基于LabVIEW和DS18B20的網(wǎng)絡(luò)中心機房溫度測控系統(tǒng)

金星

（遵義師范學(xué)院物理與機電工程系，貴州遵義563002）

隨著互聯(lián)網(wǎng)和通訊產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)運營商中心機房的規(guī)模越來越大,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量越來越多。數(shù)量如此眾多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被密集安放在中心機房內(nèi),其散發(fā)的熱量如果不及時散發(fā)出去,將會使機房的環(huán)境溫度迅速升高。溫度是影響網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運行穩(wěn)定性和使用壽命的主要因素之一。IT設(shè)備元器件對溫度變化非常敏感,如果環(huán)境溫度太高,且無通風(fēng)冷卻條件,產(chǎn)生的熱量散發(fā)不出去,就會加快半導(dǎo)體材料的老化,并在內(nèi)部引起暫時或永久的微觀變化,使元器件產(chǎn)生故障并造成數(shù)據(jù)丟失[1]。采用人工檢測的方法可靠性低、實時性差,因此,有效進行網(wǎng)絡(luò)中心機房溫度的自動監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。

本文研究一種新型智能溫度測控系統(tǒng),利用智能數(shù)字溫度傳感器實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的多點采集,采用美國NI公司推出的數(shù)據(jù)分析軟件——LabVIEW來進行系統(tǒng)軟件設(shè)計,系統(tǒng)自動采集、分析數(shù)據(jù),能根據(jù)異常情況進行聲光報警,并具有數(shù)據(jù)存儲和查詢功能,方便對機房溫度的情況進行評估。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計及工作原理

本系統(tǒng)是一個全智能溫度巡檢與控制系統(tǒng),系統(tǒng)工作流程如圖1所示。它主要由溫度傳感器、MSP430F169單片機、RS485/232轉(zhuǎn)換變送器、溫度控制電路、散熱系統(tǒng)、計算機和相應(yīng)軟件組成,其工作流程如下：主控計算機向單片機MSP430F169發(fā)送溫度讀取命令,MSP430F169向溫度傳感器DS18B20發(fā)出溫度測定指令,溫度傳感器將測得的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給MSP430F169,經(jīng)信號轉(zhuǎn)換后由通訊總線上傳給主控計算機,主控計算機利用LabVIEW對數(shù)據(jù)進行分析處理,并將測量的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示出來,同時主控計算機將采集到的信號根據(jù)PID控制算法求出系統(tǒng)輸出信號的大小,通過MSP430F169將控制信號輸出給溫度控制電路,控制電路控制散熱系統(tǒng)的啟動或停止,從而達到對待測物體溫度的控制作用。由于每一個DS18B20都具有唯一的64位序列號,這樣就可以在一根總線上掛接多個DS18B20,實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20

DS18B20是美國 Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的“一線總線”接口溫度傳感器[2],電源電壓可在3V～ 5.5V范圍變化,測溫范圍－55℃～＋ 125℃,測量分辨率最高可達0.0625℃,測量時間可達 93.75ms甚至更快,具有良好負壓特性,當(dāng)電源極性接反時,芯片不會因發(fā)熱而燒毀,獨特的單線接口方式,使DS18B20與微處理器之間僅需要一條口線即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通訊,這樣可保證較高精準(zhǔn)度和極強的抗干擾糾錯能力[3]。

2.2 智能終端

數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集溫度數(shù)據(jù),并將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號通過I/O接口供單片機處理,MSP430F169接收各個溫度數(shù)據(jù)后,經(jīng)過分析、處理,送至LCD顯示單元實時顯示,并判斷溫度數(shù)據(jù)是否超限,如果超限,則自動進行聲光報警。同時,MSP430F169接收來自主控計算機的控制信號,將控制信號送至溫度控制單元,交由溫度控制電路進行溫度控制。

2.2.1 溫度采集單元

在本設(shè)計中,測量分辨率為0.5℃,溫度范圍為-30～ 120℃,因此采用外部電源供電方式。外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式,可以充分發(fā)揮DS18B20寬電源電壓范圍的優(yōu)點,即使電源電壓VCC降到 3V時,依然能夠保證測量精度。工作電源由VDD引腳接入,工作穩(wěn)定可靠,抗干擾能力強,電路也比較簡單,在總線上掛接多個DS18B20傳感器,組成多點測溫系統(tǒng)。需要注意的是,在外部供電的方式下,DS18B20的 GND引腳不能懸空,否則不能轉(zhuǎn)換溫度,讀取的溫度總是85℃[4]。溫度采集電路如圖3所示。

2.2.2 溫度控制單元

控制電路的工作原理是從MSP430F169的溫度控制單元接收控制信號,然后控制繼電器的動作,使散熱風(fēng)扇工作在相應(yīng)的狀態(tài)下。散熱風(fēng)扇的工作電壓是交流220V,用固態(tài)繼電器對它進行控制。使用三級管來驅(qū)動繼電器,可以確保溫度控制單元I/O通道的安全。Port端口接溫度控制單元 I/O通道中相應(yīng)的輸出端,流經(jīng)Port端口的電流被電阻 R限制在3mA以下,固態(tài)繼電器的輸入端電壓被電阻 R限制在5V以下,溫度控制電路如圖 4所示。

