數據中心機房實驗教學系統的設計

摘要：對基于網絡通信技術的實驗教學系統進行了分析研究，給出了系統的體系結構和功能模塊設計方案。從硬件和軟件兩個角度詳細探討了實驗教學系統的設計方案，探討了機房教學中的環境監控、電氣接地保護系統的實現方法。

關鍵詞：網絡教學；實驗教學；計算機實訓；系統設計

0 引言

目前，很多課程的理論教學內容己經搬上了網絡教學平臺，然而，檢索網上資源發現，很多課程的實踐教學環節資源配備很有限，不適合當今迅速增長的網絡實踐教學的需要，尤其對于某些課程，實驗器材昂貴、實驗開設不方便的情況更是嚴重，學生動手能力得不到鍛煉，對本門課程難以透徹掌握。因而，研究開發適合網絡環境的實踐教學系統已是教育部門的迫切需要。

根據數據中心機房開展實驗教學的需求，本文設計了基于網絡技術的機房實驗教學系統，探索了新的網絡教學運作方法與管理經驗，并以此和廣大同行分享。

1 系統總體設計

1.1 系統結構設計

基于網絡實現的實驗教學系統由五個部分組成，其總體的系結構如下。

(1)客戶端：在互聯網的個人計算機上執行。它們主要是集中在數據中心機房內的每一臺電腦，主要軟件是普遍使用的網絡瀏覽器，或者專用的客戶端軟件。

(2)互聯網：一般是指局域網、教育網或者公眾網。主要用以保證實驗數據的實時傳輸。

(3)實驗管理服務器：提供訪問實驗單元的通道。一般由一個或多個服務器來完成對各個實驗單元通道的選擇和判斷。

(4)實驗單元：由實驗服務器提供的可供操作的實驗平臺。通過運用設計實驗單元的效果，可以讓每個服務器支持一個或者更多的實驗。

(s)實驗儀器單元：用于管理實驗儀器和提供實時測量設備。一般構建于實驗服務器中。基于虛擬儀器的在線測試系統使用高精度的數據采集卡和虛擬儀器軟件來實現多種儀器的功能。

數據中心機房實驗教學系統的硬件平臺主要由計算機和I／O接口設備兩部分組成，用于實現數據采集、信號分析處理通信號輸出顯示等功能。計算機是虛擬儀器的硬件基礎，對于工業自動控制、測試與測量而言，計算機是功能強大、價格低廉的運行平臺。I／O設備主要完成信號的輸入、采集、放大、A／D轉換任務，正確驅動I／O設備是采集真實被測信號的基礎。當設備被驅動后，由軟件進行數據的分析處理，并由特定的程序來實現測試功能，獲得測試結果。

1.2 系統功能模塊設計

為確保數據中心機房以及基于剛絡的實驗教學系統能安全、穩定地工作，做到有了問題能提前發現，并及時處理，監測系統實現了以下功能：

(1)實時數據采集

實時數據采集是實施系統監控的基礎。在環境設備的監控系統中，需要實時采集的數據既有高低壓配電系統及電源的電壓、電流、電源開關狀態等參數，又有空調機的冷熱水溫度、冷卻水溫度、流量、送風量、送風溫度、新風量等狀態參數，以及機房內部的環境參數(如溫度、濕度、水浸、煙感、門禁等)。不同參數的采集方式和所用總線標準是不川的(如RS232／485總線、Lonworks總線)，必須把不同的總線標準統一到網絡(女IITCP／IP協議)上，才能實現遠程監控。

(2)告警顯示

當某一機房的任意環境量的變化超出預先設定的門限值(模擬量)或狀態發生變化(開關量)時，如發生溫度超標，直流電壓越限、失火，玻璃破碎及220V電源斷電等故障，機房的控制機會主動呼叫后臺，傳輸告警信號到監洲中心的主控機，主控機將告警數據交由環境數據機處理，環境數據機將顯示告警信號并加以語音提示，同時向預先設定的BP機或電話自動發出呼叫，通知查修人員。

(3)遠程顯示及控制

能夠對機房底層的設備進行遠程控制。例如，可以遠距離控制機房前臺視頻切換和云臺的運動(如鏡頭的推拉伸縮)；另一方面，通過終端顯示層的PC機能夠提取及顯示底層設備的工作狀態、環境監測等信息。

(4)循環巡測

系統能持續地自動呼叫各個監測模塊，提取前臺機房實時環境數據和視頻監測圖像，及時發現機房的各種非正常情況，如通信線路不通和異常掉電關機等，并發出報警(即通信中斷告警)。

