基于GSM網絡的機房溫度報警系統設計

王誠等

【摘要】 本文介紹了一種以機房溫濕度為背景的無線通信網絡數據傳輸系統。MCU為主控單元，控制傳感器采集數據，控制GSM模塊發射相應的告警信息。MCU通過相應的算法判斷機房溫室度是否超出閾值。采用手機作為接收終端，接收告警信息，以便未在監控室的管理員，能夠收到告警信息，并及時采取對應措施。

【關鍵詞】 數據傳輸 MCU 傳感器 GSM 接收終端眾多周知，機房需要一個相對恒溫恒濕的環境，如果環境溫度變化較大，將會對機房設備產生不可估量的影響。同時管理員不可能24小時在監控室，這樣就導致了，管理員不在監控室時，機房發生了告警，管理員未能及時收到告警信息，本文就是基于這樣的一個思路而展開論述的。據相關部門統計，我國有 30%以上的機房因散熱問題出現過宕機現象，目前，數據中心的功率密度以平均每年15%到20%的速度增加[1]。這樣就要需要有及時的告警系統，本方案可以讓未在機房的管理員及時收到告警信息，結合傳統的警鳴告警，完成24小時監控。

一、系統總體方案設計

如圖1系統總體框圖，其中，電源模塊為系統提供所需的3.3V電源網絡，溫濕度傳感器采用SHT11機房專用溫濕度傳感器，SHT11將采集的模擬信號轉換成數字信號，其與MCU之間的通信協議是I2C總線協議，MCU接收傳感器采集的數據，并根據相應的算法作出判斷，將告警信息通過串口傳輸給SIM900A，SIM900A掛接GSM網絡，將接收到的告警信號發射基站，基站接收信息再將告警信息轉發給目的接收終端，即手機。

二、系統硬件電路設計

系統硬件電路設計軟件使用的是Protel軟件開發商Altium公司推出的一體化電子產品開發系統Altium Designer。下面幾節將著重介紹系統各個模塊的電路設計。

2.1 MCU電路設計

微控制器（MCU）極其外圍電路構成了控制單元電路，出于低功耗、運算速度和引腳分配的考慮，MCU 選用的是德州儀器（TI）推出的16bit低功耗微控制器MSP430F5342。如圖2為主控單元電路，其中P3^1～P3^4外接SIM900的控制引腳，DATA，SCK接傳感器數據接口。K2，D6，R24，C39實現了控制器的復位電路。X5為低速晶振，頻率為32.768KHz，X4為高速晶振，當控制器正常運行時，高速晶振X4為控制器提共穩定的高頻時鐘信號，當控制器出于休眠狀態時，低速晶振X5為控制器提供低頻時鐘信號，以降低系統的功耗。P7為控制器的JTAG接口，用來下載程序和在線調試程序。

2.2 GSM電路設計

數字蜂窩移動通信系統 （GSM）是完全依照歐洲電信標準化協會（ETSI）制定的GSM規范研制而成的，由于GSM的信令和語音信道都是數字制式的，因此也被稱為第二代移動電話系統[2]。本文使用SIMCom公司的SIM900A模塊實現數據傳輸。SIM900A是一個雙頻（EGSM900和DCS1800）的GSM/GPRS模塊，可以自動搜尋兩個頻段，也可通過AT指令來控制選擇頻段，內嵌有TCP/IP協議，工作電壓為3.3V，sleep模式下耗流為1mA，支持標準8線串口接口和2線串口接口。如圖3所示，其中PR2是排阻，連接SIM900和控制器的串口實現兩者之間的正常通信，同時有一端連接SIM900的PWRKEY，可以通過程序拉低PWRKEY來開啟和關閉模塊。LED顯示了網絡狀態。J2是GSM基帶天線接口，引腳1是饋線，通過5歐姆系統連接到SIM900的RF_ANT引腳。JP3是SIM卡的卡槽，模塊供電前需要在其中插入SIM卡，以便實現數據的傳輸，D1～D5五個二極管是為了防止靜電，起到保護電路的作用。

2.3 傳感器和電源系統電路設計

溫濕度傳感器使用機房和數據中心專用傳感器：SHT11數字溫濕度傳感器。SHT11主要特點是結果已經完全標定，無需程序中額外標定，數字信號輸出便于處理，低功耗，SMD封裝便于焊接，數據傳輸遵循I2C總線協議便于通信。C32是去耦電容，R23是上拉電阻，P6是傳感器的接口。

系統供電是5V輸入，可以外接電源適配器或者鋰電池。電源設計采用各個模塊單獨供電的方法，這樣便于調測。傳感器供電芯片使用LM7803三端整電源穩壓芯片，最大輸出電流1.5A，輸出電壓3.3V，具有過載保護和短路保護功能。CE6和C45，C46和CE12，CE10，CE11，CE9，CE8，C49構成去耦濾波網絡。三個LED分別顯示三個穩壓芯片輸出正常與否。微控制器供電采用HT7133高輸入微功耗三端口穩壓器，輸出誤差為5%，主要用于通信、音視頻設備和電池供電設備。出于SIM900A模塊在信號猝發傳輸時電流峰值達到2A的考慮，所以采用MIC29320大電流低電壓穩壓芯片，輸出電流可達3A，精度為1%。

三、系統軟件設計流程

如圖4所示，系統上電初始化，電源指示燈正常點亮，傳感器開始采集機房環境溫濕度信息，并將所采集的模擬信號轉換為數字信號，通過I2C總線傳輸給微控制器，控制器接收到傳感器采集的數據，并運行比較算法，計算出采集的數據是否超出事先預設的溫濕度閾值，如果不超出，繼續運行算法，如果超出則通過串口向SIM900A發送相應的AT指令，操作SIM900A工作并向GSM網絡發送告警信息，終端手機自動連接到最近基站接收到告警信息，以便管理員采取相應的措施。

三、總結

按照系統設計繪制PCB原理圖，系統采用四層電路板設計，上下兩次走信號線，中間兩層分別是地線和電源線，最后發送工廠制作電路板，焊接調測電路。當傳感器檢測到超出閾值信號時，便會向目標發送告警信息或者打電話告知。本設計成本低、精度高、反應靈敏，適用于中小型企業級機房和數據中心。