基于多功能传感器的测量系统设计

黄凤鸣，费 强，刘再兴

（无锡华普微电子有限公司，江苏无锡 214035）

1 引言

数据中心的绿色体现在低功耗、低排放、高产出、高密度，而在满足这些条件的同时，对机房稳定性要求也越来越高。随着国内数据中心的发展以及运营理念的不断转变，电源分配单元（PDU）产品已经完全取代了普通电源插座，而在未来的数据中心建设中，将更加突出对节省能耗、降低人力成本、提高运行效率等方面的要求。在新一代数据机房中，利用多种通讯模式，能及时发现机房电源异常，预防故障发生，并能迅速排除故障，降低人力成本，尤其在一些无人值守的机房或基站，绿色智能的概念表现得更为突出。

PDU 设备必须不间断地为计算机系统提供安全稳定的运行环境，一旦PDU 出现故障，计算机系统就无法稳定运行，对数据的计算、传输和存储的可靠性带来极大的威胁。若PDU 的故障或报警信息无法及时反馈与解决，就可能损坏硬件设备或丢失数据，给企业造成巨大的经济损失。尤其在高铁、机场、地铁等公共交通基础设施，银行、证券等金融中心数据尤为重要的数据机房，安全稳定的设备运行环境极其重要。

本文结合公司产品的研发，设计并研制出能同时检测多种信号的多功能组合传感器测量系统。将测量数据信号经单片机处理，通过算法提高测量精度，制定与上位机的通信协议，并对电路进行实验、调试，最后完成多功能传感器测量系统的联调。

2 系统设计

2.1 设计原理

根据设计要求，测量系统不仅要满足一定精度的温湿度、烟雾等的测量，同时还具有显示当前各种传感器信号的测量值以及预留总线通信的软硬件接口功能，另外设计时还要考虑电源的问题，系统的工作可靠性指标也是设计中需要考虑的一个因素。系统设计原理如图1 所示。利用MCU 丰富的外设接口选取适配的传感器，例如温湿度和烟雾传感器可通过485接口和MCU 相连接，水浸传感器和气压传感器可通过GPIO 端口相连接，监测到环境异常，立刻通过报警装置进行声光报警，并能通过液晶或终端显示报警信息。

图1 系统设计原理框图

2.2 功能实现

整个测量系统由下位机、外接传感器和接口组成。单片机进行数据采集，通过各类接口和传感器进行通讯，获取测量结果，并由LCD 实时显示和同时存储结果。同时，对数据进行格式转换，通过通讯接口将测量结果发送至上位机进行进一步处理。

2.2.1 单片机

单片机选用ARM9 高性能32 位微处理器，应用于工业控制和需要丰富通信的接口领域。运行频率最高可达50 MHz，拥有64 kB 程序存储器和4 kB 数据存储器，集成了许多系统级外设功能，如I/O、UART、SPI、I2C、PWM 等，以减少系统外围元器件，节省电路板空间和系统成本。

2.2.2 传感器接口电路

目前市场上的传感器支持的接口种类繁多，以485 和I/O 两种类型为主。485 型传感器为每一个传感器分配一个独立地址，各自采集相应的数据，互不干扰；I/O 型传感器，响应速度快，多用于报警信号处理。同时，本系统设计了专门的电路，可支持多种形式接口的传感器接入系统，例如RJ11、RF45、USB 等。用户可自由选择匹配的传感器接入系统，极大地丰富了系统的使用场景。传感器接口电路如图2 所示。

图2 传感器接口电路

2.2.3 显示/上位机通讯电路

单片机采集的各传感器数据可通过SPI 接口和液晶模块连接，显示测量结果；也可选择将数据按照自定的协议格式，通过串口传至PC，进一步对数据进行拟合和后期处理。

3 软件设计

系统软件运用模块化设计方法，编程环境是KEIL7.0，采用C 语言进行编写，包括主程序和中断程序两部分，由四大模块组成：初始化模块、数据采集模块、数据处理模块以及显示报警模块。

3.1 系统软件框架

系统软件的设计流程为：系统上电复位后，首先对各个模块进行初始化，包括单片机、各类传感器、LCD 显示模块等。接着MCU 开始循环采样，先对485型传感器按地址逐个进行结果采样，然后对I/O 型传感器进行结果读取，根据预先的设置以特定的单位显示出来。软件框图如图3 所示。

图3 系统软件处理流程

3.2 数据处理模块

数据处理流程如图4 所示，先确认传感器类型，接着按照各传感器各自的工作方式进行数据采集，获取结果等待下一步处理。数据处理模块主要包括数字滤波程序以及各项指数的转换程序，对每路信号连续采样10 次，再将10 次采样值进行排序处理，丢弃最大值和最小值，这样就将可能出现的高低干扰信号有效地滤除，实现中位滤波算法，然后对剩余的8 个数求平均值。

3.3 显示报警模块

显示模块采用循环显示的方法对每个传感器的结果进行分页显示，每页显示时间为3 s。LCD 在显示结果的同时，系统各个传感器的监测还在后台同时进行，监测和显示两个任务并行，互不影响。当某传感器数值超过了设定的阈值，会触发报警装置进行声光报警，快速通知运维人员迅速到场定位问题。显示程序流程如图5 所示。

图4 数据处理流程

图5 显示软件流程

4 测试与分析

为了测试所开发的测量系统的工作情况，将多个传感器通过对应接口接入电路板进行测试，包括温湿度传感器(485 型)、水浸传感器(485 型)、烟感传感器(I/O 型)，并通过声光报警器进行预警。

将烟感传感器、水浸传感器和温湿度传感器各一路接入系统，显示结果如图6 所示。图中LCD 显示第一行“SMOKE：0”表示烟感报警信息(0 为正常，1 为报警)，第二行“WATER：0”表示水浸报警信息(0 为正常，1 为报警)，第三行“T1：23C H1：72%”表示第一路温度和湿度值，第四行“T2：0C H2：0%”表示第二路温度和湿度值。

测试结果直接显示在LCD 上，可翻页显示每个传感器的测试结果，若产生报警，界面会停留于所在的传感器界面，并进行闪烁显示。综合数据分析，采集到的数据信息真实反映了当前实验环境中的各项参数，可用于监控机房的实时环境。

MCU 同时将测试结果通过串口传至PC，可通过管理系统界面获取测试系统的实时环境参数，更为运维人员远程监控提供了便利。PC 端显示如图7 所示。

图6 LCD 显示效果

图7 网页显示效果

5 结论

本文针对PDU 机房环境监测的需求，设计了多功能组合传感器应用系统的软硬件，该应用系统主要包括数据采集、单片机、数据显示以及通信协议等单元。对多功能传感器测量系统整体特性进行测试，并对各特性参数进行了分析与讨论，对于传感器形成网络化做了一定的贡献。运维人员可以利用网络对分布在各地的机房环境进行检测、控制和管理，从而节约人力成本，更高效地管理系统设备。在实验室中，利用16 套设备，搭建了一个小型化数字机房，连接了8 路温湿度传感器，4 路烟感传感器，2 路水浸传感器；将传感器遍布机房的各个角落。测试中模拟了多种实验环境，例如局部温度过高、模拟烟雾产生、液体侧翻等，都能及时产生声光报警，并以邮件形式及时通知用户。

此系统安装拆卸方便，支持热插拔，若传感器发生损坏可快速更换，大大提高了工作效率，同时在任何地方都可以通过局域网对机房电源进行安全监控、安全预警和智能管理，降低了整个机房管理的复杂度，减少了人为手动干预和现场维护，提高了安全性。