分布式ATCA设备数据监测系统设计

邢留洋　何赞园　汤红波　朱宇航

摘  要： ATCA设备在运维过程中，重要部位的高温、高压等情况会造成设备的意外宕机。该文针对该问题设计一种分布式ATCA设备数据监测系统，以实现对设备健康状况和工作环境信息的实时监测。系统采用GigaDevice公司的32位单片机GD32F450ZKT6作为主控單元，利用UDP传输协议进行通信，配合外围传感器对ATCA设备健康信息及工作环境温湿度进行实时采样，并将采样数据存储与上传。系统通过以太网和ZigBee两种组网方式进行远程监测。经测试，该系统在实际部署中应用效果良好，为ATCA设备的高效运维提供重要保证。

关键词： ATCA设备; 数据监测; 系统设计; 数据采集; 数据传输; 远程监测

中图分类号： TN931+.3?34; TM932               文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）24?0160?06

Design of data monitoring system for distributed ATCA equipment

XING Liuyang1，2， HE Zanyuan2， TANG Hongbo2， ZHU Yuhang2

（1. Zhongyuan Institute of Network Security， Zhengzhou University， Zhengzhou 450000， China;

2. PLA Information Engineering University， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： As the high temperature and voltage of important parts of the ATCA equipment during operation and maintenance can cause unexpected downtime， a distributed ATCA equipment data monitoring system is designed to achieve real?time monitoring of equipment health condition and working environment information. In this system， the GD32F450ZKT6， a 32?bit microcontroller of GigaDevice， is used as the main control unit， which can communicate by means of the UDP transport protocol. It cooperates with peripheral sensors to conduct real?time sampling of health information， working environment temperature and humidity of ATCA equipment， and store and upload the sampled data. The system conducts remote monitoring through Ethernet and ZigBee networking. The testing results show that the system works well in actual deployment， which provides important guarantee for the efficient operation and maintenance of ATCA equipment.

Keywords： ATCA equipment; data monitoring; system design; data collection; data transmission; remote monitoring

0  引  言

随着大数据时代的到来，数据中心得到了迅速发展[1]，而随着数据中心规模的不断扩大，ATCA（Advanced Telecom Computing Architecture）设备不仅宕机事故频频发生，而且也大大增加了运维成本和环境压力，给社会各界带来不同程度的损失[2?3]。因此，如何对ATCA设备及工作环境进行实时有效地监测和管理成为各行各业关注的重点[4]。

本文设计一种分布式ATCA设备数据监测系统，可以实现分布式ATCA专用设备及其工作环境的统一管理[5]。为方便被管理设备的接入，本系统采用了基于以太网和ZigBee两种组网方式，将采集数据实时传输给上位机，当ATCA设备出现异常状况时，管理人员能根据告警信息，采取合适的方案对故障进行定位并处理。

1  系统总体结构设计

分布式ATCA设备数据监测系统总体结构设计如图1所示，该系统由数据采集端和监控端组成。其中，数据采集端用于进行专用ATCA设备基本运行状态信息（场景1）及数据中心环境与动力设备信息的采集（场景2）;监控端通过以太网和ZigBee两种组网方式实现上位机与数据采集端的数据交互。

2  系统硬件电路设计

该系统选用兆易创新（GigaDevice）公司生产的高性能、低功耗微处理器GD32F450ZKT6[6]，其主要由电源模块、数据采集模块、数据存储模块、调测模块、静态IP配置模块、数据传输模块、LCD显示模块以及告警模块组成。

GD32F450ZKT6作为主控单元，通过各个功能管脚实现对数据的采集，传输与指令控制;利用MCU内集成的11路A/D转换接口采集ATCA设备不同种类的电压，并设计分压电路实现对高电压的检测;温度检测电路可以采集板卡环境温度和高功耗器件内部温度;通过以太网/ZigBee多模通信方式将监测数据实时有效地传送至上位机;上位机可实时监测各个节点的数据信息，并根据历史数据来分析ATCA运行状况;数据存储模块则存储ATCA板卡静态属性信息和各个传感器的动态数据。系统硬件结构如图2所示。

2.1  数据采集电路

根据数据采集模块功能需求可以将电路分为两个部分：温度测量电路和电压分压检测电路。

为实现对远程温度和本地温度的实时监测，本文系统采用板载温度传感器和外接温度传感器分别检测板卡环境温度和高功耗器件内部温度。本文系统中使用的各个传感器均为数字传感器，故通过I2C总线直接读取传感器所转换的数字量，对温度阈值进行设置，以声、光、电等告警方式显示在数据采集器的LCD模块上，并将异常数据传输给上位机。

板载温度传感器采用Maxim的数字温度传感器DS75U+，电路如图3所示。DS75U+内部集成了热敏二极管以及数字量化电路，可直接通过I2C总线与MCU进行数据转换。ATCA设备上的高温点的环境温度以及重要器件的内部温度利用外接的双通道测温芯片ADT7461实现[7]。ADT7461芯片是一款可与CPU集成的测温传感器，可精确测量CPU温度。

