基于STM32 單片機的機房環境檢測報警系統的設計與實現

饒 濤，鄭 偉，吳 艷，黃 靜，袁紅梅

（貴州廣播電視臺，貴州 貴陽 550025）

0 引 言

廣播電視行業電視播出系統最主要的設備都部署在專門的設備機房。如何保證設備的正常運行，對于安全播出來說非常重要。這需要對設備機房的不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）、精密空調及環境溫度等參數進行實時監控。本文設計的機房環境檢測系統能夠及時準確地檢測UPS、空調及環境溫度等指標，能夠有效降低播控值班人員的工作強度。在節省人力的情況下，提高安全播出的能力。

1 系統組成

該系統以STM32 單片機作為信號處理的核心，周邊包括電源模塊、按鍵指示燈模塊、溫度傳感器模塊、浸水傳感器模塊、上位機、語音處理模塊、GPI 聲光報警模塊以及看門狗模塊等。STM32 單片機接收到來自溫度傳感器、浸水傳感器以及GPI 聲光報警模塊的信號后，通過一定的邏輯判斷輸出控制碼給語音模塊。根據不同的控制碼，語音模塊觸發不同的語音進行播放，同時GPI 信號也會觸發聲光報警器進行聲光報警，從而提示工作人員進行相應的應急處置。看門狗模塊是為了防止單片機程序跑飛而專門設計的。STM32 單片機采集到的溫度數據[1-3]和報警信息也可以通過串口發送給上位機來實時顯示。系統基本架構如圖1 所示。

圖1 環境檢測報警系統原理框圖

2 硬件設計

2.1 STM32 單片機簡介

本文采用的微控制單元（Micro Control Unit，MCU）芯片型號為STM32F103ZET6。該芯片有64 kB 靜態隨機存取存儲器（Static Random-Access Memory，SRAM）、512 kB FLASH 存儲器、11 個定時器、5 個串口以及112 個通用IO（輸入輸出）口。所有IO 口均可以映射到16 個外部中斷，幾乎所有IO 口均可以容忍5 V 信號。這些硬件資源完全能夠滿足系統的需求。

2.2 語音報警電路

語音報警采用的是WT588D 語音芯片[4，7]。該芯片內置高速語音數字信號處理器（Digital Signal Process，DSP）和13 位DA（數模）處理器，處理速度快，音質好；支持DAC 輸出，可加載WAV 音頻格式；支持220 個語音地址位，每個地址最多可加載128 段語音；支持按鍵控制、并口控制、一線控制等多種播放控制模式。基于應用的需求，系統采用一線串口的播放模式。MCU 通過發送固定指令給WT588D，控制WT588D 語音芯片播放指定地址的語音文件，實現精準的語音播放[5]。語音報警電路如圖2 所示。

圖2 語音報警電路原理圖

2.3 GPI 聲光報警電路

GPI 是一種通用接口標準，英文全稱為General Purpose Interface。該接口標準對引腳和信號格式做了定義。GPI 有兩個引腳，其中一個引腳接入信號，另一個引腳接地；信號格式可以是一個脈沖信號或者上升沿、下降沿信號。這個GPI 信號由STM32 單片機給出，接入聲光報警器的IN1 端口。當IN1 端口的GPI 信號有電平變化，光電耦合器輸出端就會閉合，從而使三極管導通，最終控制繼電器開合[6]，完成聲光報警的開關控制。GPI 聲光報警電路是在系統發出語音報警的同時，觸發蜂鳴器和LED 燈進行同步報警，從而增強報警的效果。聲光報警原理如圖3 所示。

圖3 聲光報警電路原理圖

2.4 看門狗電路

看門狗電路采用的是DS1232 芯片。該芯片是一個具有看門狗功能的電源監測芯片，穩定性好，在電源通斷電、電壓下降和死機時都會輸出一個復位脈沖。芯片在工作時，需要不間斷地給引腳7 輸入一個“喂狗”脈沖，這個脈沖的時間間隔由引腳2決定。如果脈沖間隔大于引腳2 的設定時間，芯片將輸出一個復位脈沖使MCU 復位。這個功能可以有效防止MCU 系統死機。系統中引腳2 接電源，因此“喂狗”脈沖的時間間隔必須小于1.2 s。看門狗電路如圖4 所示。

