嵌入式機房多功能模塊智能監控系統設計

李 煒，黃 倩

(1.武漢大學人民醫院 信息中心，武漢 430060；2.武昌職業學院 通識課部，武漢 430202)

0 引言

針對大型機房的智能監控系統由監控端電腦、環境監控主機和底端傳感器組成，可以實時了解機房環境，相關設備運行參數，同時能夠智能化的發出故障預警提示，提高機房運行安全系數。利用嵌入式技術設計機房設備和環境智能監控系統，能夠有效解決人工值守所產生的安全隱患問題，滿足遠程監控需求，提升機房運維智能化能力，擴大監控范圍。針對相關系統的智能化設計研究，一直是嵌入式與人工智能領域研究的重點。

學者王斌[1]設計了基于WSNs的機房監控系統，將系統分為前端傳感器與遠程控制兩個模塊，選用STM32微型處理器，設置無線通信、數據采集等功能；利用混合資源調度機制設計軟件算法，調整窗口數據，減少系統延時和丟包。任敏[2]利用云計算技術設計一種監控系統。通過外圍電路獲得網絡芯片所需電子容量，分別設置云計算通信模塊和控制模塊，搭建硬件環境，編寫云計算服務監視協議。劉戀秋[3]以DER通訊技術為基礎，設計了一種用于農業無人機的遠程監測系統，搭建無人機監控平臺，在此基礎上，提出了一種基于全局粒子性的方法來實現無人機的軌跡規劃，以實現對無人機的實時監測。文獻[4]中，王文志等人研制了一種遠程云平臺艦船實時監控系統，利用BDG-MF-07的星載車載終端，實現一次應急警報，并實現了 AIS船舶的可防碰撞安全防護，并實現了一系列的遠程云臺，為系統提供遠程安全通信功能。但上述監控系統對于機房數據信息的采集不夠全面，難以實現全方位監控，安全系數有待提高。

嵌入式屬于一種先進的硬件開發技術，通常應用在設備控制、信息采集、分析以及可視化等領域，具有適用性較強，圖像化編程功能強大，人機交互效果優異的特點。基于上述優勢，本文在嵌入式技術支持下，設計一種機房多功能模塊智能監控系統。結合系統需求，確立多層整體架構模式，設置多功能模塊，將各類傳感器作為系統的主要硬件設備，采集機房數據信息，依托數據傳輸程序和數據處理程序，結合圖像處理技術，增強機房監控畫面效果和智能化運維管理效果。

1 系統總體架構設計

為了完成嵌入式機房多功能模塊智能監控系統設計，對系統總體架構進行設計，架構模式由信號采集層、數據傳輸層、后臺監控層所組成。與傳統的兩層結構模式相比，三層結構的優勢在于，每個層都有自己的職責，每個層看似獨立，實則協同工作，逐級訪問，方便后期軟件功能的開發。在多層架構模式下，利用傳輸數據鏈將采集到的醫院設備工作狀態信息傳輸至監控中心，以此提升醫院機房運維能力。信號采集層是系統的最底層，采集的內容主要包括模擬量、數字量、音頻、視頻等，通過多功能模塊直接采集醫院設備運行數據。數據傳輸層[5]合并所有采集信息，選取短信傳輸或IP傳輸的通信方式，將數據信息傳輸至后臺監控層。后臺監控層[6]通過完整的監控軟件監控醫院機房運行情況。嵌入式機房多功能模塊智能監控系統總體架構設計，如圖1所示。

圖1 監控系統整體架構圖

由圖1可知，監控系統首先通過信號采集層采集模擬量、數字量、音頻、視頻等信息，選用CWS11型傳感器監測機房環境信息；在嵌入式機房多功能模塊智能監控系統中安裝煙霧傳感器，避免機房發生火災；選用接觸式中的PRL08-1.5DN型號的線式傳感器，在探測位置的水位上升至0.5毫米時，水浸感應器向管理人員發出警報，及時發現險情，減少損失。通過對傳感器采集信息的分析、處理和數據擬合，可以對嵌入式機房設備的現狀進行識別；后臺管理人員還可以傳遞命令和信息。從這一點可以看出，多功能模塊智能監控是一個雙向的、可逆的動態發展過程。數據傳輸層利用傳輸數據鏈將信號采集層采集到的醫院設備工作狀態信息傳輸至監控中心。另外，利用C語言完成嵌入式機房設備數據傳輸程序編寫，在LabVIEW開發環境下，獲取傳感器運行模塊數據信息，利用串口通信的方式將數據發送到嵌入式環境監控主機。