本文系统电压检测部分涉及不同种类的电压，故需设计分压电路实现对高压的检测。本方案设计可检测11种常用电压类型（48 V，36 V，12 V，5 V，3.3 V，2.5 V，1.8 V，1.6 V，1.25 V，1 V，0.8 V），能够满足大部分应用需求。电压检测接口电路如图4所示。分压电阻阻值选择如图5所示。

本文系统通过采用外接SHT30模块测量工作环境的温湿度情况，以确保ATCA单板工作环境处在良好状态下。此模块应用数字量转换技术，具有高可靠性和长期稳定性，内置湿度和温度传感器元件、模拟数字转换器、信号处理、校准数据和I2C接口，工作电压采用与微处理器相同的3.3 V。

SHT30与单片机通过I2C进行通信，串行数据线SDA、串行时钟输入SCLK分别与I2C扩展电路中的I2C0_SDA2和I2C0_SCL2相连。PCA9516是由NXP公司生产的一款5路集线器中继器，可以扩展I2C总线或类似的总线系统，只需1个中继器延迟，不会降低系统性能。PCA9516包含5个双向开漏缓冲器，专门用于支持I2C总线的标准低级争用仲裁。除仲裁或时钟延长外，PCA9516[8]可扩展5个I2C。扩展电路如图6所示。

2.2  电源电路设计

本系统具有多种供电方式选择，主要供电方式为USB接口5 V供电，除此之外还可通过PCIe接口、SLOT接口直接供电。通过TPS75933稳压芯片产生主控电路工作所需的电压为3.3 V。利用AD1582基准电压源产生2.5 V基准电压输入MCU的AVREF接口。3.3 V电源电路与2.5 V基准电压源电路如图7所示。

2.3  数据存储电路

AT24C64是存储器容量为64 Kbit，电源电压范围为1.8～3.6 V的E2PROM程序存储器，可存储FRU（现场置换单元）和SDR（传感器数据）。本文系统中的2个E2PROM分别用来存储单板静态属性信息和各传感器采集的动态数据。

2.4  数据传输电路设计

数据传输电路主要由两部分组成，分别是以太网有线传输和ZigBee无线传输。以太网传输作为一种普遍、通用的传输模式，其主要用于上位机与各个分布节点进行数据交互;在监测ATCA设备工作环境时需要在机房各个重要位置部署数据采集器，此时选择ZigBee无线传输模式。

两种传输模式的共同协作能有效地确保数据传输过程中的稳定性和可靠性，系统通过内嵌的串口电路与ZigBee传输模块进行连接。

数据采集器与监控端之间采用UDP/IP协议通信，故需要在采集器硬件电路中设计以太网通信模块[2]，以太网PHY芯片选用NS公司生产的DP583848C实现，该芯片支持[10100] M高速全双工数据通信协议，符合IEEE 802.3协议规范，由于MII模式连接MAC和PHY之间的通信需要多达16根信号线，所产生的I/O口需求及功耗较大，故采用RMII模式[9]。以太網PHY驱动电路设计如图8所示。

ZigBee模块采用TI公司的SZ05?L?PRO2，符合ZigBeepro国际规范。其具有通信距离远、超低功耗、抗干扰能力强、组网灵活稳定等优点，可实现“一对多”或“多对多”设备之间数据的透明传输[10]。此模块分为协调器、路由器和终端节点，本文系统中只采用协调器与终端节点进行实验，协调器节点是ZigBee自组网的中心，负责对网络进行建立以及地址的分配、管理等;终端节点分布于工作环境中各个待测区域，并且每一个终端节点只对本节点数据进行发送和接收[11]。ZigBee模块电路如图9所示。

2.5  其他外围电路

与微处理器相连的其他外围电路主要有系统调试接口电路、静态IP设置电路、SPI接口电路、RS 232通信电路、声光告警电路和LCD显示电路等。

3  系统软件设计

系统软件设计通过C语言编程实现，在Keil5开发环境下进行开发，程序主要实现数据采集（传感器读取）、数据存储、数据传输、数据显示、声光告警等功能。主程序流程如图10所示。

3.1  数据采集设计

数据采集程序由MCU与各个传感器共同完成，主要包括A/D电压数据和各个数字传感器数据采集。系统上电ADC、I2C和STH30初始化后，启用定时器中断。通过调用函数get_adc_inserted_value（ADC0， 10），利用内部ADC0采集芯片内部温度、基准电压和电源电压;通过调用函数get_adc_average（ADC2，10），利用ADC2采集外部电压电路的输出电压。根据ATCA设备各部位实际需要以10次采集的平均值作为本次循环采集A/D数据的值。对于工作环境温湿度数据的采集，在对STH30模块初始化后，通过调用sht30_data_process（）;函数完成温湿度数据的采集。数据采集流程如图11所示。

