多点无线机房环境监测系统

李四峰

摘要：优良的环境是机房设备平稳运行不可或缺的因素，因此工作人员需要高频度地巡视检查，但是仍然 可能出现问题发现不及时的情况。为了避免这种情况，提出了一套环境监测系统，系统终端机使用温湿度 传感器和漏水检测电路来检测机房内的环境，通过无线模块将数据传输到控制台，控制台实时显示整个系 统的运行情况和机房的室内环境。如果出现异常情况，系统将发出警报，提醒工作人员处置问题。该系统 极大地提升了响应速度，有效地保障了机房的安全运转。

关键词：温湿度传感器；单片机；组态屏；漏水检测；机房环境；无线通信模块

中图分类号：TN92；TP216；TU89文献标识码：A

0 引言

机房的温湿度对机房设备的安全平稳运行十分 重要，温湿度过高或者过低都会对设备产生影响， 甚至造成严重的安全问题。目前，很多机房安装了 机房空调，机房空调具备制冷、制热、加湿、除湿 等功能，可以使机房环境保持在特定的温湿度。但 是如果机房空调遇到停机故障，有可能造成机房温 湿度不可控的情况，此外机房空调发生意外漏水也 会造成不良后果 [1]。

多点无线机房环境监测系统能够应对这些状 况，实时监测机房各部位的温湿度以及地面漏水情 况，如有异常，第一时间发出警报，辅助工作人员 及早排除不安全因素，确保机房温湿度保持在正常 范围。

1 总体架构

多点无线机房环境监测系统分为控制台和终端 机，控制台能够控制整个系统，显示系统的运行状 态以及所有终端机检测结果；终端机的作用是检测 所在点位的温湿度和漏水情况。控制台和终端机之 间采用无线通信的方式进行连接，一个控制台可以 搭载多个终端机，系统可以同时监测多个点位的参 数。系统框架如图 1 所示，控制台主要包括电源、 微控制器、人机交互模块、无线通信模块；终端机 包括电源、微控制器、温湿度传感器、漏水检测、 无线通信模块。

2 硬件电路设计

2.1 主控芯片

系统微控制器芯片采用国产单片机 STC32G8K64， 这是一款在功能和性能方面都非常出色的 32 位单片 机。其具有抗干扰、低功耗等特点，能够高速处理 大量信息，比普通单片机快 70 倍左右。该单片机提 供了 48 个中断源和 4 个中断优先级，可以根据不同 的需求进行灵活中断处理。此外，支持通用异步收 发传输器（universal asynchronous receiver/transmitter， UART）、串行外设接口（serial peripheral interface， SPI）、 集 成 电 路 总 线（inter-integrated circuit，IIC） 等多种通信协议，可以与其他设备进行信息交互和 数据传输。芯片的电源电压范围为 1.9 ～ 5.5 V，系 统采用 3.3 V 电源供电。

2.2 人机交互模块

系统采用的 SDWb070T54A 是由武汉中显科 技有限公司生产的一款拥有优秀电磁兼容特性的工 业级串口组态屏，界面友好、使用方便，不需要复 杂的编程知识。其采用异步全双工串口，可以通过 配套的工业组态软件（viewtech graphical user soft[1]ware，VGUS）进行配置，选择合适的通信电平和波 特率。其还能够输出音频，可以作为系统的警报声 音输出装置。其电源电压范围为 4.5 ～ 5.5 V，系统 采用 5.0 V 电源供电。组态屏与单片机的连接电路 如图 2 所示。

电源管脚：管脚 7 和管脚 8 是电压输入（volt[1]age in，Vin）接电源 5 V，管脚 1 和管脚 2 是地线 （GND）接电源地。

UART 功能脚：管脚 4 是数据输入（data in， Din），管腳 5 是数据输出（data out，Dout），需要 分别与单片机的发送数据（transmit data，Txd）和 接收数据（receive data，Rxd）管脚相连。由于组 态屏和单片机采用不同电压供电，电路中采用三极 管搭建的电路实现了通信电平转换的功能，使得组 态屏和单片机之间的数据传输更安全稳定。 其 他 功 能 脚： 管 脚 3 和管脚 6 无 连 接（no connect，NC）。

