周立人，　公茂法，　公政，　姜文，　宋祥民

(1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 山東 青島　266510；

2.國網(wǎng)山東電力濰坊供電公司， 山東 濰坊　261000)

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網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜微環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周立人1，公茂法1，公政2，姜文2，宋祥民1

(1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 山東 青島266510；

2.國網(wǎng)山東電力濰坊供電公司， 山東 濰坊261000)

摘要：為提高網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜的故障預(yù)警處置能力，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜微環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過安裝在機(jī)柜上的嵌入式終端采集電能和非電能信息并通過以太網(wǎng)傳輸至Web服務(wù)器。采集信息異?；驒C(jī)柜故障時(shí)，終端智能報(bào)警并發(fā)送短信提示異常情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對異常和故障定位迅速準(zhǔn)確，遠(yuǎn)程控制功能穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜； 微環(huán)境； 智能監(jiān)控

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.1135.019.html

0引言

目前，傳統(tǒng)的機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)把重點(diǎn)放在對大環(huán)境類和動(dòng)力類設(shè)備的監(jiān)控之上，忽視了對機(jī)柜內(nèi)部環(huán)境的監(jiān)控。機(jī)柜內(nèi)部安裝有大量的IT設(shè)備，這些設(shè)備是機(jī)柜的核心所在，也是機(jī)房的心臟部位，監(jiān)控好機(jī)柜內(nèi)部微環(huán)境，包括溫度、濕度、電能參數(shù)、開關(guān)狀態(tài)、煙霧濃度等指數(shù)變化，出現(xiàn)異常情況時(shí)發(fā)出預(yù)警信號，可把故障隱患排除在早期。本文秉持網(wǎng)絡(luò)機(jī)房“無人值守”的設(shè)計(jì)理念[1]，以機(jī)柜內(nèi)部微環(huán)境為研究對象，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜微環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，旨在推動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的精細(xì)化、微小化建設(shè)，提升監(jiān)控效能。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜微環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。機(jī)房中的每個(gè)機(jī)柜都安裝有嵌入式終端，終端全面采集機(jī)柜內(nèi)部的電能和非電能信息，并經(jīng)多功能交換機(jī)，利用以太網(wǎng)信道將信息傳輸至Web服務(wù)器。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)管理模式，支持多用戶多權(quán)限機(jī)制，監(jiān)控站人員可以用計(jì)算機(jī)、平板或手機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)瀏覽器，在任何時(shí)間、不受地域限制地對各個(gè)機(jī)柜狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，終端發(fā)出聲光報(bào)警和短信提示，監(jiān)控站人員根據(jù)短信提示進(jìn)入相應(yīng)機(jī)柜監(jiān)控界面，該界面自動(dòng)跟蹤到故障處數(shù)據(jù)監(jiān)視界面，通過數(shù)據(jù)分析操作開關(guān)設(shè)備，遠(yuǎn)程切除故障，保護(hù)柜內(nèi)以及機(jī)房內(nèi)其他設(shè)備安全。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器不僅可以協(xié)調(diào)不同Web服務(wù)器SQL請求[2]，還統(tǒng)一管理終端上傳的監(jiān)測與故障信息，配合網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)的故障分析圖表定時(shí)上報(bào)功能，使系統(tǒng)具有告警冗余機(jī)制，減少事故漏報(bào)率，有利于后期對故障進(jìn)行追溯。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1嵌入式終端硬件結(jié)構(gòu)

嵌入式終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。STM32F103ZET6為主控芯片，ATT7022B三相電能專用計(jì)量電路監(jiān)測機(jī)柜2路電源交流輸入的電壓、電流、頻率、有功及無功功率等三相電能信息[3-4]。為了防止機(jī)柜局部過熱，設(shè)置多路DHT11傳感器監(jiān)測柜內(nèi)溫度、相對濕度數(shù)據(jù)；MQ-2煙霧傳感器采集煙霧濃度信號，信號放大后由STM32F103ZET6自帶的A/D通道轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號[5]，并與閾值進(jìn)行比較，預(yù)防火災(zāi)。讀卡器讀取門禁卡的NFC標(biāo)簽，PN532模塊借助天線接收射頻信號，STM32F103ZET6分析解碼調(diào)制后的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)門禁功能[6]。FLASH W25X16實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)功能，SD卡分類存儲包括歷史數(shù)據(jù)在內(nèi)的大文件信息。

