网络机柜微环境智能监控系统设计.pdf

第 4 2卷 第 4期 2 0 1 6年 4月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 4 Apr ．2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 4 0 0 7 7 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 ～ 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 4 ． 0 1 9 周立人， 公茂法 ， 公政 ， 等． 网络机柜微环境智能监控系统设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 4 7 7 ～ 8 0 ． 网络机柜微环境智能监控系统设计 周 立人 ， 公茂 法 ， 公 政 ， 姜 文。 ， 宋祥 民 1 ． 山东科技大学 电气与 自动化工程学院，山东 青岛 2 6 6 5 1 0 ； 2 ． 国网山东电力潍坊供 电公司 ，山东 潍坊2 6 1 0 0 0 摘要 为提高网络机柜的故障预警处置能力， 设计了网络机柜微环境智能监控 系统。该 系统通过安装在 机柜 上的嵌 入 式终 端采集 电 能和非 电能信 息并 通过 以太 网传 输 至 We b服 务 器 。采 集信 息异 常或 机 柜 故 障 时， 终端智能报警并发送短信提示异常情况。试验结果表 明， 该 系统对异常和故障定位迅速 准确 ， 远程控制 功能稳 定 可靠 。 关 键词 网络 机柜 ； 微 环境 ；智能监 控 中图分类号 T D6 1 1 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 4 0 5 1 1 3 5 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 4 0 5 ． 1 1 3 5 ． 0 1 9 ． h t ml De s i g n o f mi c r o e n v i r o n me nt i n t e l l i g e n t mo n i t o r i ng s y s t e m o f n e t wo r k c a bi n e t Z HOU L i r e n ， GONG Ma o f a ， GONG Zh e n g 。 ， J I ANG W e n ， S ONG Xi a n g mi n 1 ． C o l l e g e o f E l e c t r i c a l En g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n，S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， Qi n g d a o 2 6 6 5 1 0 ，Ch i n a ； 2 ． S t a t e Gr i d S h a n d o n g W e i f a n g El e c t r i c P o we r Co mp a n y ，W e i f a n g 2 6 1 0 0 0，Ch i n a Abs t r a c t To i m p r o v e t he a b i l i t y o f ne t wo r k c a b i n e t t o d e a l wi t h e a r l y wa r ni n g a n d f a i l ur e ， a 收藕 日期 2 0 1 5 1 1 0 6 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 2 1 5 ； 责任编辑 胡娴 。 基金项 目 山东省 自然科学基金项 目 Z R 2 0 1 2 E E MO 2 1 。 作者简介 周立人 1 9 9 z 一 ， 男 ， 山东邹城人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为电力系统及其 自动化 ， E - ma i l 6 1 7 2 0 9 0 6 9 q q ． c o m。 表 1 不 同采样频率得 到的采样 结果及 误差 中使用 ， 实现了 8通道同步传感器数据采集 ， 采样速 率达到 3 5 k Hz 。如果提高 AD转换器速率， 系统 的 采样速率可以进一步提高。 参考文献 [1] [2 ] [3 ] 杨海燕 ， 岳建华 ．矿 井 瞬变 电磁 法理论 与 技术研 究 E M] ．