2.3 无线通信模块

系统采用的 E01-ML01SP4 是由成都亿佰特电子 科技有限公司自主研发的一款超小尺寸的 2.4 GHz 贴片式无线通信模块。该模块以 nRF24L01P（无线 收发芯片）为基础，可以自动把缓存区的数据发射 出去 [2]。成都亿佰特电子科技有限公司对其功能进 行优化，使模块在最大发射功率和接收灵敏度方面 都比原来更加优秀，在理想条件下，其通信距离可 达 2 km。其电源电压范围为 2.0 ～ 3.6 V，系统采用 3.3 V 电源供电。无线通信模块连接如图 3 所示。

电源管脚：管脚 1 是电压输入接电源 3.3 V， 管脚 8、9、10 是地线，接电源地。

SPI 功能脚：管脚 3 是片选低电平有效（chip select not，CSN）；管脚 4 是串行时钟（serial clock，SCLK）；管脚 5 是主设备输出从设备输入（master out slave in，MOSI），用于由主设备到从设备传输 数据；管脚 6 是主设备输入从设备输出（master in slave out，MISO），用于由从设备到主设备传输数 据。4 个管脚分别与单片机的 SPI 总线按线序连接。 其他功能脚：管脚 2 是芯片使能（chip enable， CE），接单片机输出脚；管脚 7 是模块中断信号 （interrupt，IRQ），与单片机输入管脚相连。

2.4 温湿度传感器

系统采用的 SHT30 是由盛世瑞恩传感器公司 生产的一款紧凑型数字温湿度传感器，其温度、湿 度精度分别为 ±0.2℃ 和 ±2% RH，电源电压范围为 2.4 ～ 5.5 V，系统采用 3.3 V 电源供电。温湿度传感 器连接如图 4 所示。

电源管脚：管脚 5 是电压输入，接 3.3 V 电源； 管脚 8 是地线，接电源地。

IIC 功能脚：管脚 1 是串行数据（serial data， SDA），管脚 4 是串行时钟（serial clock，SCL）， 分别与单片机的 IIC 功能脚相连。通信时，IIC 协 议中作为主设备的单片机发送时钟信号，控制总线 通信，而作为从设备的 SHT30 只需要对单片机的 时钟信号做出响应即可。

其 他 功 能 脚： 管 脚 2 是 地 址 线（address， ADDR），其状态决定传感器在 IIC 中的通信地 址，当 ADDR 接低电平时，通信地址是 0x44；当 ADDR 接高电平时，通信地址是 0x45，系统中管 脚 2 接地。管脚 3 是警报信号（ALERT），不用时 必须悬空；管脚 6 是复位（negative reset，nRST）， 不用时可以悬空；管脚 7 没有功能，接地（R）[3]。

2.5 漏水检测

漏水检测电路如图 5 所示。系统采用电路板裸 线作为漏水的检测探头，当探头不接触水的时候， 探头为开路，当探头接触到水的时候，探头变为通 路，裸线之间水的电阻即探头处电阻 [4]。

电路采用三极管放大电路来检测探头处电阻的 变化。在正常情况下，漏水检测探头是开路，单片 机检测到高电平；当有漏水情况发生的时候，水的 电阻使得电路发生变化，单片机检测到低电平。单 片机通过读取管脚状态即可确定是否发生漏水事故。

2.6 终端机编号

系统中有多个终端机，每个终端机都需要一个 编号，为此终端机上放置了一个 4 位的拨码开关， 终端机通过读取拨码开关的状态确定其系统编号。 每个终端机的拨码开关都设置成不同状态，可以设 置 0000 至 1111 共 16 种状态，系统中最多可以搭 载 16 个终端机。