3.2  数据存储软件设计

本文模块设计采用I2C通信方式进行数据存储，E2PROM上电初始化后，使能时钟信号，相比于SD卡读写命令不易读写，I2C通过SDA与SCL直接对E2PROM进行读写操作。I2C通信地址跟读写方向连在一起构成一个8位数，且当 R/W 位为0时，表示写方向，所以加上7位地址，其值为“0xA0”，常称该值为I2C设备的“写地址”;当R/W位为1时，表示读方向，加上7位地址，其值为“0xA1”，常称该值为“读地址”。E2PROM 芯片中还有一个WP管脚，具有写保护功能，当该管脚电平为高时，禁止写入数据，当管脚为低电平时，可写入数据，这里直接接地，不使用写保护功能。

3.3  数据传输软件设计

MCU与上位机之间采用UDP通信方式，通过以太网接口进行数据交互，并接收来自外部管理员的实时指令，根据指令类型做出相应的响应。此外部署于工作环境中的终端节点通过SHT30所采集到的温湿度数据透传到协调器节点，协调器节点作为整个ZigBee网络的中心，创建ZigBee网络，为节点分配地址，将从各个终端节点通过透传收集到的数据通过串口传输到以太网接口，而后将数据传输到上位机，以此达到监测工作环境的目的。数据传输流程如图12所示。

3.4  数据显示软件设计

利用2.4 inch TFT LCD显示板卡状态信息，利于管理员在现场进行直观的监控。本文系统通过SPI通信接口与LCD显示屏进行通信，LCD初始化后，首先调用显示工具栏函数disp_tool_bar（BLACK， WHITE），然后调用显示板卡静态信息函数disp_static_info（BLACK， BLUE），显示设备IP地址函数disp_IP_addr（BLACK， BLUE），显示数据名称函数disp_data_title（BLACK， WHITE），最后调用显示上传数据函数disp_data_update（BLACK，BLUE）。根据上传的传感器数据与设定阈值进行比较，分别显示相应状态：显示告警状态disp_

monitor_status（RED，WHITE，0x00）和显示正常状态disp_monitor_status（RED，WHITE，status++）。

4  系统测试

传输组网测试在实验室内进行。本系统IP地址支持DHCP和静态配置两种方式，实验中优先采用静态IP配置方式，并利用板卡拨码开关设置不同板卡的IP地址。监控端采用PC，选用3个数据采集卡作为测试对象，通过H3C交换机将监控端与板卡进行组网。实验中采用静态IP配置方式，利用板卡拨码开关设置不同板卡的IP地址，监控端设置静态IP地址。其中，监控端IP地址配置为192.168.51.100，3种板卡分别配置为192.168.51.101～192.168.51.103，端口号为7。实验搭建的网络拓扑结构如图13所示。

上电后按照程序逻辑，各板卡开始数据采集，并通过建立与监控端的UDP连接，定期上传数据。利用网络调试助手进行抓包，可查看监控端接收的数据报文;服务器发送查询指令，查询温度传感器采集数据（0x01），从机返回测量温度值。采集数据定时上报与查询机制如图14所示。

设置主板温度阈值为30 ℃，用手模拟温度升高情况，当传感器温度超过设置阈值时，LCD显示报警信息，板卡LED3闪灯，蜂鸣器发声报警，同时将报警信息通过UDP立即上传至监控端。

初步调试通过后，将数据采集板卡分别部署在ATCA设备以及工作環境重要节点上，测量3个ATCA设备重要部位实际电压、温度（CPU）以及其工作环境不同节点的温湿度值。如表1所示为ATCA设备电压、温度实测值，表2为工作环境不同节点温、湿度实测值。

5  结  论

本文介绍一种基于GD32的分布式ATCA设备数据监测系统。该系统可实时、有效地采集ATCA设备电压、温度及工作环境的温、湿度数据，也可通过以太网/ZigBee两种传输方式结合上位机实现实时查询、智能分析、数据处理等运维功能。结果表明，系统设计稳定可靠、实现成本低、功耗可控，对ATCA设备的高效运维具有广泛的应用前景。

参考文献

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[11] 吴桐.基于物联网的机房监测系统设计与实现[D].哈尔滨：黑龙江大学，2017.

作者简介：邢留洋（1996—），男，河南荥阳人，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式技术。

何赞园（1975—），男，河南灵宝人，硕士，副研究员，主要研究方向为电信技术、计算机软件及应用、互联网技术。

汤红波（1968—），男，湖北孝感人，博士，教授，主要研究方向为移动通信网络和新型网络体系结构。

朱宇航（1982—），男，江苏徐州人，硕士研究生，副教授，主要研究方向为网络科学。