基于多功能傳感器的測量系統設計

黃鳳鳴，費 強，劉再興

（無錫華普微電子有限公司，江蘇無錫 214035）

1 引言

數據中心的綠色體現在低功耗、低排放、高產出、高密度，而在滿足這些條件的同時，對機房穩定性要求也越來越高。隨著國內數據中心的發展以及運營理念的不斷轉變，電源分配單元（PDU）產品已經完全取代了普通電源插座，而在未來的數據中心建設中，將更加突出對節省能耗、降低人力成本、提高運行效率等方面的要求。在新一代數據機房中，利用多種通訊模式，能及時發現機房電源異常，預防故障發生，并能迅速排除故障，降低人力成本，尤其在一些無人值守的機房或基站，綠色智能的概念表現得更為突出。

PDU 設備必須不間斷地為計算機系統提供安全穩定的運行環境，一旦PDU 出現故障，計算機系統就無法穩定運行，對數據的計算、傳輸和存儲的可靠性帶來極大的威脅。若PDU 的故障或報警信息無法及時反饋與解決，就可能損壞硬件設備或丟失數據，給企業造成巨大的經濟損失。尤其在高鐵、機場、地鐵等公共交通基礎設施，銀行、證券等金融中心數據尤為重要的數據機房，安全穩定的設備運行環境極其重要。

本文結合公司產品的研發，設計并研制出能同時檢測多種信號的多功能組合傳感器測量系統。將測量數據信號經單片機處理，通過算法提高測量精度，制定與上位機的通信協議，并對電路進行實驗、調試，最后完成多功能傳感器測量系統的聯調。

2 系統設計

2.1 設計原理

根據設計要求，測量系統不僅要滿足一定精度的溫濕度、煙霧等的測量，同時還具有顯示當前各種傳感器信號的測量值以及預留總線通信的軟硬件接口功能，另外設計時還要考慮電源的問題，系統的工作可靠性指標也是設計中需要考慮的一個因素。系統設計原理如圖1 所示。利用MCU 豐富的外設接口選取適配的傳感器，例如溫濕度和煙霧傳感器可通過485接口和MCU 相連接，水浸傳感器和氣壓傳感器可通過GPIO 端口相連接，監測到環境異常，立刻通過報警裝置進行聲光報警，并能通過液晶或終端顯示報警信息。

圖1 系統設計原理框圖

2.2 功能實現

整個測量系統由下位機、外接傳感器和接口組成。單片機進行數據采集，通過各類接口和傳感器進行通訊，獲取測量結果，并由LCD 實時顯示和同時存儲結果。同時，對數據進行格式轉換，通過通訊接口將測量結果發送至上位機進行進一步處理。

2.2.1 單片機

單片機選用ARM9 高性能32 位微處理器，應用于工業控制和需要豐富通信的接口領域。運行頻率最高可達50 MHz，擁有64 kB 程序存儲器和4 kB 數據存儲器，集成了許多系統級外設功能，如I/O、UART、SPI、I2C、PWM 等，以減少系統外圍元器件，節省電路板空間和系統成本。

2.2.2 傳感器接口電路

目前市場上的傳感器支持的接口種類繁多，以485 和I/O 兩種類型為主。485 型傳感器為每一個傳感器分配一個獨立地址，各自采集相應的數據，互不干擾；I/O 型傳感器，響應速度快，多用于報警信號處理。同時，本系統設計了專門的電路，可支持多種形式接口的傳感器接入系統，例如RJ11、RF45、USB 等。用戶可自由選擇匹配的傳感器接入系統，極大地豐富了系統的使用場景。傳感器接口電路如圖2 所示。

圖2 傳感器接口電路

2.2.3 顯示/上位機通訊電路

單片機采集的各傳感器數據可通過SPI 接口和液晶模塊連接，顯示測量結果；也可選擇將數據按照自定的協議格式，通過串口傳至PC，進一步對數據進行擬合和后期處理。

3 軟件設計

系統軟件運用模塊化設計方法，編程環境是KEIL7.0，采用C 語言進行編寫，包括主程序和中斷程序兩部分，由四大模塊組成：初始化模塊、數據采集模塊、數據處理模塊以及顯示報警模塊。