圖4 看門狗電路原理圖

3 軟件設計

本系統設計使用了大量的IO 口。IO 口所關聯的對象是5 V 信號，所以首先要選取可以容忍5 V電平的端口。若聲光報警和語音報警需要同時觸發，那么就需要通過判斷語音報警電路的BUSY 信號的電平，然后采用外部中斷的方式來觸發聲光報警。在溫度讀寫的環節需要注意，由于采用的是DS18B20 溫度采集器，所以溫度的讀寫需要在中斷函數中完成。本文采用的是定時器中斷方式，這樣可以避免因為外部中斷或者其他中斷導致對DS18B20 讀寫時發生錯誤。語音報警程序流程如圖5 所示，中斷函數流程如圖6 所示。

圖5 語音報警程序流程圖

圖6 中斷函數流程圖

4 實物測試

4.1 報警語音文件

語音報警的語音文件可以采用語音錄制的方式獲得，也可以采用文字轉換語音的轉換軟件進行轉換獲得。語音文件通過WT558D 語音編譯軟件進行編譯。語音文件編譯軟件界面如圖7 所示。

圖7 語音文件編譯器界面

4.2 實物展示

機房環境檢測系統有測試按鍵和停止按鍵兩個按鍵。測試按鍵用來測試報警器是否工作正常，停止按鍵的作用是當發生語音報警時可以將停止按鍵按下，停止語音報警。測試按鍵同時也是一個具有狀態指示功能的復位按鍵。該系統的實物如圖8所示。

圖8 機房環境檢測系統硬件實物圖

報警器的后面板采用DB9接口，與溫度傳感器、浸水傳感器以及UPS 的GPI-OUT 接口連接。圖9為報警器后面板的兩個DB9 接口引腳定義。TEMPi（i=1，2，3，…，8）表示8個溫度采集點，UPSi（i=1，2，3，4）表示4 臺UPS 故障時輸出的GPI，WATERi（i=1，2，3，4）表示4 臺精密空調漏水傳感器的數據線。

圖9 機房環境檢測系統DB9 接口引腳定義

4.3 報警記錄展示

串口調試軟件可以實時顯示機房溫度數據。當溫度超過設定值（如29 ℃）時發出語音和聲光報警，并把報警信息發給串口調試軟件；當空調漏水或UPS 發生故障，也會將相應的報警信息發送給串口調試軟件并發出語音和聲光報警。如圖10 所示：TEMPi（i=1，2，3，…，8）代表8 個溫度采集點，A，B，C，D 代表第幾排機柜，A，B，C，D后面的數字代表該排機柜的機柜序號，機柜序號后面的數字代表該溫度采集點的實時溫度數據。此時D21 機柜上的溫度傳感器采集的溫度超過設定值（29 ℃），串口調試軟件就會提示“D21 機柜溫度過高”。同樣地，如果1 號空調發生漏水，串口調試軟件也會顯示“1 號空調漏水”的提示。UPS 發生故障時，串口調試軟件也會顯示“UPS 故障”的提示。

圖10 串口調試軟件信息顯示

4.4 實驗結果

在貴州廣播電視臺設備機房應用此系統，對系統進行功能測試。當任何一個測溫點的溫度高于設定值（29 ℃），系統都會發出相應的語音報警并觸發聲光報警，同時也會將相應的報警信息發送到串口調試軟件。當任何一臺UPS 故障或者空調漏水，系統都會發出相應的語音報警并觸發聲光報警，同時也會將相應的報警信息發送到串口調試軟件。

5 結 語

本文設計的環境檢測報警系統采用的MCU 芯片型號為STM32F103ZET6，其豐富的IO 口、定時器以及外部中斷，大大簡化了硬件設計，節約了成本。本系統具有高可靠性和低功耗的特點。系統能夠對UPS 故障、空調漏水、溫度過高等情況做出準確、及時的語音和聲光報警提示，并將報警信息發送到串口調試軟件，從而提高對安全播出的保障能力。同時，該系統也可以對任何可以輸出GPI 信號的設備進行語音報警提示。隨著國家廣播電視總局對安全播出要求的進一步提升，該系統在廣電系統具有廣泛的應用價值。