北京 科学 出版社 ， 2 0 1 5 ． 陆菜 平 ， 窦林 名 ， 吴 兴荣 ， 等．岩体 微震 监 测 的频 谱 分析与信号 识 别 l- J ] ．岩 土工 程 学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7 7 7 7 2 7 75 ． 余芳芳 ， 郭来功 ， 李 良光．基于 S T M3 2 F 4 0 7的微震 信 [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] [9] [ 1 0 ] 息采集 系 统 设 计 [ J ] ．工 矿 自动 化 ， 2 0 1 4 ， 4 0 7 9 - 1 2 ． 秦鸿 刚 ， 刘京科 ， 吴迪． 基于 F P G A的双 口 R AM 实 现 及应用[ J ] ． 电子设计工程， 2 0 1 0 ， 1 8 2 7 2 7 4 ． 贺孟 ， 苏永海．基于 F P G A 的实 时多通道 DMA系统 设计l- J ] ．成都 大学学 报 自然科 学 版 ， 2 0 1 5 ， 3 4 3 2 80 28 4． 严 建峰 ， 吴宁．基 于 P C I 总线 的 DMA 高速数 据传输 系统 [ J ] ．电子科技大学学报 ， 2 0 0 7 ， 3 6 5 8 5 8 8 6 1 ． 王俊 ， 郑焱 ， 王红 ， 等．基 于 D MA 的并行数 字信号 高 速采集系统[ J ] ． 电子技术应用 ， 2 0 1 0 ， 3 6 3 4 2 4 4 ． 单 天昌 ， 陆达 ． 基 于 F P G A 的 P C I 接 口 D MA 传输 的 设计与实现 [ J ] ． 计算机技术与发展， 2 0 1 0 ， 2 0 4 21 5 21 9． 龙 再 川 ， 赵 凯 生 ， 洪 明坚 ， 等．A RM 系 统 中 DMA 方式在数据采集 中的应用 [ J ] ． 国外 电子元器件， 2 0 0 7 2 6 6 - 6 9 ． 梁科 ， 李 国峰 ， 王锦 ， 等．通用 多通道 高性能 D MA 控 制器设计 [ J ] ． 天津大学学报 ， 2 0 0 8 ， 4 1 5 6 2 1 6 2 6 ． 7 8 工 矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 mi c r o e n vi r o n m e n t i nt e l l i g e nt m o n i t o r i ng s ys t e m o f ne t wo r k c a b i ne t was de s i gne d． The s y s t e m i n s t a l l s e m be dd e d t e r m i n a l i n t h e c a b i ne t ，c o l l e c t s po we r a nd n on - p owe r i n f or ma t i on a n d t r a n s m i t s t o W e b s e r v e r v i a Et he r n e t ．W he n c ol l e c t i ng i nf or ma t i o n wa s a bn or ma l or c a bi ne t f a u l t oc c u r s． t he t e r mi na l c a n a l a r m i nt e l l i ge nt l y a n d s e nd SM S t i ps t o r e m i n d a bno r ma l s i t ua t i on． The e xp e r i m e nt a l r e s u l t s s ho w t ha t t he s y s t e m c a n q ui c kl y a nd a c c ur a t e l y l o c a t e a bn o r ma l a n d f a i l ur e，a nd i t s r e m o t e c o nt r o l f un c t i on i s s t a bl e a nd r e l i a bl e ． Ke y wo r d s n e t wor k c a b i ne t ；mi c r o e nv i r o nme n t；i n t e l l i g e nt mon i t o r i ng 0 引言 目前 ， 传统的机房监控系统把重点放在对大环 境类 和动力类设备 的监控之上， 忽视了对机柜 内部 环境 的监控。