地址沖突、網線斷開。

1.2 解決傳輸問題

因RS-485接口采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力，具有良好的抗噪聲干擾性，傳輸線路簡單，干擾信號少，穩定性高。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。有效解決了異地機房連接監控問題；SPI總線數據的傳輸由單端不平衡傳輸改為雙端平衡傳輸，通過適當的電路消除或抑制了共模干擾，極大地提高了數據傳輸距離，實現SPI數據遠距離傳輸，可靠距離在1200m。

圖2 EEPROM電路圖

1.3 有線無線并存

數據采集機可以接收監控模塊數據，并將監控數據按照協議封裝后通過網口上傳給監控端，同時將監控端的控制命令下傳給有線監控模塊；為了避免有線故障或監控端出現異常，又增加了GPRS通信模塊和無線傳感器模塊，如遇到線路故障會馬上通過無線網絡發出報警短信，也可以通過和攝像頭連動發出彩信，告知管理員故障所在，解決了部分機房布線困難的難題。

1.4 通信接口轉換

網絡數據采集機不僅提供了RS232、RS485接口還具備網絡接口，同時實現了RS485轉網口模塊，通過使用TCP/IP協議實現聯網數據集中、接入和控制，能快速、有效、低成本的接入以太網或互連網，與監控端的數據通信快速、準確。

1.5 配置參數掉電保存技術

由于LPC2132片內沒有EEPROM，當出現掉電情況時所有配置參數都會丟失，為了能夠保存配置信息在產品設計時加上了AT45DB021芯片，使用前先對相關引腳進行配置，確保在掉電情況下配置參數不會丟失。為確保網絡數據采集機和監控模塊之間有效的工作，在硬件設計中加入看門狗電路，利用控制器內部看門狗實現了快速重啟、初始化監控設備，系統可長時間不間斷運行，可靠性高，避免因程序、線路問題或數據通信產生的監控數據中斷問題。

1.6 通用分組無線服務技術

通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service)是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務,通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數據傳遞。GPRS以全球手機系統（GSM）為基礎的數據傳輸技術，可說是GSM的延續。和以往連續在頻道傳輸的方式不同，是以封包（Packet）式來傳輸。主要的優點：

1）數據傳輸速率快10倍于GSM，還可以穩定地傳送大容量、高質量音頻與視頻文件。

2）輕松實現網上漫游與電話接入永遠在線，實時接收報警數據。

3）僅按數據流量計費。

2 監控系統底層架構設計

2.1 微處理器選擇

網絡數據采集機是底層數據采集的核心，采用三星公司推出的32位S3C2440微處理器，采用了ARM920t內核，0.13um的CMOS標準宏單元和存儲器單元，提供了低成本、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案且全靜態設計特別適合于對成本和功率敏感型的應用，實現了MMU,AMBA,BUS和Harvard高速緩存體系結構，減少了整體系統成本無須配置額外組件。包括以下特性:16 KB指令和數據緩存,16 KB MMU處理虛擬內存管理,TFT& STN液晶顯示器控制器、NAND閃存的引導程序,系統管理員(芯片選擇邏輯與SDRAM控制器),直接存儲器存取, UART，定時器和PWM、I / O端口，ADC和觸摸屏接口,AC97 音頻解碼器接口，相機接口,IICBUS、 IIS-BUS總線接口,USB主設備, SD主機接口和SPI接口，可以方便的進行功能擴展。

2.2 程序設計

以Linux為其操作系統，可以支持多種硬件平臺，對硬件的要求較低，具有高度的可靠性和安全性，并且是開源免費高度可定制的操作系統，對于資源相對緊張的嵌入式設備來說及其適合。

圖4 數據采集機程序流程圖

程序編寫過程中使用多線程技術實現，Linux多線程遵循POSIX線程接口。與多進程相比它是一種對系統資源要求更少的多任務并發技術。但由于多線程共享地址空間，在程序中對于全局數據的操作也要做好相應的互斥，否則可能會引發錯誤，本程序中使用多個互斥鎖及信號量對涉及到的共享數據進行保護。

和其他設備類似，串口在Linux下也是以文件的形式出現在/dev目錄下,調用open（）函數打開后可以和其他普通文件一樣進行讀寫操作。對于RS-485通信，由于默認處于接收態，應適當修改串口驅動以滿足發送前使能要求。系統首先設置缺省網絡配置，在系統上電后主動發起和遠程監控端連接，在建立和監控端的TCP/IP連接之后，程序使用select（）函數的無超時阻塞來對網口數據進行監視，并可通過判斷read（）函數返回值來確定與監控端的連接是否斷開。

