對于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（以下簡稱IDC）來說，良好的環(huán)境狀態(tài)是保證設備正常運轉(zhuǎn)的條件，而對IDC環(huán)境狀態(tài)的檢測是使其保持良好環(huán)境的重要措施[1-5]。根據(jù)電子信息系統(tǒng)IDC設計規(guī)范(GB50174-2008)，開機時，IDC設備最優(yōu)的環(huán)境是溫度為22～24 ℃，相對濕度為40％～55％；停機時，IDC設備環(huán)境要求是溫度為5～35 ℃，相對濕度為40％～70％。因為IDC的不間斷供電系統(tǒng)（UPS）工作時會釋放出氫氣,可能發(fā)生爆炸或火災等安全隱患，所以為了保證IDC設備的安全運行，除了溫度和濕度的檢測外，還需檢測IDC的空氣中氫氣密度和煙塵濃度。

    系統(tǒng)還可以通過無線通信網(wǎng)絡將檢測信息與工作人員時刻保持聯(lián)系。
1 IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)的總體設計
    IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)的結(jié)構如圖1所示，主要由四部分組成：數(shù)據(jù)采集、STM32主板、無線通信和觸摸屏。

1.1 數(shù)據(jù)采集
    IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)采集環(huán)境的溫度、濕度和空氣中氫氣密度、煙霧濃度。
   由于IDC的空間較小，本系統(tǒng)檢測該空間4個點的溫濕度。系統(tǒng)選用溫濕度一體傳感器DHT21，DHT21的溫度測量范圍是-20 ℃~+60 ℃，分辨率為0.1 ℃。DHT21濕度測量有效范圍是20~90％RH，當溫度控制在25 ℃左右恒溫時，精度可達到±3％RH。DHT21是數(shù)字傳感器，DHT21與CPU之間單通道串行通信， 傳送距離在20 m以上[6]。
　普通的環(huán)境檢測系統(tǒng)只針對空氣中的溫度測量，由于IDC設備局部空氣不流通引起的溫度失常則是無法檢測到的。IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)選用8路AD590溫度傳感器，專用于檢測容易發(fā)生異常的設備的溫度。AD590是單片集成兩端感溫電流源，輸出恒流模擬信號，接線的長短不會影響檢測到的溫度值，這樣傳感器可以安放在機房內(nèi)的任何位置。AD590的測溫范圍為-55 ℃~+150 ℃，在測量范圍內(nèi)，非線性誤差僅為±0.3 ℃。
    因為空氣中氫氣和煙霧密度異常的可能性較小，且檢測精度要求較低，所以系統(tǒng)只設1路氫氣密度和1路煙霧密度的測量。可以選用電壓模擬信號的傳感器,這樣便于軟件編程和電路設計。系統(tǒng)分別選用MQ-2和MQ-8這兩個空氣質(zhì)量傳感器。

1.2 無線通信
    IDC環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用TC35短消息模塊實現(xiàn)無線通信，TC35短消息模塊通過RS-232標準接口與STM32通信，通過移動通信網(wǎng)絡與工作人員的手機進行通信。工作人員不必時刻守著機房，不僅減少了IDC設備對工作人員的輻射量，同時可以騰出時間做其他工作，提高了工作人員的利用率。
1.3 觸摸屏
    觸摸屏的作用是顯示系統(tǒng)的工作信息，對整個系統(tǒng)功能進行調(diào)試設置。通過RS-232標準接口與STM32通信。
1.4 STM32主板
    STM32是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心。機房內(nèi)用電設備眾多，可能會產(chǎn)生多種信號干擾。為了保證CPU的工作正常穩(wěn)定，必須選用安全可靠的處理芯片并對CPU進行電路隔離與信號屏蔽。
    本系統(tǒng)是基于ARM體系型號為STM32F103RBT6微處理器進行設計的。STM32F103RBT6包含2個12 bit的ADC,分12個I/O通道，不需要外部輔助硬件就能實現(xiàn)多路傳感器同時提取數(shù)據(jù)；具有3個USART，滿足液晶及遠程控制部分的串行通信。
2 STM32主板的電路設計
    STM32主板的電路設計主要分為傳感器DHT21的電路設計、傳感器AD590的電路設計、空氣質(zhì)量傳感器MQ-2與MQ-8的電路設計和RS232通信電路的設計。
2.1 傳感器DHT21的電路設計
    DHT21是數(shù)字傳感器，DHT21與STM32之間單總線串行通信。DHT21與STM32之間選用單通道的高速光耦合器6N137（如圖2所示）。IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)共有4路溫濕度一體傳感器DHT21，分別連接到STM32的4個普通I/O口。