后臺監控層中運用中央服務器的后端服務工具，設計報警信息自動生成模塊，在自動報警模塊中應用了YS-01Y的聲音報警技術，在自動報警信息從計算機窗口彈出的同時，發出警報聲響提醒運維人員，提升設備故障處理效率。本系統能夠對各種異常狀況進行監視，如安防、人員入侵、水浸、火災等，并具備遠程照相、燈光控制等功能，使維修人員能夠充分了解機房的環境及工作狀況。此外，該機房還配備一臺不間斷電源(UPS，uninterrupted power supply)，與本系統內的所有環境監測設備連接，在停電的情況下，可持續4個小時的供電，降低因停電、電源故障等原因導致的損耗。

2 系統硬件設計

將系統的硬件環境分為數據采集、信息傳輸和遠程控制三層，該系統所需的硬件設施很多，以監控端計算機、嵌入式環境監控主機和底層感應器為核心，因此設計多功能模塊時需要結合LabVIEW的特點，確保硬件和開發環境相互適應。在多層架構模式下，設計用戶登錄模塊、傳感器運行模塊、數據記錄模塊、監控顯示模塊。下面對嵌入式機房多功能模塊智能監控系統的功能模塊進行設計。

2.1 核心控制器模塊

本文系統選擇了S3C2410作為主控單元，該主控單元使用了 FBGA的封裝方式，共有272個針腳，每個針腳之間的間隔都非常的短，核心電路控制器的構成框圖如圖2所示。

圖2 核心控制電路的框圖

2.2 傳感器模塊設計

2.2.1 溫濕度傳感器電路設計

為確保大型機房設備穩定運行，必須對機房環境進行監控，要求傳感器的精度在±0.5 ℃。若溫度過高或太過潮濕，會造成電子設備運行故障，本文選用CWS11型傳感器[7]監測機房環境信息。具體儀器和電路圖如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器以及電路圖

工作電壓為9～36 V，溫度測量范圍為-40～85 ℃，濕度測量范圍為0% RH～100% RH，響應速度>0.8，輸出方式是RS485，工作環境為-20～75 ℃。

2.2.2 煙霧傳感器電路設計

為避免機房發生火災，需要在嵌入式機房多功能模塊智能監控系統中安裝煙霧傳感器。該設備將繼電器信號當作輸出信號，如果煙霧濃度大于設定值，傳感器會及時發出預警信息。本系統選用SD02型號的探測器[8]，如圖4(a)所示，主要電路圖如圖4(b)所示。

圖4 SD02型號探測器及電路圖

額定電壓為9 V，額定電流為12 μA，工作環境在-15～55 ℃，警報系統采用繼電器輸出，114毫米直徑，具有聲響警報功能。

2.2.3 水浸傳感器電路設計

現階段，水浸傳感器主要分為定位式與接觸式兩種，本系統選用接觸式中的PRL08-1.5DN型號的線式傳感器，如圖5(a)所示，主要電路圖如圖5(b)所示。

圖5 水浸傳感器及電路圖

額定電壓為4 V，適宜工作溫度為0～70 ℃，濕度范圍為0%RH～70%RH，預警電流<40 mA，繼電器輸出，靈敏度為0～5 kΩ。

2.3 辨識設備運行故障模塊

針對相關設備傳感器提取的離散型信號，通過傅里葉算法進行分析，明確當前運行數據與正常狀態下運行數據之間的相似性，判斷機房內的相關設備是否存在運行故障。當出現運行故障后，必須發出相應的警報。

針對機房內的設備電流保護工作原理進行分析可知，一旦設備的某條線路出現故障問題，設備會同步檢測當前電流和電壓數據，自動分析當前線路狀態是否能支撐正常運行，倘若機房內的設備存在隱性故障，會直接造成設備具有高風險性特點。常規狀態下設備保護動作的實現，需要保護本體和支路元件的共同作用，但在重疊范圍內無法判斷二者是否同步運行，導致該區域隱性故障頻發。根據隱性故障發生動態過程，文中提出對站域保護狀態實時監控，得出閉鎖元件測量電氣量與站域保護測量電氣量之間的關系：

