基于單片機(jī)的通信機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)研究*

何中勝，趙紅玉，莊燕濱

（1.常州工學(xué)院 計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院，江蘇 常州213002；2.江蘇鐵通常州分公司，江蘇 常州213002）

近幾年，隨著Internet和信息技術(shù)的快速發(fā)展，中國(guó)鐵通的業(yè)務(wù)水平和數(shù)量也在大幅提高，其下屬的中國(guó)鐵通江蘇分公司，在滬寧高鐵和京滬高鐵的帶動(dòng)下，也發(fā)生了很大變化。其下屬公司常州鐵通，為了進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)常州地區(qū)通信設(shè)備的監(jiān)控，有效防范機(jī)房安全隱患，確保通信設(shè)備運(yùn)行良好，加大資金投入，先后完成了10幾個(gè)分機(jī)房的建設(shè)工作。為了對(duì)新建機(jī)房和已建機(jī)房溫濕度、交直流電壓、門禁、固網(wǎng)模塊等設(shè)備的監(jiān)控，以有效實(shí)現(xiàn)機(jī)房集中監(jiān)控和管理，開發(fā)一套機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為必要。

更重要的是，機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)也是我國(guó)電信行業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨，隨著電信企業(yè)集約化經(jīng)營(yíng)政策實(shí)施，國(guó)家對(duì)通信設(shè)備及其環(huán)境的維護(hù)工作提出了更高的要求。政策要求電信企業(yè)對(duì)通信設(shè)備和環(huán)境必須實(shí)行集中控制，少人或無人值守，盡量采取遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)[1]。另外，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，也為實(shí)現(xiàn)機(jī)房通信電源和環(huán)境監(jiān)控提供了相應(yīng)的技術(shù)支持，使機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

1 系統(tǒng)分析

通過對(duì)江蘇鐵通常州分公司通信機(jī)房環(huán)境實(shí)際情況的調(diào)查和研究，重點(diǎn)從機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能組成、數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)監(jiān)控等內(nèi)容入手，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的方式、方案進(jìn)行了分析，在結(jié)合本地網(wǎng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源的基礎(chǔ)上提出了通信機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本系統(tǒng)擬解決的主要關(guān)鍵問題有：

（1）機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件的系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)測(cè)試的部署和開發(fā)過程；

（2）機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件和各個(gè)分站機(jī)房管理系統(tǒng)之間的通信問題；

（3）本系統(tǒng)具體監(jiān)控內(nèi)容：監(jiān)控管理服務(wù)器、智能開關(guān)電源、交流配電箱、蓄電池組、門禁、集中數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)控平臺(tái)軟件等各種設(shè)備，以及機(jī)房環(huán)境各種（如溫度、濕度、煙感等）參量，其具體的監(jiān)控內(nèi)容如表1所示。

表1 機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控內(nèi)容

根據(jù)以上系統(tǒng)需求分析，給出通信機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框架圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一種以計(jì)算機(jī)控制技術(shù)為主，集傳感器和檢測(cè)技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集與傳送、通信協(xié)議工程于一體的綜合系統(tǒng)。因此本系統(tǒng)開發(fā)過程中需要用到傳感變送技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)及通信技術(shù)等。限于篇幅，本文僅就這些技術(shù)的主要功能設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