2.2 傳感器AD590的電路設計
　    AD590的信號轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。AD590輸出電流以絕對溫度零度（-273℃）為基準，每增加1℃，它會增加1 μA輸出電流。在室溫23℃時，其輸出電流Io=（273+23）=296 μA。Vo的值為Io乘上10 K，以室溫23℃而言，輸出值為10 K×298 μA=2.96 V 。當溫度在-55 ℃~+150 ℃內(nèi)變化時，AD590輸出是2.18 V~4.23 V的電壓信號,通過差分放大電路,把信號調(diào)整到0.18 V~2.23 V。然后通過AD7741把電壓模擬信號轉(zhuǎn)換成相應的頻率信號，經(jīng)光電隔離，最后連接到STM32的ADC采樣引腳。

    IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)共有8路溫度傳感器AD590。為了減少AD590的信號轉(zhuǎn)換電路，IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)對8個溫度傳感器AD590采用掃描的方式讀數(shù)。通過CD4028依次對8個溫度傳感器供電，再通過CD4051依次連接8個溫度傳感器到模擬信號轉(zhuǎn)換電路。這里STM32輸出到CD4051和CD4028的信號速度較慢，選用光電隔離元件TLP521就可以滿足要求。
2.3 傳感器MQ-2和MQ-8的電路設計
    空氣質(zhì)量傳感器MQ-2和MQ-8輸出電壓模擬信號，它們的工作原理相同，這里以MQ-2為例設計電路。因為只有1路MQ-2，所以MQ-2可安裝在STM32主板上,不需使用光電隔離，MQ-2的輸出信號直接到STM32的ADC口上。RS的變換范圍是5 kΩ～20 kΩ，R1=5 kΩ，這樣輸出點的電壓范圍是1 V～2.5 V。
2.4 RS-232通信的電路設計
    TC35和觸摸屏的通信都是RS-232標準接口與STM32通信，IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)選用MAX232芯片實現(xiàn)兩路TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換。
3 STM32的軟件設計
    根據(jù)IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)的工作要求，設計STM32的主程序流程圖如圖4所示。

