網絡機柜微環境智能監控系統設計

周立人，　公茂法，　公政，　姜文，　宋祥民

(1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島　266510；

2.國網山東電力濰坊供電公司， 山東 濰坊　261000)

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網絡機柜微環境智能監控系統設計

周立人1，公茂法1，公政2，姜文2，宋祥民1

(1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島266510；

2.國網山東電力濰坊供電公司， 山東 濰坊261000)

摘要：為提高網絡機柜的故障預警處置能力，設計了網絡機柜微環境智能監控系統。該系統通過安裝在機柜上的嵌入式終端采集電能和非電能信息并通過以太網傳輸至Web服務器。采集信息異常或機柜故障時，終端智能報警并發送短信提示異常情況。試驗結果表明，該系統對異常和故障定位迅速準確，遠程控制功能穩定可靠。

關鍵詞：網絡機柜； 微環境； 智能監控

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.1135.019.html

0引言

目前，傳統的機房監控系統把重點放在對大環境類和動力類設備的監控之上，忽視了對機柜內部環境的監控。機柜內部安裝有大量的IT設備，這些設備是機柜的核心所在，也是機房的心臟部位，監控好機柜內部微環境，包括溫度、濕度、電能參數、開關狀態、煙霧濃度等指數變化，出現異常情況時發出預警信號，可把故障隱患排除在早期。本文秉持網絡機房“無人值守”的設計理念[1]，以機柜內部微環境為研究對象，設計了網絡機柜微環境智能監控系統，旨在推動監控系統的精細化、微小化建設，提升監控效能。

1系統總體結構

網絡機柜微環境智能監控系統總體結構如圖1所示。機房中的每個機柜都安裝有嵌入式終端，終端全面采集機柜內部的電能和非電能信息，并經多功能交換機，利用以太網信道將信息傳輸至Web服務器。系統采用B/S架構網絡管理模式，支持多用戶多權限機制，監控站人員可以用計算機、平板或手機中的標準瀏覽器，在任何時間、不受地域限制地對各個機柜狀態進行監控。當發生故障時，終端發出聲光報警和短信提示，監控站人員根據短信提示進入相應機柜監控界面，該界面自動跟蹤到故障處數據監視界面，通過數據分析操作開關設備，遠程切除故障，保護柜內以及機房內其他設備安全。數據庫服務器不僅可以協調不同Web服務器SQL請求[2]，還統一管理終端上傳的監測與故障信息，配合網絡打印機的故障分析圖表定時上報功能，使系統具有告警冗余機制，減少事故漏報率，有利于后期對故障進行追溯。

2系統硬件設計

2.1嵌入式終端硬件結構

嵌入式終端硬件結構如圖2所示。STM32F103ZET6為主控芯片，ATT7022B三相電能專用計量電路監測機柜2路電源交流輸入的電壓、電流、頻率、有功及無功功率等三相電能信息[3-4]。為了防止機柜局部過熱，設置多路DHT11傳感器監測柜內溫度、相對濕度數據；MQ-2煙霧傳感器采集煙霧濃度信號，信號放大后由STM32F103ZET6自帶的A/D通道轉換成數字信號[5]，并與閾值進行比較，預防火災。讀卡器讀取門禁卡的NFC標簽，PN532模塊借助天線接收射頻信號，STM32F103ZET6分析解碼調制后的數據，實現門禁功能[6]。FLASH W25X16實現掉電保護功能，SD卡分類存儲包括歷史數據在內的大文件信息。

圖1　網絡機柜微環境智能監控系統總體結構

圖2　嵌入式終端硬件結構

STM32F103ZET6通過外擴的ENC28J60網絡接口將監測到的信息上傳至Web服務器[7]，供監控站人員監視，當故障發生時，進行聲光報警，并控制SIM900A模塊發送短信提示[8]，監控站人員可通過Web監控界面遠程切除故障。

2.2電能采樣電路

雖然現在機柜都是雙電源供電，但電源質量監測仍然是網絡機柜微環境監控系統的重點。通常網絡機柜電源的最大輸入電流分配是10，16，32 A或63 A；最大輸入電壓分配是110，220 V或380 V，可直接與ATT7022B三相電能專用計量電路相連。對于特殊高電壓等級的網絡機柜，可在機柜電源輸入端接電壓互感器PT和電流互感器CT，按國家規定將一次側高電壓、大電流轉換為二次側100 V測量電壓、5 A測量電流，便于ATT7022B三相電能專用計量電路計量，同時要注意PT二次側不能短路，CT二次側不能開路。

220 V，5 A等級電能采樣電路如圖3所示。電能采樣原理：大電壓、大電流信號分別間接或者直接通過不同變比的電流互感器轉換為小電流信號，然后經取樣電阻取樣，最后通過抗混疊濾波電路濾波進入ATT7022B A/D通道[9]。

ATT7022B手冊規定電壓A/D通道期望電壓為0.5 V，電流A/D通道期望電壓為0.1 V。以A相為例，為保證電能計量精度，可根據式(1)、式(2)自行設計各種機柜電壓、電流監測等級電能采樣電路。

