图1 网络机柜微环境智能监控系统总体结构
周立人1， 公茂法1， 公政2， 姜文2， 宋祥民1
(1.山东科技大学 电气与自动化工程学院， 山东 青岛 266510；
2.国网山东电力潍坊供电公司， 山东 潍坊 261000)
摘要：为提高网络机柜的故障预警处置能力，设计了网络机柜微环境智能监控系统。该系统通过安装在机柜上的嵌入式终端采集电能和非电能信息并通过以太网传输至Web服务器。采集信息异常或机柜故障时，终端智能报警并发送短信提示异常情况。试验结果表明，该系统对异常和故障定位迅速准确，远程控制功能稳定可靠。
关键词：网络机柜； 微环境； 智能监控
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.1135.019.html
目前，传统的机房监控系统把重点放在对大环境类和动力类设备的监控之上，忽视了对机柜内部环境的监控。机柜内部安装有大量的IT设备，这些设备是机柜的核心所在，也是机房的心脏部位，监控好机柜内部微环境，包括温度、湿度、电能参数、开关状态、烟雾浓度等指数变化，出现异常情况时发出预警信号，可把故障隐患排除在早期。本文秉持网络机房“无人值守”的设计理念[1]，以机柜内部微环境为研究对象，设计了网络机柜微环境智能监控系统，旨在推动监控系统的精细化、微小化建设，提升监控效能。
网络机柜微环境智能监控系统总体结构如图1所示。机房中的每个机柜都安装有嵌入式终端，终端全面采集机柜内部的电能和非电能信息，并经多功能交换机，利用以太网信道将信息传输至Web服务器。系统采用B/S架构网络管理模式，支持多用户多权限机制，监控站人员可以用计算机、平板或手机中的标准浏览器，在任何时间、不受地域限制地对各个机柜状态进行监控。当发生故障时，终端发出声光报警和短信提示，监控站人员根据短信提示进入相应机柜监控界面，该界面自动跟踪到故障处数据监视界面，通过数据分析操作开关设备，远程切除故障，保护柜内以及机房内其他设备安全。数据库服务器不仅可以协调不同Web服务器SQL请求[2]，还统一管理终端上传的监测与故障信息，配合网络打印机的故障分析图表定时上报功能，使系统具有告警冗余机制，减少事故漏报率，有利于后期对故障进行追溯。
2.1 嵌入式终端硬件结构
嵌入式终端硬件结构如图2所示。STM32F103ZET6为主控芯片，ATT7022B三相电能专用计量电路监测机柜2路电源交流输入的电压、电流、频率、有功及无功功率等三相电能信息[3-4]。为了防止机柜局部过热，设置多路DHT11传感器监测柜内温度、相对湿度数据；MQ-2烟雾传感器采集烟雾浓度信号，信号放大后由STM32F103ZET6自带的A/D通道转换成数字信号[5]，并与阈值进行比较，预防火灾。读卡器读取门禁卡的NFC标签，PN532模块借助天线接收射频信号，STM32F103ZET6分析解码调制后的数据，实现门禁功能[6]。FLASH W25X16实现掉电保护功能，SD卡分类存储包括历史数据在内的大文件信息。
图1 网络机柜微环境智能监控系统总体结构
图2 嵌入式终端硬件结构
STM32F103ZET6通过外扩的ENC28J60网络接口将监测到的信息上传至Web服务器[7]，供监控站人员监视，当故障发生时，进行声光报警，并控制SIM900A模块发送短信提示[8]，监控站人员可通过Web监控界面远程切除故障。
2.2 电能采样电路
虽然现在机柜都是双电源供电，但电源质量监测仍然是网络机柜微环境监控系统的重点。通常网络机柜电源的最大输入电流分配是10，16，32 A或63 A；最大输入电压分配是110，220 V或380 V，可直接与ATT7022B三相电能专用计量电路相连。对于特殊高电压等级的网络机柜，可在机柜电源输入端接电压互感器PT和电流互感器CT，按国家规定将一次侧高电压、大电流转换为二次侧100 V测量电压、5 A测量电流，便于ATT7022B三相电能专用计量电路计量，同时要注意PT二次侧不能短路，CT二次侧不能开路。
220 V，5 A等级电能采样电路如图3所示。电能采样原理：大电压、大电流信号分别间接或者直接通过不同变比的电流互感器转换为小电流信号，然后经取样电阻取样，最后通过抗混叠滤波电路滤波进入ATT7022B A/D通道[9]。