    STM32的軟件設計主要包括3個部分：傳感器數(shù)據(jù)的采集、與TC35模塊的通信以及與觸摸屏的通信。
3.1 STM32采集傳感器數(shù)據(jù)的軟件設計
3.1.1 DHT21數(shù)據(jù)的采集[7-8]
    STM32與 DHT21之間的通信采用單總線數(shù)據(jù)格式, 一次通信時間5 ms左右, 一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit,高位先出。數(shù)據(jù)格式為：濕度高8 bit+濕度低8 bit+溫度高8 bit+溫度低8位+校驗和8 bit。
    首先初始化STM32的I/O口，使之作為推拉式輸出，輸出18 ms以上的低電平，然后輸出20~40 μs的高電平。然后改變I/O口為上拉式輸入， DHT21會發(fā)送80 μs的低電平,說明DHT21發(fā)送響應信號,DHT21發(fā)送響應信號后,把總線拉高80 μs,準備發(fā)送數(shù)據(jù),每一位數(shù)據(jù)都以50 μs低電平時隙開始,高電平的長短確定了數(shù)據(jù)位是0還是1，高電平時間為26~28 ?滋s表明該數(shù)據(jù)為0，高電平時間為70 μs表明該數(shù)據(jù)為1。
3.1.2 AD590數(shù)據(jù)的采集
    IDC共有8路AD590,采用循環(huán)掃描的方式。首先CD4028的地址引腳DCBA輸入0001,CD4051的地址引腳CBA輸入001,抬高CD4051的輸入使能引腳INH電平，這樣開通AD590_1，然后等待200 ms,預熱AD590，最后讀取一定時間AD7741的脈沖次數(shù)。所讀取AD7741的次數(shù)反映AD590檢測溫度的大小,這樣即讀完一路AD590檢測的溫度值。通過改變CD4028和CD4051的地址重復上述步驟，依次讀取8路AD590檢測的溫度值。
3.1.3 MQ-2和MQ-8數(shù)據(jù)的采集
    MQ-2和MQ-8輸出的是電壓信號，STM32可以直接通過帶有復用功能ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）的I/O口，把電壓模擬信號轉(zhuǎn)換成12位數(shù)字信號，通過STM32內(nèi)部集成DMA控制器，把ADC讀取的數(shù)字信號傳輸?shù)絊TM32內(nèi)存，每次需要傳輸200個數(shù)據(jù)，并求平均值，這樣可以保證最后輸出的空氣中氫氣密度和煙霧濃度值穩(wěn)定。
3.2 STM32與TC35模塊通信的設計[8]
　　使用TC35模塊前，要在TC35模塊上插入一張SIM卡，確定TC35模塊連接上移動網(wǎng)絡。STM32與TC35模塊之間是通過串口通信的。首先STM32向TC35模塊發(fā)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：英文方式發(fā)送）。初始化之后，如果TC35模塊接收到信，向STM32發(fā)送指令：+CMTI:“SM”,1（表示有短信接收，存在SIM卡的第1個位置）；此時STM32向TC35模塊發(fā)送指令：AT+CMGR=1；（指令功能：讀取SIM卡的第一個位置的短信）；然后STM32會接收到：+CMGR:“REC UNREAD”,“+8613*********”,“10/06/07,15:02:08+32”（表示短信未讀，短信來源號碼，接收時間）；abc（表示短信內(nèi)容）；STM32接受到任何短信，識別短訊來源號碼是否是事先設定的號碼，如果是，則發(fā)送：AT+CMGS=“13*********”（功能：向設定好的號碼發(fā)送短信）；STM32等待TC35回復，等收到回復后，發(fā)送IDC環(huán)境數(shù)據(jù)信息：ab****** （IDC環(huán)境數(shù)據(jù)）；STM32發(fā)送信息結(jié)束標識：1A；STM32收到指令：+CMGS：11（IDC環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送成功）。
3.3 STM32與觸摸屏通信的軟件設計[9]
    觸摸屏用來顯示IDC環(huán)境數(shù)據(jù)和設置對應環(huán)境值的安全范圍。首先要把設計好的背景圖片存儲在觸摸屏的Flash里面，存入觸摸屏的控制程序（此程序設定觸摸屏按鍵代碼）。
    STM32控制觸摸屏的主要代碼如下：
    AA 52 CC 33 C3 3C（清屏指令）
    AA 70 01 CC 33 C3 3C(背景圖片選擇指令,其中01表示圖片的地址)
    AA 53 00 80 00 F0 32 32 46 35 CC 33 C3 3C（在溫度后面顯示22.5，其中00 80 和00 F0是顯示文字的坐標，32 32 46 35是22.5的ASCII碼）
    觸摸屏按鍵返回碼：
    AA 71 00 01 CC 33 C3 3C(其中00 01表示鍵碼)
    通過實際測試IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)檢測到的環(huán)境溫度、濕度和空氣中氫氣密度、煙霧濃度數(shù)值穩(wěn)定，精度符合要求，通過移動通信網(wǎng)絡，管理人員就可以隨時查看IDC環(huán)境狀況,減輕了IDC工作人員的負擔。IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)的優(yōu)勢已經(jīng)得到體現(xiàn)，幫助解決了很多IDC環(huán)境保障問題，對同類檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)也有一定的參考價值。
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