(5)統計查詢

監測中心可利用記載的環境歷史數據統計各監測模塊環境量的變化規律，并用圖表的形式(如直方圖或折線圖)加以顯示。利用錄像帶可查詢某一時間段給定站點的情況。

2 機房實驗教學系統的設計與實現

2.1 機房實驗教學系統的硬件實現

(1)供電安全檢測模塊設計

本模塊主要完成交流電各項參數以及備用電池的工作情況和狀態的監測。采用51系列MCU，完成模擬信號的采樣、AD轉換和與主處理模塊的數據交換。本模塊的交流電參數檢測部分是一個關鍵之處，需要配備專用的變換器(電流、電壓互感器)。因為輸入三相電為三角型接法而不是星型接法，無法使用電阻分壓降壓，必須采用電壓互感器降壓。所采用的互感器規格為：電流型電壓互感器(輸入2mA MAX，輸出2mAMAX)；電流互感器(輸入]OAMAX，輸出20mA MAX)。在檢測電壓、電流時，可將電壓、電流的波形看作正弦波，測出其峰值，即可算出有效值。

(2)火險安全檢瀏模塊設計

本模塊采用多傳感器集成設計，負責收集室內的各種環境參數，包括溫度、煙霧氣體、火焰等。這種設計能發揮各個傳感器的優勢，互相取長補短，從而降低虛報漏報和模糊不確定性。火災發生時的重要物理信息有：釋放出有毒有害氣體，產生大量煙霧，室內溫度增高，有明火出現。據此，選擇濕度、煙霧、溫度、氣體這四種傳感器分別用于監控相應的信息。以濕度傳感器作為輔助手段，以煙霧、溫度、氣體傳感器作為火險監控的主體，基本可實現火災發生時的全方位的信息收集，最大限度地消除信息的模糊不確定性。

(3)機房電氣接地系統設計

①設置獨立避雷針保護安裝獨立避雷針保護機房內的電氣系統，是為了把雷電流引開，避免雷電擊中電氣設備。然而，安裝獨立避雷針后，該數據中心招惹雷擊的概率增加，在安裝工藝上，需要特別注意了。當該數據中心防雷設施完善時，避雷針的引下線可焊接到該樓防雷設施(避雷帶、避雷網、引下線)上，與防直擊雷裝置共用引下線。另外，大型電氣設備應有獨立的接地引線，并與該樓基礎地網共網；否則，應將大型電氣設備的金屬架焊接到遠離獨立避雷針引下線的天面暗敷避雷網格的某一點上，但絕不能與獨立避雷針、避雷帶焊接在同一點上，以防止雷擊獨立避雷針、避雷帶時，強大的雷電流導入電氣設備，損壞電氣設備乃至危及人身安全。

②電氣接地端子的設置與防雷引下線應有一定的安全距離電氣設備接地不應焊接在防雷引下線(特別是明敷引下線)上，防止雷電流沿引下線向地下排泄時，一部分雷電流竄入線路，損壞電氣設備。

當雷擊中獨立避雷針、避雷帶或者太陽能熱水器時，雷電流大部分將沿該引下線流入地網，這時引下線周圍會產生磁場效應。若引下線與電氣設備的距離R≤0.5m，取流經該引下線的雷電流為第三類防雷建筑物首次雷擊的雷電流，由此可測算出雷電流，從而即可實現對電氣設備的感應式雷擊的安全防護。

⑧各類線路的屏蔽及等電位措施大型電氣設備防雷措施中的等電位連接，主要分為室外金屬構件等電位連接和室內金屬構件的等電位連接。室外部分主要包括金屬支架、金屬構件、避雷針、避雷帶、室外線路屏蔽層接地和室外電涌保護裝置接地的等電位。室內部分包括室內線路屏蔽層接地、室內電涌保護裝置接地及室內各種接地的等電位連接。

2.2 機房實驗教學系統的軟件實現

目前的許多仿真軟件具有強大的仿真功能，但是都只能對原理電路進行仿真，而用于教學則缺乏實物感。基于網絡的實驗教學系統可以由仿真技術與多媒體技術的有機結合而構建。電子電路仿真是以數學模型表示電子器件或電路模塊，并配合數值分析的方法實現芯片的功能模擬及特性分析，如果采用的電路模型足夠精確，則模擬結果可以真實地反映電路特性。

為了使實驗有逼真的效果，我們應用3Dmax制作電子儀器的真實面板，通過程序來控制儀器的開關、旋鈕的狀態，并將實驗結果按照真實儀器的顯示形式表現出來。實際上每一種虛擬電子儀器，就是對相應真實儀器的虛擬。系統在連接上通過ActiVeX控件，供仿真實驗環境主程序調用。

3 結束語

網絡實驗教學完全基于計算機技術和網絡通信技術，整個教學過程是在計算機屏幕上完成的。因此，網絡實驗教學天然地具有一種局限性，學生和實際的實驗對象沒有直接的接觸，這也是網絡實驗教學最大的缺憾。本論文從硬件與軟件兩個角度探討了網絡教學實驗系統設計與實現技術，對于提高網絡教學效果具有一定意義。