(1)

(2)

式中：UA為電壓等級；IA為電流等級；t1，t2分別為T1和T2的電流變比。

圖3　電能采樣電路

3系統軟件設計

3.1主程序

μC/OS-III系統具有嚴格的及時事件響應和極好的穩定性能，非常適用于網絡機柜微環境監控系統。將μC/OS-III多任務系統移植進STM32F103ZET6，為監控系統各個功能程序創建任務塊，并根據任務類型設置優先級。任務量的大小決定分配堆棧的大小，任務統一由調度器管理，并且中斷也交由μC/OS-III系統使能和除能[10]。由于STM32F103ZET6內核速度限制，設置系統時鐘頻率為1 Hz，即任務最小時間調度間隔為1 ms，當遇到需要延時低于1 ms的程序語句時，需要暫時關閉系統調度功能。系統主程序流程如圖4所示。

圖4　系統主程序流程

3.2嵌入式終端Web服務器程序

要實現以太網通信，必須處理好每一層的TCP/IP協議，這里通過裁剪移植1.3.2版本的LwIP輕量級協議棧進STM32F103ZET6，由μC/OS-III系統管理調度。LwIP網絡應用層接口函數采用B/S架構，即瀏覽器/服務器方式設計，這種函數被稱為API函數，非常適合在μC/OS-III系統基礎上開發[11]。

每個機柜裝設的嵌入式終端本身就是一個Web服務器，綁定有自己的IP，工作人員通過不同的IP選擇要訪問的嵌入式終端，通過瀏覽器監控界面向STM32F103ZET6發送HTTP協議頭信息，“GET”和“POST”請求索取或修改Web服務器中的數據，其中，“GET”請求把表單數據顯式存在URI里，對長度和數據值編碼有限制，“POST”請求把表單數據放在HTTP請求體中，對長度無限制。當STM32F103ZET6監測到故障數據，立即回傳故障數據所在的網頁信息，便于故障及時處理。簡化的嵌入式終端Web服務器程序流程如圖5所示。

圖5　簡化的嵌入式終端Web服務器程序流程

4試驗驗證

4.1故障報警監控界面跟蹤切換功能驗證

1號機柜220 V電源輸入側裝設有低壓漏電塑殼斷路器，型號為DZ47LE-63-1P/16A，額定電流為16 A。設置電源輸入電流閾值為80%的額定電流值，即13 A。利用ST9001D5-3三相電能整定裝置往A相輸入15 A電流，電流超過閾值，終端的蜂鳴器響，LED紅燈亮，并收到短信通知。根據短信提示，在IE瀏覽器界面輸入故障1號機柜的IP地址：192.168.140.18，Web頁面越過主界面，直接跳轉到A相故障數據參數監測界面，在該界面還可以監測其他電能和非電能數據。試驗證明故障跟蹤界面切換功能正常，電壓、電流有效值計量精度達到0.5 s。

4.2遠程切除故障功能驗證

由于試驗設備有限，用繼電器開關和LED燈模擬斷路器對遠程切除故障功能進行驗證。模擬A相電流為15 A，該值十分接近電源進線端斷路器額定電流值，為了保護柜內重要IT設備，將故障威脅降到最低，應斷開斷路器，切換到備用電源回路。以斷路器斷開操作為例，在DZ47LE-63-1P/16A斷路器控制界面選擇“斷開斷路器”選項，點擊“控制”按鈕，繼電器動作，LED亮，開關監控模塊回傳開關狀態信息，在界面上顯示斷路器狀態為“斷開”，驗證了遠程切除故障功能正常。

5結語

設計了機房機柜內部微環境監控系統，對現有機房監管系統進行有益補充和改善，推動監控對象由宏觀大環境向微環境轉變，符合監控系統智能化、精細化發展要求。試驗結果表明，該監控系統監測數據全面精準，模擬故障監控界面智能切換到位，報警提示及時，這不僅提高了對機柜故障的快速反應處置能力，而且對機房完全實現無人值守、提升安全監管品質具有深遠的意義。

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Design of microenvironment intelligent monitoring system of network cabinet

ZHOU Liren1，GONG Maofa1，GONG Zheng2，JIANG Wen2，SONG Xiangmin1

(1.College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology,

Qingdao 266510, China;

2.State Grid Shandong Weifang Electric Power Company, Weifang 261000, China)

Abstract:To improve the ability of network cabinet to deal with early warning and failure, a microenvironment intelligent monitoring system of network cabinet was designed. The system installs embedded terminal in the cabinet, collects power and non-power information and transmits to Web server via Ethernet. When collecting information was abnormal or cabinet fault occurs, the terminal can alarm intelligently and send SMS tips to remind abnormal situation. The experimental results show that the system can quickly and accurately locate abnormal and failure, and its remote control function is stable and reliable.

Key words:network cabinet; microenvironment; intelligent monitoring

中圖分類號：TD611

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-04-05 11:35

文章編號：1671-251X(2016)04-0077-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.04.019

周立人，公茂法，公政，等.網絡機柜微環境智能監控系統設計[J].工礦自動化，2016,42(4)：77-80.