机 柜内部安装有大 量 的 I T设 备 ， 这 些设备是机柜的核心所在 ， 也是机房的心脏部位， 监 控好 机 柜 内部微 环境 ， 包 括 温度 、 湿度 、 电能参 数 、 开 关 状态 、 烟 雾浓 度等 指数 变化 ， 出现异 常情 况 时发 出 预警信号 ， 可把故障隐患排除在早期 。本文秉持 网 络机房“ 无人值守” 的设计理念[ 1 ] ， 以机柜内部微环 境为研究对象 ， 设计 了网络机柜微环境 智能监控 系 统 ， 旨在推动监控系统的精 细化 、 微小化建设 ， 提升 监 控效 能 。 1系统 总体结 构 网络 机柜 微环 境智 能监 控 系统 总体 结 构如 图 1 所示。机房中的每个机柜都安装有嵌入式终端 ， 终 端全面采集机柜内部 的电能和非电能信 息， 并经多 功能交换机 ， 利用以太网信道将信息传输至 We b服 务器。系统采用 B ／ S架构网络管理模式， 支持多用 户多权 限机制 ， 监控站人员可以用计算机、 平板或手 机 中的标准浏览器 ， 在任何时间、 不受地域限制地对 各个机柜状态进行监控 。当发生故障时， 终端发 出 声光报警和短信提示 ， 监控站人员根据短信提示进 入相应机柜监控界面 ， 该界面 自动跟踪到故障处数 据监视界面， 通过数据分析操作开关设备 ， 远程切除 故障 ， 保护柜内以及机房 内其他设备安全 。数据库 服务 器不 仅 可 以协 调 不 同 We b服务 器 S QL请 求[ 2 ] ， 还统一管理终端上传的监测与故障信息 ， 配合 网络打印机的故障分析 图表定时上报功 能， 使 系统 具有告警冗余机制 ， 减少事故漏报率 ， 有利于后期对 故障进行追溯 。 2系统硬 件设 计 2 ． 1嵌 入 式终 端硬件 结 构 嵌 入 式 终 端 硬 件 结 构 如 图2 所 示 。 S T M3 2 F 1 0 3 Z E T 6为 主控 芯 片 ， ATT7 O 2 2 B三 相 电 图 1 网络机柜微环境智能监控 系统总体结构 能专 用计 量 电路 监 测 机 柜 2路 电 源 交 流 输 入 的 电 压、 电流 、 频 率 、 有 功 及 无 功 功 率 等 三 相 电 能 信 息[ 3 。 ] 。为 了防止机柜局部过热 ， 设置多路 DHT1 1 传感器监测柜 内温度 、 相对湿度数据 ； MQ一 2烟雾 传 感 器 采 集 烟 雾 浓 度 信 号，信 号 放 大 后 由 S TM3 2 F 1 O 3 z E T6自带的 A／ D通道转换 成数字信 号【 5 ] ， 并 与 阈值 进行 比较 ， 预 防火 灾 。读 卡器读 取 门 禁卡的 NF C标签 ， P N5 3 2模块借 助天线接 收射频 信号 ， S TM3 2 F 1 0 3 Z E T6分析解码调制后的数据 ， 实 现门禁功能[ 6 ] 。F L AS H W2 5 X1 6实现掉 电保护功 能 ， S D 卡分 类 存储 包 括 历史 数 据在 内的大 文 件 信息 。 叫P N 5 3 2 模 块 晶 振 模 块 卜 --I M o 烟 雾 传 感 器 开 关 监 控 模 块 嚣}． - 三 相 开 门 狗 复 1 ． * 4 E N C 2 8 , 6 0 网 络 接 口 电 能 电 能 位 等 电 路r 采样 专用 主控 电路 计量 芯片 一S I M9 0 0 A 嚣 电 路 ●● r s Pl 通 信 b - 蜂 鸣 器 和 L E D LC D ● ● 一 电源 电路 - 4 D H T I 1 传 感器 S D卡和W2 5 X1 6 图 2 嵌入式 终端硬件结构 S TM3 2 F 1 0 3 Z E T6 通 过 外扩 的 E NC 2 8 J 6 0网络 接 口将监测到的信息上传至 we b服务器 ， 供监控 站人员监视 ， 当故障发生时 ， 进行声光报警 ， 并控制 2 0 1 6年第 4期 周立人等 网络机柜微环境智能监控 系统设计 7 9 S I M9 0 0 A模块发送短信提示 ， 监控站人员可通过 We b监控界面远程切除故障。 2 ． 2 电能采样 电路 虽然现在机柜都 是双 电源供 电， 但 电源质量监 测仍然是网络机柜微环境监控系统的重点 。通常网 络机柜电源的最大输入 电流分配是 1 O ， 1 6 ， 3 2 A或 6 3 A； 最大输入电压分配是 1 1 0 ， 2 2 0 V或 3 8 0 V， 可 直接与 ATT T 0 2 2 B三相 电能 专用计 量 电路相 连。 对于特殊高电压等级 的网络机柜， 可在机柜 电源输 入 端接 电压互 感器 P T和 电流互 感器 C T， 按 国家 规 定将一次侧高电压、 大电流转换 为二次侧 1 0 0 V测 量 电压 、 5 A 测 量 电 流 ， 便 于 ATT7 0 2 2 B 三 相 电能 专用计量 电路计量 ， 同时要注意 P T二次侧不能短 路 ， C T二次侧不能开路 。 