基于窄帶物聯網的數據中心壓敏點報警系統設計

于 賢，王 銳

（中國移動通信集團 河北有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引 言

河北省某數據中心是東數西算國家戰略背景下全國互聯網數據中心（Internet Data Centre，IDC）布局的重要組成部分，規劃機架8 000架，目前已啟用數據機房23套，上架業務4 000余架，系統冷負荷約16 000 kW。機房設備的安全運行有賴于制冷系統安全可靠地輸出制冷量，一旦制冷系統出現故障，將嚴重威脅整個機房的設備環境安全[1]。目前，該數據中心的制冷系統中的壓力表多為機械式，部分區域的電子壓力表無法在現場顯示。相較于數字表的讀數直觀且準確，巡檢人員觀察機械壓力表俯仰角度的不同易造成讀數上的誤差。系統的壓力表數據需要巡檢人員定期去現場讀取，沒有監測平臺去實時接收和展現這些數據。由于數據的及時性無法保證，因此一旦系統出現壓力波動，運維人員無法第一時間感知。為解決上述問題，本文設計了一種基于窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）的壓敏報警系統。

1 系統總體設計

通過日常運維總結，A樓最高樓層重力熱管背板空調間內的冷凍水分配單元（Chilled water Distribution Unit，CDU）回水管上為整個制冷系統的壓力最低點，約為0.03 MPa。因為該點位于機房的屋頂附近，所以運維人員不方便讀取該點的機械表數據。設計將該點的機械壓力表替換成具有RS485通信功能的數顯電子壓力表，以解決運維人員讀數不準確的問題。由于該點附近的現場監控單元（Field Supervision Unit，FSU）接口數量緊張且不方便布線，因此利用NBIoT無線模塊將數據上傳至云服務器進行數據存儲和展示。通過服務器上的程序設置和應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）調用，當制冷系統出現失壓超過閾值時，準確快速發送報警至值班室。

2 系統的硬件設計

2.1 壓力采集模塊

壓力采集模塊采用型號為CYYZ11通用型壓力變送器，該產品采用不銹鋼隔離膜片的OEM壓力傳感器作為信號測量元件，并經過計算機自動測試，用激光調阻工藝進行了寬溫度范圍的零點和靈敏度溫度補償[1]。放大電路位于不銹鋼殼體內，將傳感器信號轉換為標準輸出信號，充分發揮了傳感器的技術優勢，使CYYZ11系列壓力變送器具有優異的性能。該壓力變送器抗干擾、過載和抗沖擊能力強、溫度漂移小、穩定性高，具有很高的測量精度，是工業自動化領域理想的壓力測量儀表。

壓力傳感器是在單晶硅片上擴散一個惠斯通電橋，被測介質（氣體或液體）施壓使橋壁電阻值發生變化（壓阻效應），從而產生一個差動電壓信號。此信號經專用放大器，將量程相對應的信號轉化成標準模擬信號或數字信號。壓力傳感器工作原理如圖1所示。壓力變送器通過ZC-RVVP4芯信號線纜與采集設備相連，將轉化后的標準信號傳至數據采集設備。

圖1 壓力傳感器工作原理

2.2 無線通信模塊

無線通信模塊采用M5310-A模塊，它是一款工業級的多頻段NB-IoT無線模塊，工作頻段是Band3、Band 5、Band 8，主要應用于低功耗的數據傳輸業務，滿足3GPP Release 14標準[2]。M5310-A采用Leadless Chip Carriers封裝的貼片式模塊，尺寸僅有19 mm×18.4 mm×2.2 mm。此外，M5310-A模塊采用了低功耗技術，電流功耗在節能模式下低至3 μA。

