基于STM32的互聯網數據中心環境檢測系統

沈劍峰，丁金華，董 宇

（大連工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 大連116034）

對于互聯網數據中心（以下簡稱IDC）來說，良好的環境狀態是保證設備正常運轉的條件，而對IDC環境狀態的檢測是使其保持良好環境的重要措施[1-5]。根據電子信息系統 IDC設計規范(GB50174-2008)，開機時，IDC設備最優的環境是溫度為22～24℃，相對濕度為40%～55%；停機時，IDC設備環境要求是溫度為 5～35℃，相對濕度為40%～70%。因為IDC的不間斷供電系統（UPS）工作時會釋放出氫氣,可能發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。

系統還可以通過無線通信網絡將檢測信息與工作人員時刻保持聯系。

1 IDC環境檢測系統的總體設計

IDC環境檢測系統的結構如圖1所示，主要由四部分組成：數據采集、STM32主板、無線通信和觸摸屏。

圖1 系統結構框圖

1.1 數據采集

IDC環境檢測系統采集環境的溫度、濕度和空氣中氫氣密度、煙霧濃度。

由于IDC的空間較小，本系統檢測該空間4個點的溫濕度。系統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]。

普通的環境檢測系統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環境檢測系統選用8路AD590溫度傳感器，專用于檢測容易發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的任何位置。AD590的測溫范圍為-55℃～+150℃，在測量范圍內，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。系統分別選用MQ-2和MQ-8這兩個空氣質量傳感器。

1.2 無線通信

IDC環境監控系統采用TC35短消息模塊實現無線通信，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的工作信息，對整個系統功能進行調試設置。通過RS-232標準接口與STM32通信。

1.4 STM32主板

STM32是整個系統數據處理中心。機房內用電設備眾多，可能會產生多種信號干擾。為了保證CPU的工作正常穩定，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多路傳感器同時提取數據；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環境檢測系統共有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,把信號調整到 0.18 V～2.23 V。然后通過AD7741把電壓模擬信號轉換成相應的頻率信號，經光電隔離，最后連接到STM32的ADC采樣引腳。

IDC環境檢測系統共有8路溫度傳感器AD590。為了減少AD590的信號轉換電路，IDC環境檢測系統對8個溫度傳感器AD590采用掃描的方式讀數。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環境檢測系統選用MAX232芯片實現兩路TTL-RS232電平轉換。

3 STM32的軟件設計

根據IDC環境檢測系統的工作要求，設計STM32的主程序流程圖如圖4所示。

圖4 IDC環境檢測系統主程序流程圖

STM32的軟件設計主要包括3個部分：傳感器數據的采集、與TC35模塊的通信以及與觸摸屏的通信。

3.1 STM32采集傳感器數據的軟件設計

3.1.1 DHT21數據的采集[7-8]

STM32與 DHT21之間的通信采用單總線數據格式,一次通信時間5 ms左右,一次完整的數據傳輸為40 bit,高位先出。數據格式為：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會發送80 μs的低電平,說明DHT21發送響應信號,DHT21發送響應信號后,把總線拉高 80 μs,準備發送數據,每一位數據都以50 μs低電平時隙開始,高電平的長短確定了數據位是 0還是 1，高電平時間為 26～28 μs表明該數據為0，高電平時間為70 μs表明該數據為 1。

3.1.2 AD590數據的采集

IDC共有8路AD590,采用循環掃描的方式。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。所讀取AD7741的次數反映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數據的采集

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（模擬數字轉換器）的I/O口，把電壓模擬信號轉換成12位數字信號，通過STM32內部集成DMA控制器，把ADC讀取的數字信號傳輸到STM32內存，每次需要傳輸200個數據，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模塊連接上移動網絡。STM32與TC35模塊之間是通過串口通信的。首先STM32向TC35模塊發送初始化指令：AT+CNMI=2,1（指令功能：短信提示），AT+CMGF=1（指令功能：英文方式發送）。初始化之后，如果TC35模塊接收到信，向STM32發送指令：+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，則發送：AT+CMGS=“13*********”（功能：向設定好的號碼發送短信）；STM32等待TC35回復，等收到回復后，發送IDC環境數據信息：ab******（IDC環境數據）；STM32發送信息結束標識：1A；STM32收到指令：+CMGS：11（IDC環境數據發送成功）。

3.3 STM32與觸摸屏通信的軟件設計[9]

觸摸屏用來顯示IDC環境數據和設置對應環境值的安全范圍。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環境檢測系統，系統檢測到的環境溫度、濕度和空氣中氫氣密度、煙霧濃度數值穩定，精度符合要求，通過移動通信網絡，管理人員就可以隨時查看IDC環境狀況,減輕了IDC工作人員的負擔。IDC環境檢測系統的優勢已經得到體現，幫助解決了很多IDC環境保障問題，對同類檢測系統的實現也有一定的參考價值。

[1]史水娥，楊豪強.基于ARM9處理器的機房環境遠程監測系統設計[J].河南師范大學學報（自然科學版）,2010，38(3)：57-59.

[2]王劍鋒，林宣雄.環境監控(監測)建設與發展過程的思考[J].中國環境監測，2006，22(5)：9-12.

[3]朱偉.數據中心機房環境監控系統的研究和應用[J].金融電子化，2008(4)：53-55.

[4]陳亮.鶴煤集團機房環境監控的應用與發展[J].科技創業 ，2010(8)：189-190.

[5]姜云安.大中型機房環境監控系統淺談[J].智能建筑與城市信息，2010(8)：12-15.

[6]DHT21 產品說明書[EB ／0L]．(2011-02-25)．http：//wenku.baidu.com/view/d3b37e23bcd126fff7050b38.html?from=rec&pos=0&weight=33&lastweight=13&count=5.

[7]倪天龍．單總線傳感器 DHT11在溫濕度測控中的應用[J]．單片機與嵌入式系統應用，2010(6)：60-62．

[8]楊小平．基于AT89S52和DHT21的溫濕度測量系統設計[J]．無錫職業技術學院學報，2011，10(1)：62-63．

[9]張華，高需．基于TC35模塊實現短消息收發[J]．電腦知識與技術，2010，17(6)：4817-4819．

[10]翟霄翔，郝久玉，鄭軍．電阻式觸摸屏在嵌入式系統中的應用[J]．電子測量技術，2006，29(2)：36-37．