2 2 0 V， 5 A 等级 电能 采样 电路 如 图 3所 示 。 电 能采样原理 大电压、 大电流信号分别间接或者直接 通过不同变 比的电流互感器转换为小 电流信号， 然 后 经取样 电阻取样 ， 最 后 通 过 抗 混叠 滤 波 电路 滤 波 进入 ATT7 0 2 2 B A／ D通 道 l_ 9 ] 。 ATT 7 0 2 2 B手 册 规 定 电压 A／ D通 道 期 望 电压 为 0 ． 5 V， 电流 A／ D 通 道 期 望 电压 为 0 ． 1 V。 以 A相为例， 为 保证 电能计 量 精 度， 可 根据 式 1 、 式 2 自行设计各种机柜电压、 电流监测等级电能采 样电路。 一 1 2 一 2 ／ X 1 式中 U 为 电压等级 ； A为电流等级 ； t ， t 分别 为 T 和 T 的 电流 变 比 。 图 3电能采样 电路 3系统 软 件设计 3 ． 1 主 程 序 u C ／ OS I I I 系统 具有 严格 的及 时事 件 响应 和极 好的稳定性能 ， 非常适用于网络 机柜微环境监控系 统 。 将u c ／ o s I I I 多 任 务 系 统 移 植 进 s TM3 2 F 1 O 3 z E T6 ， 为监 控系统各个功能程序创建 任务块， 并根据任务类型设置优先级。任务量的大 小决定分配堆栈的大小 ， 任务统一 由调度器管理 ， 并 且中断也交 由 u C ／ OS I I I 系统使能和除能 。由 于 S T M3 2 F l 0 3 Z E T 6内核速度 限制 ， 设 置 系 统 时钟 频率 为 1 Hz ， 即任务 最 小 时 间调 度 间 隔为 1 ms ， 当 遇到需要延时低于 1 ms的程序语句时， 需要暂时关 闭 系统调 度功 能 。系统 主程 序流 程 如图 4所示 。 嵌入式终端 i C ／ O S - I I I 系统 LCD 显示 进程 门禁 功能 进程 烟雾 监测 进程 短信 报警 进程 3 ． 2嵌入 式终 端 W e b服 务 器程序 要实 现 以 太 网通 信 ， 必 须 处 理 好 每 一 层 的 TC P ／ I P协议 ， 这 里通 过裁 剪移 植 1 ． 3 ． 2版本 的 L wl P轻量级 协议 栈进 S TM3 2 F 1 0 3 Z E T 6 ， 由 u c ／ O S I I I 系统管理调度 。L w I P网络应用层接 口函数 采用 B ／ S架构 ， 即浏览器／ 服务器方式设计 ， 这种 函 数被称为 AP I 函数 ， 非常适合在 c ／ os I I I 系统基 础上 开发 川。 每个 机 柜 装设 的嵌 入 式 终端 本 身 就是 一 个 We b服务器 ， 绑定有 自己的 I P， 工作人员通过不 同 的 I P选择要访 问的嵌入式终端 ， 通过浏览器监控界 面向 S T M3 2 F 1 0 3 Z E T6发送 HT TP协议 头信 息 ， “ GE T” 和“ P O S T” 请求索 取或修改 we b服务器 中 的数据 ， 其 中， “ G E T” 请 求 把表 单 数 据显 式 存 在 8 0 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 UR I 里， 对长度和数据值编码有 限制 ， “ P OS T” 请求 把表单数据放在 HT TP请求体 中， 对 长度无 限制 。 当 s TM3 2 F 1 O 3 z E T6监测到故障数据 ， 立即回传故 障数据所在 的网页信息 ， 便 于故 障及时处理。简化 的嵌入式终端 we b服务器程序流程如图 5所示 。 L wI P 初始化 创建 T C P 连接 二] 绑定I P和端口 主 执行其他进程 I 接 收 数 据 包 l 根据接收数据执 l 【 行相应函数响应 I L ] 回传相应网页信息 发送 H T T P 协议头 类型为 n Co n t e n t - ty p e t e x t ／ h tml 发送 以数组形式存储 的 H T ML网页信息 图 5 简化 的嵌入式终端 We b服务器程序流程 4试验 验证 4 ． 1 故 障报 警监 控界 面跟 踪切 换功 能验证 1号机柜 2 2 0 V电源输入侧装设有低压漏电塑 壳断路器 ， 型号为 D Z 4 7 L E一 6 3 1 P ／ 1 6 A， 额定 电流 为 1 6 A。设置电源输入电流 阈值为 8 O ％的额定 电 流值 ， 即 1 3 A。利用 S T9 0 0 1 D 5 3三 相 电能整定 装 置往 A相 输入 1 5 A 电流 ， 电流超 过 阈值 ， 终 端 的蜂 鸣器响 ， L E D红灯亮 ， 并 收到短信通知。