基于STM32的互联网数据中心环境检测系统

沈剑峰，丁金华，董 宇

（大连工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 大连116034）

对于互联网数据中心（以下简称IDC）来说，良好的环境状态是保证设备正常运转的条件，而对IDC环境状态的检测是使其保持良好环境的重要措施[1-5]。根据电子信息系统 IDC设计规范(GB50174-2008)，开机时，IDC设备最优的环境是温度为22～24℃，相对湿度为40%～55%；停机时，IDC设备环境要求是温度为 5～35℃，相对湿度为40%～70%。因为IDC的不间断供电系统（UPS）工作时会释放出氢气,可能发生爆炸或火灾等安全隐患，所以为了保证IDC设备的安全运行，除了温度和湿度的检测外，还需检测IDC的空气中氢气密度和烟尘浓度。

系统还可以通过无线通信网络将检测信息与工作人员时刻保持联系。

1 IDC环境检测系统的总体设计

IDC环境检测系统的结构如图1所示，主要由四部分组成：数据采集、STM32主板、无线通信和触摸屏。

图1 系统结构框图

1.1 数据采集

IDC环境检测系统采集环境的温度、湿度和空气中氢气密度、烟雾浓度。

由于IDC的空间较小，本系统检测该空间4个点的温湿度。系统选用温湿度一体传感器DHT21，DHT21的温度测量范围是-20℃～+60℃，分辨率为0.1℃。DHT21湿度测量有效范围是20～90%RH，当温度控制在25℃左右恒温时，精度可达到±3%RH。DHT21是数字传感器，DHT21与CPU之间单通道串行通信，传送距离在20 m以上[6]。

普通的环境检测系统只针对空气中的温度测量，由于IDC设备局部空气不流通引起的温度失常则是无法检测到的。IDC环境检测系统选用8路AD590温度传感器，专用于检测容易发生异常的设备的温度。AD590是单片集成两端感温电流源，输出恒流模拟信号，接线的长短不会影响检测到的温度值，这样传感器可以安放在机房内的任何位置。AD590的测温范围为-55℃～+150℃，在测量范围内，非线性误差仅为±0.3℃。

因为空气中氢气和烟雾密度异常的可能性较小，且检测精度要求较低，所以系统只设1路氢气密度和1路烟雾密度的测量。可以选用电压模拟信号的传感器,这样便于软件编程和电路设计。系统分别选用MQ-2和MQ-8这两个空气质量传感器。

1.2 无线通信

IDC环境监控系统采用TC35短消息模块实现无线通信，TC35短消息模块通过RS-232标准接口与STM32通信，通过移动通信网络与工作人员的手机进行通信。工作人员不必时刻守着机房，不仅减少了IDC设备对工作人员的辐射量，同时可以腾出时间做其他工作，提高了工作人员的利用率。

1.3 触摸屏

触摸屏的作用是显示系统的工作信息，对整个系统功能进行调试设置。通过RS-232标准接口与STM32通信。

1.4 STM32主板

STM32是整个系统数据处理中心。机房内用电设备众多，可能会产生多种信号干扰。为了保证CPU的工作正常稳定，必须选用安全可靠的处理芯片并对CPU进行电路隔离与信号屏蔽。

本系统是基于ARM体系型号为STM32F103RBT6微处理器进行设计的。STM32F103RBT6包含2个12 bit的ADC,分12个I/O通道，不需要外部辅助硬件就能实现多路传感器同时提取数据；具有3个USART，满足液晶及远程控制部分的串行通信。

2 STM32主板的电路设计

STM32主板的电路设计主要分为传感器DHT21的电路设计、传感器AD590的电路设计、空气质量传感器MQ-2与MQ-8的电路设计和RS232通信电路的设计。

2.1 传感器DHT21的电路设计

DHT21是数字传感器，DHT21与STM32之间单总线串行通信。DHT21与STM32之间选用单通道的高速光耦合器6N137（如图2所示）。IDC环境检测系统共有4路温湿度一体传感器DHT21，分别连接到STM32的4个普通I/O口。

