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(shè)備正常運(yùn)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(shè)計(jì)規(guī)范(GB50174-2008),，開機(jī)時(shí),，IDC設(shè)備最優(yōu)的環(huán)境是溫度為22～24 ℃，相對濕度為40％～55％；停機(jī)時(shí),，IDC設(shè)備環(huán)境要求是溫度為5～35 ℃,，相對濕度為40％～70％。因?yàn)镮DC的不間斷供電系統(tǒng)（UPS）工作時(shí)會(huì)釋放出氫氣,可能發(fā)生爆炸或火災(zāi)等安全隱患,，所以為了保證IDC設(shè)備的安全運(yùn)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(luò)將檢測信息與工作人員時(shí)刻保持聯(lián)系,。
1 IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
    IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(gè)點(diǎn)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(dāng)溫度控制在25 ℃左右恒溫時(shí),，精度可達(dá)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(shè)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(shè)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(huì)影響檢測到的溫度值，這樣傳感器可以安放在機(jī)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?yàn)榭諝庵袣錃夂蜔熿F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(shè)1路氫氣密度和1路煙霧密度的測量?？梢赃x用電壓模擬信號的傳感器,這樣便于軟件編程和電路設(shè)計(jì),。系統(tǒng)分別選用MQ-2和MQ-8這兩個(gè)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(shí)現(xiàn)無線通信,，TC35短消息模塊通過RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口與STM32通信,，通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與工作人員的手機(jī)進(jìn)行通信。工作人員不必時(shí)刻守著機(jī)房,，不僅減少了IDC設(shè)備對工作人員的輻射量,，同時(shí)可以騰出時(shí)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(gè)系統(tǒng)功能進(jìn)行調(diào)試設(shè)置。通過RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口與STM32通信,。
1.4 STM32主板
    STM32是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心,。機(jī)房內(nèi)用電設(shè)備眾多，可能會(huì)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(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)的,。STM32F103RBT6包含2個(gè)12 bit的ADC,分12個(gè)I/O通道,，不需要外部輔助硬件就能實(shí)現(xiàn)多路傳感器同時(shí)提取數(shù)據(jù)；具有3個(gè)USART,，滿足液晶及遠(yuǎn)程控制部分的串行通信,。
2 STM32主板的電路設(shè)計(jì)
    STM32主板的電路設(shè)計(jì)主要分為傳感器DHT21的電路設(shè)計(jì)、傳感器AD590的電路設(shè)計(jì),、空氣質(zhì)量傳感器MQ-2與MQ-8的電路設(shè)計(jì)和RS232通信電路的設(shè)計(jì),。
2.1 傳感器DHT21的電路設(shè)計(jì)
    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(gè)普通I/O口,。

2.2 傳感器AD590的電路設(shè)計(jì)
　    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(zhǔn)，每增加1℃,，它會(huì)增加1 μA輸出電流,。在室溫23℃時(shí),，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(dāng)溫度在-55 ℃~+150 ℃內(nèi)變化時(shí),，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(yīng)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(gè)溫度傳感器AD590采用掃描的方式讀數(shù)。通過CD4028依次對8個(gè)溫度傳感器供電,，再通過CD4051依次連接8個(gè)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(shè)計(jì)
    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(shè)計(jì)電路,。因?yàn)橹挥?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(diǎn)的電壓范圍是1 V～2.5 V,。
2.4 RS-232通信的電路設(shè)計(jì)
    TC35和觸摸屏的通信都是RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口與STM32通信,，IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)選用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)兩路TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換。
3 STM32的軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)IDC環(huán)境檢測系統(tǒng)的工作要求,，設(shè)計(jì)STM32的主程序流程圖如圖4所示,。

    STM32的軟件設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)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(shè)計(jì)
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(shí)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(yàn)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(huì)發(fā)送80 μs的低電平,說明DHT21發(fā)送響應(yīng)信號,DHT21發(fā)送響應(yīng)信號后,把總線拉高80 μs,準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù),每一位數(shù)據(jù)都以50 μs低電平時(shí)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(shí)間為26~28 ?滋s表明該數(shù)據(jù)為0,，高電平時(shí)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(yù)熱AD590,，最后讀取一定時(shí)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(fù)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(fù)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(gè)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(shè)計(jì)[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(dòng)網(wǎng)絡(luò),。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(gè)位置）；此時(shí)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(gè)位置的短信）,；然后STM32會(huì)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(shí)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(shè)定的號碼,，如果是，則發(fā)送：AT+CMGS=“13*********”（功能：向設(shè)定好的號碼發(fā)送短信）,；STM32等待TC35回復(fù),，等收到回復(fù)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(biāo)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(shè)計(jì)[9]
    觸摸屏用來顯示IDC環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)置對應(yīng)環(huán)境值的安全范圍。首先要把設(shè)計(jì)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(shè)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(biāo),，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(shí)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),，管理人員就可以隨時(shí)查看IDC環(huán)境狀況,減輕了IDC工作人員的負(fù)擔(dān)。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(shí)現(xiàn)也有一定的參考價(jià)值。
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