I2(t)=I1(t)+ε(t)

(1)

式中，t表示監測時間，ε表示隱性故障報警閾值，I1表示閉鎖元件測量電氣量，I2表示站域保護測量電氣量。

為了直觀描述隱性故障，文中提出如下所示判斷條件：

|I2(t)-I1(t)|≥ε(t)

(2)

當公式(2)所示的判斷條件成立，表明當前設備存在故障，需要進行自動報警。反之，則表明設備運行正常。

考慮到閉鎖元件測量電氣量的計算，需要以支路過流啟動值為基礎，文中定義保護安全裕度，描述隱性故障發生概率：

(3)

式中，φ表示保護安全裕度，σ表示故障相電流測量元件計算值，γ表示饋線保護整定值，L表示饋線的靈敏度系數。當φ大于1時，表明整定值穩定性較強，不易發生誤動。

2.4 生成自動報警信息模塊

運用中央服務器的后端服務工具，設計報警信息自動生成模塊，根據機房內設備運行故障辨識結果，初步形成故障報警信息。在該模塊中應用了RBF神經網絡，結合歷史數據進一步判斷故障辨識結果的準確程度，降低故障誤報概率，針對非誤報信息產生對應的報警結果，并顯示在web系統的可視化界面。

在自動報警模塊，還應用了YS-01Y的聲音報警技術，在報警指令下級處理模塊，連接YS-0IY聲音報警模塊，明確報警結果不是誤報后，YS-01Y聲音報警模塊自動進入預警狀態，在自動報警信息從計算機窗口彈出的同時，發出警報聲響提醒運維人員，提升設備故障處理效率。

自動報警模塊還有另外一項功能，就是記錄歷史數據，在繼電保護設備報警信息處理結束后，記錄報警時刻、故障原因，維修時間等參數，形成歷史數據統計表，反映近期報警參數的變化趨勢，作為判斷機房內設備自動報警模塊后續運行的參考。至此，完成自動報警信息模塊整體設計。

2.5 監控顯示模塊

由于數據采集層中基站數量較多，必須要求具備高度穩定性，因此監控主機選用海康威視系列的監控主機[10]。該設備集報警和通信功能于一體，能夠和門禁、空調和電源等設備進行通信，同時也支持各類傳感器數據的輸入。監控主機的功能特征如表1所示。

表1 監控主機功能特征表

監控顯示[11]模塊工作內容主要分為提供實時信息和視頻顯示設備數據。其中監控端電腦負責數據顯示、報警和遠程控制等工作，觸屏監控接口電路如圖6所示。

圖6 觸摸屏接口電路

3 系統軟件設計

3.1 數據傳輸程序

利用C語言完成嵌入式機房設備數據傳輸程序編寫，在LabVIEW開發環境下，獲取傳感器運行模塊數據信息，利用串口通信的方式將數據發送到嵌入式環境監控主機。數據傳輸程序主要處理流程如圖7所示。

圖7 下位機處理程序圖

3.2 數據處理程序

數據處理程序是完全在LabVIEW環境下開發設計的，使用圖形 G語言編寫 LabVIEW[12]，會生成框圖式程序，與其他開發語言相比更為簡便。使用者還可結合個人需求選取不同類型的程序框圖，實現監控界面個性化定制。LabVIEW環境具備實時幫助功能，能夠查看不同程序函數的意思，便于系統程序編寫，還能有效提高用戶端的界面美感。使用者可以直接對前面板操控，便捷程度高。數據處理程序是直接面向嵌入式環境監控主機的，通過LabVIEW中的節點配置串口，實現數據訪問處理，將處理后的設備數據信息顯示到監控端電腦，最終以傳感信號的形式呈現。由于顯示的信號為傳感信號，因此數據處理程序中最為關鍵的關節就是信號處理[13]。結合信號組成結構，設定頻率內的寬度與高度，設置一個閾值K，假設傳感信號特征低于K的等于0，大于K的像素為1，則對于圖像f(x)的二值化過程表示為：

(4)

式中，x表示信號特征。利用上述方法分析所有信號的賦值情況，實現信號處理，增強大型機房設備監控質量，提升機房運維能力。至此完成了對系統軟件的設計，結合系統硬件功能模塊設計，實現嵌入式機房多功能模塊智能監控系統設計。