2.2 传感器AD590的电路设计

AD590的信号转换电路如图3所示。AD590输出电流以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加 1℃，它会增加1 μA输出电流。在室温23℃时，其输出电流Io=（273+23）=296 μA。 Vo的值为 Io乘上 10 K，以室温 23℃而言，输出值为 10 K×298 μA=2.96 V 。 当温度在-55℃～+150℃内变化时，AD590输出是2.18 V～4.23 V的电压信号,通过差分放大电路,把信号调整到 0.18 V～2.23 V。然后通过AD7741把电压模拟信号转换成相应的频率信号，经光电隔离，最后连接到STM32的ADC采样引脚。

IDC环境检测系统共有8路温度传感器AD590。为了减少AD590的信号转换电路，IDC环境检测系统对8个温度传感器AD590采用扫描的方式读数。通过CD4028依次对8个温度传感器供电，再通过CD4051依次连接8个温度传感器到模拟信号转换电路。这里STM32输出到CD4051和CD4028的信号速度较慢，选用光电隔离元件TLP521就可以满足要求。

2.3 传感器MQ-2和MQ-8的电路设计

空气质量传感器MQ-2和MQ-8输出电压模拟信号，它们的工作原理相同，这里以MQ-2为例设计电路。因为只有1路 MQ-2，所以 MQ-2可安装在STM32主板上,不需使用光电隔离，MQ-2的输出信号直接到STM32的 ADC口上。RS的变换范围是 5 kΩ～20 kΩ，R1=5 kΩ，这样输出点的电压范围是1 V～2.5 V。

2.4 RS-232通信的电路设计

TC35和触摸屏的通信都是RS-232标准接口与STM32通信，IDC环境检测系统选用MAX232芯片实现两路TTL-RS232电平转换。

3 STM32的软件设计

根据IDC环境检测系统的工作要求，设计STM32的主程序流程图如图4所示。

图4 IDC环境检测系统主程序流程图

STM32的软件设计主要包括3个部分：传感器数据的采集、与TC35模块的通信以及与触摸屏的通信。

3.1 STM32采集传感器数据的软件设计

3.1.1 DHT21数据的采集[7-8]

STM32与 DHT21之间的通信采用单总线数据格式,一次通信时间5 ms左右,一次完整的数据传输为40 bit,高位先出。数据格式为：湿度高8 bit+湿度低8 bit+温度高 8 bit+温度低8位+校验和8 bit。

首先初始化STM32的I/O口，使之作为推拉式输出，输出 18 ms以上的低电平，然后输出 20～40 μs的高电平。然后改变I/O口为上拉式输入，DHT21会发送80 μs的低电平,说明DHT21发送响应信号,DHT21发送响应信号后,把总线拉高 80 μs,准备发送数据,每一位数据都以50 μs低电平时隙开始,高电平的长短确定了数据位是 0还是 1，高电平时间为 26～28 μs表明该数据为0，高电平时间为70 μs表明该数据为 1。

3.1.2 AD590数据的采集

IDC共有8路AD590,采用循环扫描的方式。首先CD4028的地址引脚DCBA输入0001,CD4051的地址引脚CBA输入001,抬高CD4051的输入使能引脚INH电平，这样开通 AD590_1，然后等待 200 ms,预热 AD590，最后读取一定时间AD7741的脉冲次数。所读取AD7741的次数反映AD590检测温度的大小,这样即读完一路AD590检测的温度值。通过改变CD4028和CD4051的地址重复上述步骤，依次读取8路AD590检测的温度值。