圖1　網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜微環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2　嵌入式終端硬件結(jié)構(gòu)

STM32F103ZET6通過外擴(kuò)的ENC28J60網(wǎng)絡(luò)接口將監(jiān)測到的信息上傳至Web服務(wù)器[7]，供監(jiān)控站人員監(jiān)視，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警，并控制SIM900A模塊發(fā)送短信提示[8]，監(jiān)控站人員可通過Web監(jiān)控界面遠(yuǎn)程切除故障。

2.2電能采樣電路

雖然現(xiàn)在機(jī)柜都是雙電源供電，但電源質(zhì)量監(jiān)測仍然是網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜微環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的重點(diǎn)。通常網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜電源的最大輸入電流分配是10，16，32 A或63 A；最大輸入電壓分配是110，220 V或380 V，可直接與ATT7022B三相電能專用計(jì)量電路相連。對于特殊高電壓等級的網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜，可在機(jī)柜電源輸入端接電壓互感器PT和電流互感器CT，按國家規(guī)定將一次側(cè)高電壓、大電流轉(zhuǎn)換為二次側(cè)100 V測量電壓、5 A測量電流，便于ATT7022B三相電能專用計(jì)量電路計(jì)量，同時(shí)要注意PT二次側(cè)不能短路，CT二次側(cè)不能開路。

220 V，5 A等級電能采樣電路如圖3所示。電能采樣原理：大電壓、大電流信號分別間接或者直接通過不同變比的電流互感器轉(zhuǎn)換為小電流信號，然后經(jīng)取樣電阻取樣，最后通過抗混疊濾波電路濾波進(jìn)入ATT7022B A/D通道[9]。

ATT7022B手冊規(guī)定電壓A/D通道期望電壓為0.5 V，電流A/D通道期望電壓為0.1 V。以A相為例，為保證電能計(jì)量精度，可根據(jù)式(1)、式(2)自行設(shè)計(jì)各種機(jī)柜電壓、電流監(jiān)測等級電能采樣電路。

(1)

(2)

式中：UA為電壓等級；IA為電流等級；t1，t2分別為T1和T2的電流變比。

圖3　電能采樣電路

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序

μC/OS-III系統(tǒng)具有嚴(yán)格的及時(shí)事件響應(yīng)和極好的穩(wěn)定性能，非常適用于網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜微環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。將μC/OS-III多任務(wù)系統(tǒng)移植進(jìn)STM32F103ZET6，為監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)功能程序創(chuàng)建任務(wù)塊，并根據(jù)任務(wù)類型設(shè)置優(yōu)先級。任務(wù)量的大小決定分配堆棧的大小，任務(wù)統(tǒng)一由調(diào)度器管理，并且中斷也交由μC/OS-III系統(tǒng)使能和除能[10]。由于STM32F103ZET6內(nèi)核速度限制，設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為1 Hz，即任務(wù)最小時(shí)間調(diào)度間隔為1 ms，當(dāng)遇到需要延時(shí)低于1 ms的程序語句時(shí)，需要暫時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)調(diào)度功能。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)主程序流程

3.2嵌入式終端Web服務(wù)器程序

要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，必須處理好每一層的TCP/IP協(xié)議，這里通過裁剪移植1.3.2版本的LwIP輕量級協(xié)議棧進(jìn)STM32F103ZET6，由μC/OS-III系統(tǒng)管理調(diào)度。LwIP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層接口函數(shù)采用B/S架構(gòu)，即瀏覽器/服務(wù)器方式設(shè)計(jì)，這種函數(shù)被稱為API函數(shù)，非常適合在μC/OS-III系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)[11]。

每個(gè)機(jī)柜裝設(shè)的嵌入式終端本身就是一個(gè)Web服務(wù)器，綁定有自己的IP，工作人員通過不同的IP選擇要訪問的嵌入式終端，通過瀏覽器監(jiān)控界面向STM32F103ZET6發(fā)送HTTP協(xié)議頭信息，“GET”和“POST”請求索取或修改Web服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，其中，“GET”請求把表單數(shù)據(jù)顯式存在URI里，對長度和數(shù)據(jù)值編碼有限制，“POST”請求把表單數(shù)據(jù)放在HTTP請求體中，對長度無限制。當(dāng)STM32F103ZET6監(jiān)測到故障數(shù)據(jù)，立即回傳故障數(shù)據(jù)所在的網(wǎng)頁信息，便于故障及時(shí)處理。簡化的嵌入式終端Web服務(wù)器程序流程如圖5所示。