2.2.3 RS485/232轉(zhuǎn)換器

目前常用的總線類型有現(xiàn)場總線(Lonworks)、控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN總線)、 RS485總線、RS232總線等。由于 RS485總線允許連接多達 128個收發(fā)器,具有良好的抗噪聲干擾性、長距離傳輸和多機通信能力,可以方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò),因此本系統(tǒng)采用RS485總線作為終端通訊總線。但是,眾所周知,主控計算機只有RS232數(shù)據(jù)接口,還存在一個接口的轉(zhuǎn)化問題[6],本系統(tǒng)采用RS485/232轉(zhuǎn)換器進

為保證系統(tǒng)的高效率、高精度、低功耗需求,本設(shè)計采用德州儀器(TI)生產(chǎn)的超低功耗單芯片微控制器MSP430F169[5]。智能終端主要由溫度采集單元、RS485通信單元、 LED顯示單元、溫度控制單元、聲光報警單元和供電單元組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。行接口轉(zhuǎn)換,可以方便地完成系統(tǒng)終端與主控計算機之間的數(shù)據(jù)通訊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計

系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

程序進入主系統(tǒng)后,首先對整個系統(tǒng)進行初始化,然后是系統(tǒng)自檢,檢測各硬件是否正常工作,如果硬件正常,系統(tǒng)開始進行溫度數(shù)據(jù)的采集,對采集到的溫度信號進行判斷,如果溫度沒有超過預(yù)設(shè)溫度,則繼續(xù)采集溫度信號；如果溫度超過預(yù)設(shè)溫度,啟動溫度超限報警并在顯示屏上顯示,并自動發(fā)送短消息給機房維護人員,同時計算機通過PID控制算法控制散熱風(fēng)扇啟動(停止),使溫度值穩(wěn)定在設(shè)定值規(guī)定的范圍內(nèi)。

3.2 主控計算機軟件系統(tǒng)設(shè)計

主控計算機軟件系統(tǒng)采用美國國家儀器公司(National Insturments,NI)開發(fā)的儀器和分析軟件應(yīng)用開發(fā)工具LabVIEW進行開發(fā),系統(tǒng)前面板如圖 6所示。主要功能如下：

(1)系統(tǒng)控制：主要功能是溫度數(shù)據(jù)的采集、分析、設(shè)置數(shù)據(jù)的刷新頻率,將數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)分析模塊進行分析處理。

(2)溫度設(shè)置：用于設(shè)置溫度的上限和下限,當(dāng)實測溫度數(shù)據(jù)不在設(shè)置范圍內(nèi)時,系統(tǒng)立刻啟動溫度超限報警,并利用聲光信號提醒機房維護人員。

(3)溫度顯示：為了實時顯示當(dāng)前溫度的變化趨勢,實現(xiàn)溫度變化曲線的生成,采用Waveform Chart對實時溫度進行顯示,并使用直方圖對溫度變化數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。

(4)溫度控制：比較當(dāng)前溫度值與設(shè)定溫度值,當(dāng)檢測溫度大于設(shè)定溫度時,向控制電路數(shù)字I/O通道相應(yīng)位寫入“ 1”,接通繼電器,啟動散熱風(fēng)扇,達到為機房設(shè)備降溫的目的；當(dāng)檢測溫度小于設(shè)定溫度時,向數(shù)字I/O通道相應(yīng)位寫入“ 0”,關(guān)閉繼電器,停止散熱風(fēng)扇。這樣,既可以避免繼電器反復(fù)動作導(dǎo)致繼電器損壞,又可以使機房溫度穩(wěn)定一定范圍內(nèi)。

(5)溫度存儲：本模塊調(diào)用LabVIEW中的寫入電子表格文件函數(shù)“W rite To Spreadsheet File.vi”,將采集到的溫度值存入電子表格文件中,既可以提供給直方圖生成程序使用,又可以作為溫度數(shù)據(jù)的歷史記錄。溫度存儲模塊框圖如圖7所示。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中心溫度的檢測和控制。系統(tǒng)硬件部分電路簡單、性能可靠,可完成對機房溫度信號的數(shù)據(jù)采集、前端處理和溫度控制；軟件部分設(shè)計直觀易懂的人機交互界面,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、圖形化顯示、超限報警和文件存儲,在測控的過程中還可以方便地改變控制范圍的參數(shù),可調(diào)節(jié)性能得以提高,智能控制散熱設(shè)備的工作,中心機房的溫度得到有效的控制,達到良好的散熱效果,有效提高了設(shè)備的運行穩(wěn)定性,延長了設(shè)備的使用壽命。本系統(tǒng)具有能耗低、成本低、精度高、易操作等特點,可廣泛適用于大學(xué)、制藥廠、醫(yī)院、倉儲中心、檔案棺、血站、疾病防控中心、環(huán)保監(jiān)測部門、蔬菜大棚的溫度測控,具有很好的推廣價值。

[1] 鮑成龍.溫度對電腦的影響[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/f1f2b3254b35eefdc8d33326.htm l,2011-04-03.

[2] 溫欣玲,周旭東,趙東波.煤礦高壓電纜接頭實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008,(6):86-89.

[3] 顏麗娜,張鐵民.基于DS18B20測溫系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技信息,2010,(11):496-497.

[4] 電子驛站.新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20介紹[EB/OL].http://Www.ourmpu.com/mcujx/ds18sy12.htm,2011-04-03.

[5] Texas Instruments.MSP430TM16位超低功耗 MCU-1xx8MHz系列-MSP430F169[EB/OL].http://focus.ti.com.cn/cn/Docs/prod/folders/print/msp430f169.htm l,2011-04-03.

[6] 陳偉忠,廖曙生.基于GIS的電纜接頭溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].日用電器,2006,(10):58-60.