2.7 电源

系统供电是市电 220 V 交流电，综合考虑各个 部件的工作电压，采用如下方案：①控制台采用 电源模块 LD10-23B05R2-RC 将 220 V 交流电转为 5 V 直流电供给控制台，其中，组态屏直接使用 5 V 电源，芯片 AMS1117-3.3 则将 5 V 直流电转为 3.3 V 直流电供给其他部件使用；②终端机采用电 源模块 LD03-23B03R2P 将 220 V 交流电转为 3.3 V 直流电，为其供电。

3 程序设计

3.1 通信协议

控制台和终端机之间通过无线通信模块进行通 信，组态屏和单片机之间的指令格式值得借鉴。一 个完整的指令帧包括 7 个部分，其中 4 个必要部分 包括帧头、指令长度、指令和起始地址；3 个非必 要部分包括数据长度、数据内容和校验码 [5]。鉴于 控制台只需要查询指令，终端机只需要回复，系统 指令结构可进行简化。控制台发送指令格式：帧头 + 终端机编号 + 帧尾；终端机回复数据格式：帧头 + 终端机编号 + 温度码 + 湿度码 + 漏水标志位 + 帧 尾。帧头为 0xA5，终端机编号 1 个字节，温度码、 湿度码各 2 个字节，漏水标志位 1 个字节，帧尾为 0x5A。控制台收到数据后按格式解码即可。 部分程序代码如下：

void decode（）// 解码程序

{

if（Rec_Buff[0]==0xA5&&Rec_Buff[7]==0x5A）

// 确定帧头 0xA5，帧尾 0x5A

{

Zhongduan_ID =Rec_Buff[1]；

// 读终端机编号

Wd=（（Rec_Buff[2]<<8）|Rec_Buff[3]）；

Sd=（（Rec_Buff[4]<<8）|Rec_Buff[5]）；

Wendu[Zhongduan_ID]=（175*（float）

Wd/65535-45）；

// 解码温度

Shidu[Zhongduan_ID]=（100* （float）Sd/

65535）；

// 解码湿度

Loushui[Zhongduan_ID]=Rec_Buff[6]；//

读取漏水信息

}

}

3.2 警报机制

警报功能是系统的一个核心功能，系统警报类 型包括两种：①环境异常警报，是指终端机检测 到采样点温湿度超过设定阈值或者有漏水的情况； ②终端机响应异常，是指控制台查询终端机数据而 终端机超时无响应的情况。

图 6 为控制台程序流程，当监测到异常时，控 制台发出警报，并且显示异常种类、异常终端机编 号、异常发生时间，这样工作人员就可以迅速到达 故障点排除安全隐患。

系统设定中，异常警报只能手动解除，如果设 置警报自动解除功能，可能会错过偶发的故障。无 论发生哪种异常，如果不处理都会留有隐患，甚至 可能酿成事故，系统不能充分发挥警报作用。因此 警报一旦触发，警报声会一直存在，直到工作人员 排查完问题后，手动操作确认解除警报。

4 结论

本系统可以有效监测机房环境，提醒工作人员排查隐患，其适用于 24 h 有人值守的机房。本系统 存在进一步优化的空间，例如，更换拨码开关可以 使系统挂载更多终端机，添加网络通信模块可以实 现多级警报和远程提醒功能。但是整体来说，本系 统能够在降低工作人员工作强度的同时，极大地提 升故障发现速度。

参考文献

[1] 杨德权 . 融媒体中心电视播控发射机房动力和环境监测 系统设计 [J]. 移动信息，2023，45（9）：244-247.

[2] 何颖 . 基于 nRF24L01 的无线气象数据采集系统 设计 [J]. 微型电脑应用，2023，39（9）：30-32， 41.

[3] 罗亚斌 . SHT11 与 SHT30 的兼容性设计 [J]. 自动 化应用，2023，64（2）：1-3.

[4] 俞建军 . 一种用数字电路设计的水传感器 [J]. 电子测 试，2022，36（17）：22-24.

[5] 万国春，司玉栋，童美松 . 基于组态设计的车用 RGB-LED 觸控实验系统 [J]. 实验室研究与探索， 2021，40（9）：16-20.