2.1 傳感變送單元

傳感變送單元（SENS）是指安裝在機(jī)房各個(gè)位置的、一定數(shù)量的、各種類型的傳感器，是監(jiān)控系統(tǒng)必不可少的組成部分。

本系統(tǒng)中傳感器主要負(fù)責(zé)監(jiān)控環(huán)境指標(biāo)，其中告警的方式采用警號(hào)、顯示和蜂鳴器等。

（1）溫度傳感器的監(jiān)測(cè)范圍一般在10℃～40℃之間，精度為0.5℃。

（2）濕度傳感器的監(jiān)測(cè)范圍一般在20%～90%RH之間，測(cè)量精度為2%RH。通常置于機(jī)房中心位置。

（3）煙感傳感器用來監(jiān)測(cè)可燃物質(zhì)燃燒后所釋放的煙霧，一般響應(yīng)時(shí)間<10 s，通常置于機(jī)房中心位置。

（4）電流、電壓傳感器用來監(jiān)測(cè)空調(diào)和交換機(jī)的供電電流、電壓狀況。

（5）門禁傳感器用來監(jiān)測(cè)機(jī)房門窗的開關(guān)狀況，通常置于門窗兩側(cè)。

（6）積漏水傳感器用來監(jiān)測(cè)機(jī)房積水和漏水情況，通常放置在門下等位置。

（7）玻璃破碎傳感器用來監(jiān)測(cè)玻璃門窗的破碎狀況，通常放置在玻璃門窗上方。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集通常是指對(duì)不同工作方式的傳感單元的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和規(guī)整工作。另外，數(shù)據(jù)采集器還傳輸客戶端的查詢命令，根據(jù)查詢條件發(fā)送其采集到的環(huán)境參數(shù)，以及故障報(bào)警器的開啟等功能[2-3]。

（1）數(shù)據(jù)采集單元的構(gòu)成

本系統(tǒng)中被監(jiān)控的設(shè)備分為智能設(shè)備和非智能設(shè)備。因智能設(shè)備本身具有數(shù)據(jù)采集能力，并提供智能接口供后臺(tái)讀取，可以直接接入監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)于非智能設(shè)備，本系統(tǒng)中采用艾默生公司生產(chǎn)的IDA一體化采集器來對(duì)其進(jìn)行采集信號(hào)，該采集器以AT89C51單片機(jī)為其核心，選用ANALOG DEVICES公司的AD7828為A/D轉(zhuǎn)換芯片。

（2）告警的檢測(cè)、顯示與處理

監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控目標(biāo)的狀態(tài)除了保存狀態(tài)數(shù)據(jù)，還采用報(bào)警的直觀方式進(jìn)行展現(xiàn)，同時(shí)對(duì)告警進(jìn)行分級(jí)與處理。系統(tǒng)對(duì)于煙感、門禁、地面積漏水、玻璃破碎和移動(dòng)探測(cè)等傳感器信號(hào)的信息輸入，通過一個(gè)10 kΩ上拉電阻串接到一個(gè)47 kΩ的電阻上，再連接到一片74LS244的輸入端，該連接方式可以有效的防止信號(hào)抖動(dòng)等現(xiàn)象，避免由意外因素引起的虛警[2，5]。

對(duì)于告警優(yōu)先級(jí)的處理，把火警的優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高。正常情況下，火警的告警信號(hào)為高電平，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，傳感器輸出信號(hào)就變?yōu)榈碗娖剑@種信號(hào)會(huì)立即驅(qū)動(dòng)安裝在監(jiān)控中心的警號(hào)報(bào)警，同時(shí)主板上的蜂鳴器也報(bào)警，顯示器上也會(huì)顯示火警事故信息，這時(shí)要立即采取相應(yīng)的措施進(jìn)行事故處理。

對(duì)于移動(dòng)探測(cè)信號(hào)，正常情況下為低電平有效。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有人體移動(dòng)時(shí)，告警量變就會(huì)變?yōu)楦唠娖剑⑶逸敵龈唠娖叫盘?hào)，該信號(hào)驅(qū)動(dòng)顯示面板上的移動(dòng)探測(cè)指示燈變?yōu)榧t色。

門禁傳感器、玻璃破碎傳感器、積漏水傳感器等信號(hào)采集與傳輸均為高電平有效，它們的顯示、報(bào)警功能與移動(dòng)探測(cè)傳感器類似，這里不再詳述。

2.3 通信單元設(shè)計(jì)

智能設(shè)備以各自的通信協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信。

在本系統(tǒng)中，遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)信號(hào)通過采用PSTN和E1中繼兩種電信網(wǎng)絡(luò)傳輸方式[4-5]傳送至監(jiān)控中心。

（1）通信單元的整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由于本系統(tǒng)通信時(shí)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，系統(tǒng)本身對(duì)通信速率的要求不高，所以在遠(yuǎn)端分機(jī)房的通信單元與監(jiān)控中心機(jī)房之間的通信方式采用基于電話網(wǎng)的DTMF雙音多頻通信技術(shù)[4-5]。

（2）中心端通信單元的設(shè)計(jì)