2.3 數據通道設計

以往數據通道采用RS-232/422/485、Lonworks總線形式標準不一，本系統實時數據采集通道包括“智能型網絡數據采集機-智能設備監控模塊-傳感器監控模塊（有線和無線）-視頻監控模塊-無線監控模塊”統一采用RS-485總線標準進行通信，通過硬件電路設計每個監控模塊都有唯一的地址，最多可以掛接200多個同類總線接口設備；而“PC監控端-網絡數據采集機”監控數據通過TCP/IP協議進行傳輸。

2.4 數據透傳功能

數據采集機主要是透傳功能，封裝了監控設備驅動，處理每個監控模塊和控制端之間的數據交換，按照傳輸控制協議負責對監控端發送的命令進行解析和響應，封裝后分發給各個不同的監控模塊，同時還要將各個模塊的實時上傳數據打包發給監控端，供上位機進行數據分析；此外還要定時對各個監控模塊進行輪詢將采集的數據存入隊列的數據對象中，并及時將失去連接的監控模塊告知監控端進行處理或報警，以免失去連接、中斷通信、無法進行數據上傳和報警。

2.5 數據采集機與各模塊的通信

2.5.1 智能協議采集器模塊

通過廠家提供的通信協議及接口負責監控精密空調、UPS運行狀態，根據控制端指令不僅能夠控制智能設備運行和關閉、對設備參數進行調節（包括設置波特率、數據位、停止位、是否奇偶校驗等），而且還能將所獲監控數據按協議封裝上傳，供控制端分析、參考以便實現較復雜的控制策略和優化運行策略。硬件驅動是在UCOS-Ⅱ操作系統下經ADS1.2進行調試、編寫，通過串口調試助手進行測試，并通過JTAG仿真燒錄到片內Flash中自動運行。

2.5.2 傳感器采集器模塊

可實時獲取所連接的各種傳感設備的模擬量與數字量（包括溫濕度傳感器、繼電器、水浸，煙感、門磁等輸出的信號），不僅有豐富的閥值對傳感器進行設置和監控而且還能將報警信息在幾秒鐘內主動上傳，使機房管理人員能夠及時掌握機房動力環境狀況、避免意外發生。

2.5.3 視頻采集模塊

實現360度完全監測，實現機房場景實時再現，一旦有人進入會連動攝像機錄像、抓拍，啟動人臉識別功能、啟動本地緊急預警策略，圖片報警過程中采用了嵌入式小波零樹圖像編碼（EZW）壓縮技術，不但能通過有線網絡直接傳送到監控中心還可將圖片壓縮成手機能接收的格式進行彩信傳輸，能夠有效的防止有人潛入機房實施盜竊或破壞行為，既可本地獨立工作也可聯網協同工作；

2.5.4 無線報警模塊

采用法國Wavecom公司的Q2686/7系列無線CPU，一改以往直接和監控端相連的形式，通過RS-232接口與數據采集機相連，既能接受監控端上下線、發送報警信息指令，又能在和監控端機失去通信的情況下根據預先設定的模擬量的上下限和開關量的報警狀態，將報警數據按協議封裝后發送到GSM網絡，不受有線網絡影響，報警快速準確，同時起到數據冗余和備份的作用。這也是專為多個網絡不相連的分散場所的監控所設計的方案，如無人值守基站、多個分散的機房、多個分散的庫房/倉庫、多個分散的智能設備等，可以使用這個方案實現遠程監控和遠程報警。

2.5.5 無線傳感器模塊

解決了在機房布線困難的條件下，可以通過智能設備在任意位置添加無線傳感器，利用接收電路對信號進行采集，實現傳感器信號的無線收發，如遇報警信息智能設備會主動上傳數據到數據采集機再通過GPRS直接發送到指定的手機或固話上，或發送到監控端產生聲光報警，使機房管理人員及時排除隱患。

3 結論

對機房監控系統底層采用模塊化設計原則，既可以對機房個別環境單獨監控，又預留出足夠的可擴展接口可添加功能強大的監控模塊，監控端模塊只要和數據采集機相連就可以對機房進行全方位、無間斷監控，解決了機房監控系統在開發效率低，維護成本高，可維護性差，功能單一等缺點，使機房監控向無人值守方向更近一步，經過半年多不間斷運行取得了很好的應用效果，此設計已經產品化并取得了很好的經濟效益，有廣闊的市場前景。

[1] LPC2131/2132/2138 使用指南.http://www.zlgmcu.com.

[2] S3C2440X 使用手冊(英文),http://www.samsung.com.

[3] 洪利,王敏,章揚.無線與移動網絡開發技術.北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[4] 張怡,張從,黃健.機房監控系統中數據網關服務器的設計[J].計算機工程,2009,35(06):102-104.

[5] 涼德堅,劉玉瓊.SPI總線數據遠距離傳輸實現[J].電子測試,2009,(01):72-75.

[6] 左小五.LPC2132在嵌入式系統中的應用技術[J].微型計算機信息,2007,23(1-2):183-184.