圖5　簡化的嵌入式終端Web服務(wù)器程序流程

4試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1故障報(bào)警監(jiān)控界面跟蹤切換功能驗(yàn)證

1號機(jī)柜220 V電源輸入側(cè)裝設(shè)有低壓漏電塑殼斷路器，型號為DZ47LE-63-1P/16A，額定電流為16 A。設(shè)置電源輸入電流閾值為80%的額定電流值，即13 A。利用ST9001D5-3三相電能整定裝置往A相輸入15 A電流，電流超過閾值，終端的蜂鳴器響，LED紅燈亮，并收到短信通知。根據(jù)短信提示，在IE瀏覽器界面輸入故障1號機(jī)柜的IP地址：192.168.140.18，Web頁面越過主界面，直接跳轉(zhuǎn)到A相故障數(shù)據(jù)參數(shù)監(jiān)測界面，在該界面還可以監(jiān)測其他電能和非電能數(shù)據(jù)。試驗(yàn)證明故障跟蹤界面切換功能正常，電壓、電流有效值計(jì)量精度達(dá)到0.5 s。

4.2遠(yuǎn)程切除故障功能驗(yàn)證

由于試驗(yàn)設(shè)備有限，用繼電器開關(guān)和LED燈模擬斷路器對遠(yuǎn)程切除故障功能進(jìn)行驗(yàn)證。模擬A相電流為15 A，該值十分接近電源進(jìn)線端斷路器額定電流值，為了保護(hù)柜內(nèi)重要IT設(shè)備，將故障威脅降到最低，應(yīng)斷開斷路器，切換到備用電源回路。以斷路器斷開操作為例，在DZ47LE-63-1P/16A斷路器控制界面選擇“斷開斷路器”選項(xiàng)，點(diǎn)擊“控制”按鈕，繼電器動(dòng)作，LED亮，開關(guān)監(jiān)控模塊回傳開關(guān)狀態(tài)信息，在界面上顯示斷路器狀態(tài)為“斷開”，驗(yàn)證了遠(yuǎn)程切除故障功能正常。

5結(jié)語

設(shè)計(jì)了機(jī)房機(jī)柜內(nèi)部微環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，對現(xiàn)有機(jī)房監(jiān)管系統(tǒng)進(jìn)行有益補(bǔ)充和改善，推動(dòng)監(jiān)控對象由宏觀大環(huán)境向微環(huán)境轉(zhuǎn)變，符合監(jiān)控系統(tǒng)智能化、精細(xì)化發(fā)展要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)全面精準(zhǔn)，模擬故障監(jiān)控界面智能切換到位，報(bào)警提示及時(shí)，這不僅提高了對機(jī)柜故障的快速反應(yīng)處置能力，而且對機(jī)房完全實(shí)現(xiàn)無人值守、提升安全監(jiān)管品質(zhì)具有深遠(yuǎn)的意義。

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Design of microenvironment intelligent monitoring system of network cabinet

ZHOU Liren1，GONG Maofa1，GONG Zheng2，JIANG Wen2，SONG Xiangmin1

(1.College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology,

Qingdao 266510, China;

2.State Grid Shandong Weifang Electric Power Company, Weifang 261000, China)

Abstract:To improve the ability of network cabinet to deal with early warning and failure, a microenvironment intelligent monitoring system of network cabinet was designed. The system installs embedded terminal in the cabinet, collects power and non-power information and transmits to Web server via Ethernet. When collecting information was abnormal or cabinet fault occurs, the terminal can alarm intelligently and send SMS tips to remind abnormal situation. The experimental results show that the system can quickly and accurately locate abnormal and failure, and its remote control function is stable and reliable.

Key words:network cabinet; microenvironment; intelligent monitoring

中圖分類號：TD611

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-04-05 11:35

文章編號：1671-251X(2016)04-0077-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.04.019

周立人，公茂法，公政，等.網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜微環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(4)：77-80.