3.1 系統軟件框架

系統軟件的設計流程為：系統上電復位后，首先對各個模塊進行初始化，包括單片機、各類傳感器、LCD 顯示模塊等。接著MCU 開始循環采樣，先對485型傳感器按地址逐個進行結果采樣，然后對I/O 型傳感器進行結果讀取，根據預先的設置以特定的單位顯示出來。軟件框圖如圖3 所示。

圖3 系統軟件處理流程

3.2 數據處理模塊

數據處理流程如圖4 所示，先確認傳感器類型，接著按照各傳感器各自的工作方式進行數據采集，獲取結果等待下一步處理。數據處理模塊主要包括數字濾波程序以及各項指數的轉換程序，對每路信號連續采樣10 次，再將10 次采樣值進行排序處理，丟棄最大值和最小值，這樣就將可能出現的高低干擾信號有效地濾除，實現中位濾波算法，然后對剩余的8 個數求平均值。

3.3 顯示報警模塊

顯示模塊采用循環顯示的方法對每個傳感器的結果進行分頁顯示，每頁顯示時間為3 s。LCD 在顯示結果的同時，系統各個傳感器的監測還在后臺同時進行，監測和顯示兩個任務并行，互不影響。當某傳感器數值超過了設定的閾值，會觸發報警裝置進行聲光報警，快速通知運維人員迅速到場定位問題。顯示程序流程如圖5 所示。

圖4 數據處理流程

圖5 顯示軟件流程

4 測試與分析

為了測試所開發的測量系統的工作情況，將多個傳感器通過對應接口接入電路板進行測試，包括溫濕度傳感器(485 型)、水浸傳感器(485 型)、煙感傳感器(I/O 型)，并通過聲光報警器進行預警。

將煙感傳感器、水浸傳感器和溫濕度傳感器各一路接入系統，顯示結果如圖6 所示。圖中LCD 顯示第一行“SMOKE：0”表示煙感報警信息(0 為正常，1 為報警)，第二行“WATER：0”表示水浸報警信息(0 為正常，1 為報警)，第三行“T1：23C H1：72%”表示第一路溫度和濕度值，第四行“T2：0C H2：0%”表示第二路溫度和濕度值。

測試結果直接顯示在LCD 上，可翻頁顯示每個傳感器的測試結果，若產生報警，界面會停留于所在的傳感器界面，并進行閃爍顯示。綜合數據分析，采集到的數據信息真實反映了當前實驗環境中的各項參數，可用于監控機房的實時環境。

MCU 同時將測試結果通過串口傳至PC，可通過管理系統界面獲取測試系統的實時環境參數，更為運維人員遠程監控提供了便利。PC 端顯示如圖7 所示。

圖6 LCD 顯示效果

圖7 網頁顯示效果

5 結論

本文針對PDU 機房環境監測的需求，設計了多功能組合傳感器應用系統的軟硬件，該應用系統主要包括數據采集、單片機、數據顯示以及通信協議等單元。對多功能傳感器測量系統整體特性進行測試，并對各特性參數進行了分析與討論，對于傳感器形成網絡化做了一定的貢獻。運維人員可以利用網絡對分布在各地的機房環境進行檢測、控制和管理，從而節約人力成本，更高效地管理系統設備。在實驗室中，利用16 套設備，搭建了一個小型化數字機房，連接了8 路溫濕度傳感器，4 路煙感傳感器，2 路水浸傳感器；將傳感器遍布機房的各個角落。測試中模擬了多種實驗環境，例如局部溫度過高、模擬煙霧產生、液體側翻等，都能及時產生聲光報警，并以郵件形式及時通知用戶。

此系統安裝拆卸方便，支持熱插拔，若傳感器發生損壞可快速更換，大大提高了工作效率，同時在任何地方都可以通過局域網對機房電源進行安全監控、安全預警和智能管理，降低了整個機房管理的復雜度，減少了人為手動干預和現場維護，提高了安全性。