3.3 系統的低功耗設計模型

本文建立了相應的嵌入式系統的功耗模型，如(5)式所示：

(5)

(6)

Eproc可表達為：

(7)

式中，Vdd表示系統運行電壓，Iinstr表示系統運行電流，fclk表示系統運行頻率。

(8)

式中，Nmem_cyc表示系統電流強度。由上述可知，系統總功耗公式表達式為：

(9)

從微觀層次的功率消耗模型來看，與嵌入式系統的軟件功率消耗有關的功率消耗主要有：

在系統執行階段的二進制總指令數目。

存取內存的二進制指令數目。

計算程序執行所需要的 CPU時間。

根據以上所得到的信息可知，該系統的整體功耗是因CMOS IC的集成電路逆向信號所引起的動態功耗，其功耗模式如下：

(10)

Pc=KA

(11)

在 CPU的時鐘周期中，電容器只有1或0的翻轉次數。因此，在這一過程中，式(11)也可如下所示：

(12)

式中，M和N分別表示特定應用程序所要求的 CPU周期數目及所占的總容量，Cij表示第j個供電濾波電容，Cij×F表示第j個供電濾波電容是否在第i個CPU的周期內發生翻轉，F∈{0，1}，F等于0時，代表電容無法進行電路翻轉，反之，則可以。

4 試驗與分析

為了驗證嵌入式機房多功能模塊智能監控系統的整體有效性，與文獻[1]提出的WSNs系統和文獻[2]提出的云計算系統進行對比分析，測試內容為容錯性測試、數據采集能力測試及系統性能情況測試。

4.1 試驗環境

選擇武漢大學人民醫院信息中心的大型機房運行數據信息作為測試對象。該機房包括各個傳感器模塊、空調控制器模塊、下位機開發板以及交互平臺開發板等設備。軟件測試環境基于 Linux-4.14，GCC 版本為arm-linux-gcc 4.9.3，操作系統為 Raspbian 9.4。在系統正式投入使用前，隨機選擇數據信息集1 000個，通過400次迭代測試完成相關功能和性能測試，及時發現不足并進一步改進。嵌入式機房主要監測設備目標如表2所示。

表2 系統主要監控目標表

4.2 試驗結果

4.2.1 容錯性測試

機房多功能模塊智能監控系統的容錯測試是指在發生異常時，系統仍能正常工作的一種測試。測試過程中，在系統運行時將機房單元下位機子模塊設備斷電或者移除，模擬設備損壞等情況。因此，針對監控系統容錯性進行實驗，獲取容錯數據，得到的測試結果如圖8所示。

圖8 容錯率對比

如圖7所示，WSNs系統和云計算系統的容錯率較低，兩種監控系統的容錯率在40%～60%，本文監控系統的容錯率在80%以上，相比兩種文獻監控系統，本文監控系統具有很高的容錯能力，說明了本文監控系統能夠正常工作。并進行相關的提示以及報錯信息，監控系統的容錯能力較強。這是因為本文監控系統通過數據傳輸程序連接終端設備與云計算中心，利用數據處理程序完成功能模塊參數設置。

4.2.2 數據采集能力測試

該系統中包含不同種類的數據傳感器，其中溫度和煙霧的數據信息對于機房設備穩定運行具有重要作用，只有采集準確的信息，才能確保監控結果和實際結果相符。因此，針對溫度和煙霧傳感器進行實驗，分別獲取兩組傳感器數據，得到的測試結果分別如圖9和10所示。

圖9 溫度傳感器數據采集結果圖

圖10 煙霧傳感器數據采集結果圖

如圖9和10所示，3種方法對于溫度和煙霧數值的采集結果與實際值的趨勢大致都相同，但是只有本文方法的數值與真實值最為接近，而且其他兩個系統的監控值都遠低于實際值。尤其對于煙霧傳感器而言，當濃度超過100 ppm時，就會自動報警，在監控過程中曾多次出現煙霧超標情況，WSNs系統和云計算系統均沒有報警，大大降低機房的安全系數。而本文監控系統中，當濃度超過100 ppm時，就會自動對煙霧超標情況啟動報警裝置，及時獲取預警信息；對于溫度傳感器而言，本文監控系統中，當溫度超過22 ℃時，可以自動對溫度超標情況發出報警信號，提高機房的安全系數。對于傳感器等硬件設備的選擇較為合理，且在LabVIEW開發環境下，傳感器數據在傳輸過程中可有效減少干擾。