通信單元中的邏輯控制模塊主要功能有：負(fù)責(zé)接收由AT89C51發(fā)出的命令信號(hào)，并對(duì)其通信地址進(jìn)行解碼，按照解碼后的地址，把每個(gè)命令信號(hào)傳送給對(duì)應(yīng)的AT89C205l單片機(jī)；負(fù)責(zé)接收由AT89C2051所發(fā)出的8路數(shù)據(jù)信號(hào)和中斷申請(qǐng)信號(hào)，并按照每個(gè)中斷申請(qǐng)的先后順序讀取數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)送給AT89C51進(jìn)行相應(yīng)的處理。

在本系統(tǒng)中為了緩解通信線路的工作負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)通信的效率，加快傳輸速度，把中心通信單元的通信數(shù)據(jù)格式的地址部分設(shè)計(jì)為2個(gè)字節(jié)，其中第一個(gè)字節(jié)是數(shù)據(jù)采集單元的通信地址，第二個(gè)字節(jié)又分為兩部分，前半部分是通信盒子的編號(hào)地址，后半部分是通信盒子上8個(gè)端口的編號(hào)地址。由監(jiān)控中心主機(jī)發(fā)出的命令消息各個(gè)中心通信單元均能接收，接收之后再根據(jù)自身的地址與命令信息包中地址部分的通信地址的比較結(jié)果，判斷是否處理該命令消息，如果兩者地址相同則對(duì)其進(jìn)行處理，不相同則不予處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集單元的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元的軟件就是一個(gè)運(yùn)行在AT89C51單片機(jī)上的應(yīng)用程序，其由主程序、定時(shí)服務(wù)子程序和串口中斷子程序三部分組成。主程序是其核心部分，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和報(bào)警條件的判定等功能。

定時(shí)服務(wù)子程序主要實(shí)現(xiàn)在固定的時(shí)間間隔內(nèi)查詢采樣標(biāo)志；串口中斷子程序主要負(fù)責(zé)接收系統(tǒng)操作員從監(jiān)控中心下發(fā)的命令消息，解釋并處理這些消息，最后返回給監(jiān)控中心所需要的數(shù)據(jù)。

3.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)分前臺(tái)和后臺(tái)兩個(gè)子系統(tǒng)。

前臺(tái)子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程處理、告警處理、信息查詢等功能。如遠(yuǎn)程控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程控制功能；視頻監(jiān)控模塊主要通過視頻監(jiān)控儀實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房中一些可視化環(huán)境的監(jiān)控；空調(diào)控制模塊以調(diào)節(jié)機(jī)房溫濕度；告警處理實(shí)現(xiàn)對(duì)告警信息的處理；設(shè)備狀態(tài)報(bào)表實(shí)現(xiàn)查詢和打印各種設(shè)備工作狀態(tài)的報(bào)表功能；實(shí)時(shí)信息用來監(jiān)控各種設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。

后臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)基本數(shù)據(jù)維護(hù)、參數(shù)設(shè)置等功能。如設(shè)備管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房及機(jī)房?jī)?nèi)各種設(shè)備的管理功能；通道管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房通信通道的管理；監(jiān)控管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控對(duì)象的管理及監(jiān)控對(duì)象參數(shù)的配置等。告警管理實(shí)現(xiàn)對(duì)告警的管理及告警處理人的管理，告警信息的增刪改等。

3.3 實(shí)驗(yàn)及運(yùn)行分析

本系統(tǒng)軟件部分采用流行的MVC架構(gòu)模式實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)功能，滿足設(shè)計(jì)要求。用戶首先登錄機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)入中心軟件的首頁(yè)面，如圖2所示。

圖2 中心軟件的主頁(yè)面

在首頁(yè)面中選擇某個(gè)分中心機(jī)房時(shí)，出現(xiàn)相應(yīng)的監(jiān)控頁(yè)面，如圖3所示。

圖3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)頁(yè)面

本文主要研究了開發(fā)機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)所涉及到的數(shù)據(jù)采集、通信單元設(shè)計(jì)、中心監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)等重要環(huán)節(jié)，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)只有協(xié)同工作，才能共同完成機(jī)房環(huán)境的監(jiān)控任務(wù)。由于使用本系統(tǒng)可以控制一個(gè)總線上多個(gè)分機(jī)房的環(huán)境，使得控制簡(jiǎn)單方便。通過本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)與各個(gè)分機(jī)房進(jìn)行通信，系統(tǒng)圖形界面操作簡(jiǎn)單、直觀高效，方便對(duì)機(jī)房環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

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