ATT7022B手册规定电压A/D通道期望电压为0.5 V，电流A/D通道期望电压为0.1 V。以A相为例，为保证电能计量精度，可根据式(1)、式(2)自行设计各种机柜电压、电流监测等级电能采样电路。
(1)
(2)
式中：UA为电压等级；IA为电流等级；t1，t2分别为T1和T2的电流变比。
图3 电能采样电路
3.1 主程序
μC/OS-III系统具有严格的及时事件响应和极好的稳定性能，非常适用于网络机柜微环境监控系统。将μC/OS-III多任务系统移植进STM32F103ZET6，为监控系统各个功能程序创建任务块，并根据任务类型设置优先级。任务量的大小决定分配堆栈的大小，任务统一由调度器管理，并且中断也交由μC/OS-III系统使能和除能[10]。由于STM32F103ZET6内核速度限制，设置系统时钟频率为1 Hz，即任务最小时间调度间隔为1 ms，当遇到需要延时低于1 ms的程序语句时，需要暂时关闭系统调度功能。系统主程序流程如图4所示。
图4 系统主程序流程
3.2 嵌入式终端Web服务器程序
要实现以太网通信，必须处理好每一层的TCP/IP协议，这里通过裁剪移植1.3.2版本的LwIP轻量级协议栈进STM32F103ZET6，由μC/OS-III系统管理调度。LwIP网络应用层接口函数采用B/S架构，即浏览器/服务器方式设计，这种函数被称为API函数，非常适合在μC/OS-III系统基础上开发[11]。
每个机柜装设的嵌入式终端本身就是一个Web服务器，绑定有自己的IP，工作人员通过不同的IP选择要访问的嵌入式终端，通过浏览器监控界面向STM32F103ZET6发送HTTP协议头信息，“GET”和“POST”请求索取或修改Web服务器中的数据，其中，“GET”请求把表单数据显式存在URI里，对长度和数据值编码有限制，“POST”请求把表单数据放在HTTP请求体中，对长度无限制。当STM32F103ZET6监测到故障数据，立即回传故障数据所在的网页信息，便于故障及时处理。简化的嵌入式终端Web服务器程序流程如图5所示。
图5 简化的嵌入式终端Web服务器程序流程
4.1 故障报警监控界面跟踪切换功能验证
1号机柜220 V电源输入侧装设有低压漏电塑壳断路器，型号为DZ47LE-63-1P/16A，额定电流为16 A。设置电源输入电流阈值为80%的额定电流值，即13 A。利用ST9001D5-3三相电能整定装置往A相输入15 A电流，电流超过阈值，终端的蜂鸣器响，LED红灯亮，并收到短信通知。根据短信提示，在IE浏览器界面输入故障1号机柜的IP地址：192.168.140.18，Web页面越过主界面，直接跳转到A相故障数据参数监测界面，在该界面还可以监测其他电能和非电能数据。试验证明故障跟踪界面切换功能正常，电压、电流有效值计量精度达到0.5 s。
4.2 远程切除故障功能验证
由于试验设备有限，用继电器开关和LED灯模拟断路器对远程切除故障功能进行验证。模拟A相电流为15 A，该值十分接近电源进线端断路器额定电流值，为了保护柜内重要IT设备，将故障威胁降到最低，应断开断路器，切换到备用电源回路。以断路器断开操作为例，在DZ47LE-63-1P/16A断路器控制界面选择“断开断路器”选项，点击“控制”按钮，继电器动作，LED亮，开关监控模块回传开关状态信息，在界面上显示断路器状态为“断开”，验证了远程切除故障功能正常。
设计了机房机柜内部微环境监控系统，对现有机房监管系统进行有益补充和改善，推动监控对象由宏观大环境向微环境转变，符合监控系统智能化、精细化发展要求。试验结果表明，该监控系统监测数据全面精准，模拟故障监控界面智能切换到位，报警提示及时，这不仅提高了对机柜故障的快速反应处置能力，而且对机房完全实现无人值守、提升安全监管品质具有深远的意义。
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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
中图分类号：TD611
文献标志码：A 网络出版时间：2016-04-05 11:35
文章编号：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.网络机柜微环境智能监控系统设计[J].工矿自动化，2016,42(4)：77-80.