根据短信 提示 ， 在 I E浏览器界 面输入故障 1号机柜的 I P地 址 1 9 2 ． 1 6 8 ． 1 4 0 ． 1 8 ， We b页面越过主界面 ， 直接跳 转到 A相故障数据参数监测界面 ， 在该界面还可以 监测其他 电能和非 电能数据 。试验证明故障跟踪界 面切换功能正常 ， 电压 、 电流有效值计 量精度达到 0 ．5 s。 4 ． 2远 程切 除故 障功 能验证 由于试验设备有限， 用继 电器开关和 L E D灯模 拟断路器对远程切除故障功能进行验证。模拟A相 电流为 1 5 A， 该值十分接近电源进线端断路器额定 电流值 ， 为了保护柜 内重要 I T设备 ， 将故障威胁降 到最低 ， 应断开断路器 ， 切换到备用电源回路。以断 路器断开操作为例 ， 在 D Z 4 7 L E 一6 3 1 P ／ 1 6 A 断路 器控制界面选择“ 断开断路器” 选项， 点击“ 控制” 按 钮 ， 继电器动作 ， L E D亮 ， 开关监控模块 回传开关状 态信息 ， 在界面上显示断路器状态为“ 断开” ， 验证 了 远程切除故障功能正常。 5 结 语 设计了机房机柜内部微环境监控 系统 ， 对现有 机房监管系统进行有益补充和改善 ， 推动监控对象 由宏 观大环 境 向微环 境转 变 ， 符 合 监控 系统智 能化 、 精细化发展要求 。试验结果表 明， 该监控系统监测 数据全面精准 ， 模拟故障监控界面智能切换到位 ， 报 警提示及时， 这不仅提高 了对机柜故障的快速反应 处置能力 ， 而且对机房完全实现无人值守、 提升安全 监管 品质 具有 深远 的意 义 。 参考文献 [1 ] 张骐 ， 潘涛 ， 王吴． 基 于物联 网的煤 矿安 全管理平 台研 究E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 o 1 5 ， 4 1 1 0 4 9 5 2 ． [ 2] 刘青云 ， 肖铁军 ， 马学文 ， 等．嵌入式 we b服务及其 在 远程实验 中 的应 用 [ J ] ． 微 电 子学 与 计 算 机 ，2 0 1 4 ， 3 1 8 8 5 8 9 ． [3 ] 梁敬敬， 公茂法， 董志春， 等． 多功能智能电力监测仪 [ J ] ． 电气 自动化设备 ， 2 0 0 9 ， 3 1 3 6 9 7 1 ． [ 4] 谭 成 宇．矿 用 断 电控 制 器 的 设 计 l- J ] ． 煤 矿 安 全 ， 2 0 1 5， 4 6 1 0 1 1 7 - 1 1 9 ． [ 5] 单春艳， 章平， 张同翰．基于 S TM3 2的学生宿舍烟雾 检测 器 设 计 [ J ] ． 工 业 控 制 计 算 机 ， 2 0 1 4 ， 2 7 4 1 49 1 5 0． [6 ] 陈俊杰 ，朱志 杰 ，温耀 军．基于 P N5 3 2的接触 式 和 非接触 式读 卡器 设 计 E J ] ． 电 子技 术 应 用 ， 2 0 1 0 ， 3 6 5 1 0 9 1 1 2 ． [7 ] 张庆辉 ，马延立．S TMg 2 F 1 0 3 V E T6和 E NC 2 8 J 6 0的 嵌入式以太网接口设计[ J ] ．单片机与嵌入式系统应 用 ，2 0 1 2 ， 1 2 9 2 3 2 5 ． [ 8] 王铁流 ， 冯正乾 ， 周 尚． 基于 S I M9 0 0的无线 远程海 洋 监测终端机 的设计[ J ] ． 电子测量技 术 ， 2 0 1 2 ， 3 5 1 2 l 08 1 1 1． [ 9] G O NG M F，L I U B Q，WAN G W S ，e t a 1 ． De v e l o p me n t o f n e w s ma r t me t e r wi t h o p t i mi z e d p o we r l i n e c o mmu n i c a t i o n mo d u l e[ J ] ．Ad v a n c e d M a t e r i a l s Re s e a r c h，2 0 1 4 ，9 4 5 9 4 92 1 6 O 一 2 1 6 4 ． E l O ] 朱静 ， 韩 云飞 ， 龚 红琴 ， 等．基 于以太 网维吾 尔语 家 电控制系统设计I- j ] ．现代电子技 术 ， 2 0 1 5 ，3 8 1 8 14 1 1 4 3． [ u] 包建军 ， 徐炜 ， 罗克． 基于 L WW 的煤矿数字语音 对讲 终端 的设计 F J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 1 ， 3 7 1 2 1 1 1 4 ．