3.1.3 MQ-2和MQ-8数据的采集

MQ-2和MQ-8输出的是电压信号，STM32可以直接通过带有复用功能ADC（模拟数字转换器）的I/O口，把电压模拟信号转换成12位数字信号，通过STM32内部集成DMA控制器，把ADC读取的数字信号传输到STM32内存，每次需要传输200个数据，并求平均值，这样可以保证最后输出的空气中氢气密度和烟雾浓度值稳定。

3.2 STM32与TC35模块通信的设计[8]

使用TC35模块前，要在TC35模块上插入一张SIM卡，确定TC35模块连接上移动网络。STM32与TC35模块之间是通过串口通信的。首先STM32向TC35模块发送初始化指令：AT+CNMI=2,1（指令功能：短信提示），AT+CMGF=1（指令功能：英文方式发送）。初始化之后，如果TC35模块接收到信，向STM32发送指令：+CMTI：“SM”,1（表示有短信接收，存在 SIM卡的第 1个位置）；此时 STM32向 TC35模块发送指令：AT+CMGR=1；（指令功能：读取SIM卡的第一个位置的短信）；然后STM32会接收到：+CMGR：“REC UNREAD”,“+8613*********”,“10/06/07,15：02：08+32” （表示短信未读，短信来源号码，接收时间）；abc（表示短信内容）；STM32接受到任何短信，识别短讯来源号码是否是事先设定的号码，如果是，则发送：AT+CMGS=“13*********”（功能：向设定好的号码发送短信）；STM32等待TC35回复，等收到回复后，发送IDC环境数据信息：ab******（IDC环境数据）；STM32发送信息结束标识：1A；STM32收到指令：+CMGS：11（IDC环境数据发送成功）。

3.3 STM32与触摸屏通信的软件设计[9]

触摸屏用来显示IDC环境数据和设置对应环境值的安全范围。首先要把设计好的背景图片存储在触摸屏的Flash里面，存入触摸屏的控制程序（此程序设定触摸屏按键代码）。

STM32控制触摸屏的主要代码如下：

AA 52 CC 33 C3 3C（清屏指令）

AA 70 01 CC 33 C3 3C(背景图片选择指令,其中 01表示图片的地址)

AA 53 00 80 00 F0 32 32 46 35 CC 33 C3 3C （在温度后面显示22.5，其中00 80和00 F0是显示文字的坐标，32 32 46 35是22.5的ASCII码）

触摸屏按键返回码：

AA 71 00 01 CC 33 C3 3C(其中 00 01表示键码)

通过实际测试IDC环境检测系统，系统检测到的环境温度、湿度和空气中氢气密度、烟雾浓度数值稳定，精度符合要求，通过移动通信网络，管理人员就可以随时查看IDC环境状况,减轻了IDC工作人员的负担。IDC环境检测系统的优势已经得到体现，帮助解决了很多IDC环境保障问题，对同类检测系统的实现也有一定的参考价值。

[1]史水娥，杨豪强.基于ARM9处理器的机房环境远程监测系统设计[J].河南师范大学学报（自然科学版）,2010，38(3)：57-59.

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[5]姜云安.大中型机房环境监控系统浅谈[J].智能建筑与城市信息，2010(8)：12-15.

[6]DHT21 产品说明书[EB ／0L]．(2011-02-25)．http：//wenku.baidu.com/view/d3b37e23bcd126fff7050b38.html?from=rec&pos=0&weight=33&lastweight=13&count=5.

[7]倪天龙．单总线传感器 DHT11在温湿度测控中的应用[J]．单片机与嵌入式系统应用，2010(6)：60-62．

[8]杨小平．基于AT89S52和DHT21的温湿度测量系统设计[J]．无锡职业技术学院学报，2011，10(1)：62-63．

[9]张华，高需．基于TC35模块实现短消息收发[J]．电脑知识与技术，2010，17(6)：4817-4819．

[10]翟霄翔，郝久玉，郑军．电阻式触摸屏在嵌入式系统中的应用[J]．电子测量技术，2006，29(2)：36-37．