3 系統的軟件設計

系統軟件設計主要包括的任務有壓力采集模塊數據的讀取、NB-IoT模塊信息的發送與接收、云端數據展示平臺的設計、報警API的調用以及報警規則設置等[3]。

3.1 壓力采集模塊的數據讀取

CYYZ11通用型壓力變送器支持RS485格式的信號輸出，遵守Modbus-RTU通信協議。數據格式為“9 600，N，8，1”，即“9 600 b/s，無校驗，8位數據位，1位停位”。0～1.6 MPa的傳感器通信設備地址設為01，即[Address]=01，此時CRC0=84、CRC1=0a。發送數據01 03 00 00 00 01 84 0A，返回數據為01 03 02 02 AC B9 59。02AC為16進制，將其轉換成十進制為684。由于0～2000對應0～1.6 MPa，因此當前壓力為P=(1.6×684)/2 000=0.547 2 MPa。

3.2 無線通信程序設計

無線通信程序設計分為4部分，具體如下。

（1）RS485指令下發。通過USART口發送查詢指令，根據不同壓力變送器廠家的指令集、設備地址、校驗方式確定指令內容，發送頻率設置為1 s[4]。RS485s輸出接線如圖2所示。

圖2 RS485輸出接線圖

（2）RS485數據讀取及轉換。通過USART口返回的數據一般為16進制且是AD采樣的比例值，需要通過計算轉換為壓力值，具體計算公式參照廠家手冊。

（3）閾值判斷及告警觸發。根據變送器安裝位置的正常壓力設置閾值，程序循環判斷當前返回的壓力值。如果不低于閾值，則每5 min上報一次當前壓力值；如果小于閾值時觸發告警，則及時向平臺發送告警信息[5]。

（4）平臺注冊、保活及數據上傳。通過計算機與設備通信指令控制物聯網模組注冊平臺，并在生命周期內發送保活信息，保持平臺連接。如果多次信息發送不成功，則產品自動重啟。在沒有網絡的極端情況下，則后臺觸發機制，通知此設備掉線無連接。

3.3 云端數據展示平臺設計

數據展示平臺安裝于華為云服務器上，華為云通過基于瀏覽器的云管理平臺，以互聯網線上自助服務的方式為用戶提供云計算IT基礎設施服務。相較于其他云服務品牌，華為云具有價格低廉、安全性高以及易于操作和部署的特點。

通過中移物聯網有限公司的OneNet平臺，獲取實時的壓力表數據信息。為了保證數據的安全性，傳遞過程中使用OneNet平臺的加密模式。為了保證數據的安全性、準確性、完整性，將數據先推送到消息隊列，后臺對消息隊列進行消息訂閱，當消息隊列中出現新的消息時，執行相應的后臺方法對數據進行加工并存儲。數據展示平臺包含完整的用戶鑒權功能、權限管理功能，以保證數據的安全。同時，用戶界面中以表格的形式展示壓力表數據詳細信息[6]。

3.4 報警API調用

通過調用華為云上的語言通話Voice Call實現電話報警的功能，提醒值班人員快速響應并進行應急處置[7]。當從壓力傳感器上傳至云服務器上的數據達到設置的報警閾值時，觸發報警功能，程序自動調用語音通知API，請求語音通話平臺給指定的值班室電話播放語音通知[8,9]。

調用代碼示例：

4 結果測試和分析

將該系統應用到實際生產工作中，經過測試，從發生低壓告警到值班人員收到電話通知，時間間隔大約在1 min左右[10]。在接到電話后，值班人員迅速處置，預計在5 min內可以將爆管點進行隔離。再通過蓄冷罐釋冷等措施，可以快速使制冷系統恢復供冷，盡可能減少因機房高溫造成的損失。

5 結 論

基于窄帶物聯網的數據中心壓敏點報警系統不僅為運維人員在日常巡檢過程中讀取管道壓力值提供了便利，還能將實時壓力數據傳送到云服務器上。通過云平臺的展示，只要有互聯網，運維人員無論身處何地都能方便地查詢該點的壓力值，大大提升了數據采集的高效性和實時性。同時，通過報警模塊的設置，當壓力值處于閾值以下時系統會進行報警，值班人員能迅速啟動應急預案，減少因制冷系統失壓造成的嚴重損失。