4.2.3 系統性能測試

對系統的性能進行了檢驗，包括網絡延遲、系統總體響應時間、系統運行功率和監測指令的平均運行時間。并在同等條件下引入文獻[1]提出的WSNs系統和文獻[2]提出的云計算系統參與對比分析。首先，在整個試驗周期中，對7個監測流程進行了隨機抽樣，采集了來自于不同節點的傳感器的通訊數據，并對3個不同的監控系統進行了測試，并對其進行了分析。延遲情況的統計結果如圖11所示。

圖11 不同監控系統的網絡延遲情況

由圖11可知，嵌入式機房多功能模塊智能監控系統網絡延遲在10 ms以下，WSNs系統和云計算系統網絡延遲均在20 ms以上，WSNs系統在實驗次數為5和6時，系統延遲會增加；造成這種現象的主要原因是由于通訊協定的滯后，造成了比較嚴重的網絡時延。實驗結果得知，本文監控系統網絡延遲遠低于WSNs系統和云計算系統，這是因為本文監控系統設計多功能模塊，合理選取硬件設備，以嵌入式為基礎設計數據傳輸程序與數據處理程序。

系統響應情況測試主要目的是檢測系統用戶登錄模塊、傳感器運行模塊、數據記錄模塊和監控顯示模塊的響應時間，上述3種系統的測試結果分別如表3所示。

表3 響應時間對比

從分析表3可以看出，在同樣的監測時間條件下，本文監測系統的平均反應時間小于2.8秒，WSNs系統和云計算系統的平均響應時間均在6.48 s以上，相比WSNs系統和云計算系統，本文監控系統監測平均響應時間較低，說明所提監測系統具有更好的監測效果。這是因為本文系統通過數據處理程序降低CPU利用率，減少延時，進而保障所有設備穩定運行，提高運維能力，降低運行成本。

基于上述系統響應情況，根據程序運行時的二進制指令數、存取內存的二進制指令數、程序運行所需要的 CPU周期數等與嵌入式系統的軟件功率消耗有關的功率消耗，以系統運行功率為測試指標，系統工作時的功率越大，耗電量越大；3種系統的系統運行功率對比如表4所示。

表4 系統運行功率對比

分析表4能夠得出，在監測時間相同的狀態下，本文監控系統監測的最高運行功率為252 W，WSNs系統和云計算系統的最高運行功率分別為345 W和448 W，相比WSNs系統和云計算系統，本文監控系統監測的運行功率較低，說明本文監控系統監測性能更優，功耗低。這是因為本文系統針對系統的功耗問題，在此基礎上，提出了一種基于微結構的功耗模型，該方法可以在程序運行時減少 CPU的循環次數，從而降低嵌入式系統的功耗。

監控命令的平均運行周期可以反應出監控系統的實際使用性能，通常，當平均運行周期越短，其應用性能越好，而反之，其性能越差。所提監控系統與WSNs系統、云計算系統進行對比，監控指令平均運行周期對比如表5所示。

表5 監控指令平均運行周期對比

從表5可以看出，3種監控系統平均運行周期不斷隨著監控數據總量增加，但是相比兩種文獻監控系統，本文監控系統上升幅度明顯較小。從最大限度的觀點出發，本文系統的監控最大數值為7.5 s，比 WSNs和云計算系統的最大數值14.6 s和14.1 s低得多。總之，經本文監控系統應用后，監控命令的平均運行周期發生了顯著的縮短，在一定的監控時限之內，可以有效地提高嵌入式機房多功能模塊智能監控系統的應用性能。

5 結束語

為了給無人值守醫院機房添加安全保障，本文在嵌入式開發環境下設計大型機房多功能模塊智能監控系統。確立多層架構模式，設計多功能模塊，合理選取硬件設備，以嵌入式為基礎設計數據傳輸程序與數據處理程序，完成系統開發。通過系統性能測試，證明該系統功能穩定，響應速度快，監控到的機房設備運行數據與實際狀態相符。為了系統能夠更加方便使用者使用，功能種類還需進一步豐富，例如建立無線局域網，將監控數據信息直接發送至移動終端，擴寬網絡應用范圍，增設智能交互、語音喚醒識別以及多終端通話等功能，實現數據二次開發，為醫院機房運維工作人員提供便利。