基于ARM7的机房无线监控系统

摘要：为了解决机房监控中数据传输实时性差、成本高以及人工巡逻效率低的问题，讨论了ARM7的数据采集和串口通信原理，针对恶劣条件下数据传输误差大的特点，提出将GPRS无线通信和高效节能芯片LPC2114相结合的设计方案。既实时、有效地将机房信息传送到监控中心，又实现了机房的无人值守。在系统组成上提出模块化设计，模块之间通信采用RS485通信方式，最大实际传输距离可达800m，该设计既保证了数据的可靠传输，又使系统结构更加简单、性能更加稳定，为以后系统升级提供了条件。在实际应用中，无线数据终端传输速率可达40 kbps，完全能够满足将各项数据实时地传输到监控中心。
关键词：ARM7；LPC2114；GPRS；RS485；实时性；无人值守

    在机房监控中，数据的实时、有效性关系到机房设备的安全与正常运行，数据通信的可靠以及布线的方便更是关系到整个监控系统的的现实意义和推广价值。与传统监控系统相比，该系统具有实时性高、通信可靠、无需布线、无人值守等特点，实现机房监控的网络化、智能化、人性化。
    机房监控系统采用模块化设计理念，整个系统包括三大模块。主控模块以ARM7系列的微处理器LPC2114为主控芯片，实现数据处理、发送及报警功能。温湿度采集模块采用单片机AT89S52处理器，通过RS485总线将数据传送到主控模块。无线通信模块以KW2000为无线通信设备，负责将数据实时传送到监控中心。通过将三大模块的有机结合，完成了监控中心对远程机房的有效监控。

1 系统总体方案
    机房监控系统将机房中的温湿度参数、火灾信息和人员入侵等信息通过有线方式采集到主控板，核心处理器LPC2114将数据进行自动分析、处理、显示和保存，如果机房采集值有超标或人员入侵会产生报警信号。系统整体结构如图1所示。

    系统采用多级报警功能，对提高机房的安全性以及保证机房设备的正常工作具有十分重要的意义。人员入侵报警，在系统调试、安装完毕之后通过无线模块进行设防，此时液晶显示当前的温湿度信息，系统正常运行。如果非工作人员进入机房而未进行撤防操作，系统会通过双鉴红外传感器检测到人员入侵信息，通过声光报警器进行报警。温湿度值超标报警，温湿度关系到机房设备的正常运行，一旦温湿度超标系统会自动启动两路风机，一路风机负责抽风，一路风机负责排气，机房温湿度降到正常温湿度时系统会自动撤消报警。烟雾报警，系统通过烟雾传感器实时监测机房的烟雾浓度，一旦机房着火或烟雾超标，系统会自动发出报警信息。机房一旦出现以上报警中的任何一种，系统会在第一时间内将数据通过GPRS无线模块发送到监控中心。

2 GPRS无线通信
    GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GP-RS理论带宽可达171．2 kbps，实际应用带宽大约在40～100kbps，在此信道上提供TCP／IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。
2．1 GPRS无线终端特点
    监控系统采用科维KW2000系列GPRS无线透明数据传输终端。无线终端基于中国移动的GPRS网络，具有高性能、高可靠及抗干扰能力强等特点，提供标准232数据口可直接与计算机、RTU、PLG、GPS接收机、数码相机、数据终端等连接，传输速率达171 kbps，具有远程诊断、测试、监管功能，满足各行业调度或控制中心与众多远端站之间的数据采集和控制。
    1)支持900／1 800／1 900 MHz三频GSM／GPRS；
    2)接口：RS232、RS485、PCMCIA；
    3)系统理论传输速率171 kbps，实际传输速率40 kbps；
    4)支持Windows95／98／200／XP、LINUX操作系统；
    5)支持透明数据传输与协议转换；
    6)支持VPN安全功能。
2．2 GPRS数据透传终端
    GPRS数据通信终端是基于移动通信网络，针对工业监控、交通管理、金融等行业数据通信的应用开发的。与数据中心的接口设备一起提供透明数据传输通道，组成用户专用数据网络。GPRS数据通信终端原理框图如图2所示。

3 嵌入式处理器LPC2114
    LPC2114是基于一款支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-S内核的微控制器，并带有128 kB嵌入的高速Flash存储器，内部有丰富的硬件资源，在监控系统中，ARM7能够充分发挥其特性。4路10位A／D转换器，转换时间低至2．44μs；2个32位定时器、PWM单元、实时时钟和看门狗；多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速I2C接口(400 kbit／s)和2个SPI接口；通过片内PLL可实现最大为60 MHz的CPU操作频率；多达46个通用I／O口(可承受5 V电压)，12个独立外部中断引脚；片内晶振频率范围：1～30 MHz；2个低功耗模式：空闲和掉电，通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒；可通过个别使能／禁止外部功能来优化功耗。

4 系统硬件设计
    监控系统温湿度模块以单片机AT89S52为核心处理器，温湿度芯片采用数字温湿度传感器SHT10。该芯片具有精确测量相对湿度、温度；全标定输出，使用时无需重新校准；卓越的长期稳定性；高精度两线制数字接口，直接与单片机相连等特点。
温湿度模块数据传输采用RS485总线形式，RS485总线采用EIA／TIA-485标准的2线制电气接口，具有抗共模干扰能力强，多机通信和组建现场总线网络的功能，传输距离理论值可达1 200 m，在实际工程中通信距离可达800 m左右，是目前工程中应用最多的通信方式。在温湿度采集
终端，单片机工作电压为5 V，故选用MAX485芯片做电平转换，单片机AT89S52的串口TXD和RXD分别连接MAX485的DI和RO引脚，完成数据的发送与接收。在数据接收端，ARM7系列LPC2114工作电压为33 V，故选用MAX3483低功耗芯片做电平转换，LPC2114的TXD0和RXD0分别连接MAX34 83的DI和RO引脚，完成数据的接收与发送。由于RS485的A、B两端为差分信号，所以两种485芯片的A、B两端可直接相连。LPC2114的2个串口都具有串口中断方式，UART0负责接收温湿度采集数据，UART1负责与无线模块通信，两路串口都支持CPU与外设之间的异步串行数字通信，支持5～8位串行数据传送与接收，每一个通道有2个16位FIFO，系统采用串口接收的中断方式。在串口通信中接收每帧数据包后，对数据帧进行解析，判断数据是否为报警数据。串行通信接口电路如图3所示。

5 系统软件设计
    在系统主控模块，处理器LPC2114通过串口O给温湿度模块发送命令字，温湿度模块收到命令字后将采集到的温湿度数据进行打包，并进行CRC计算。CRC包含2个8位字节组成的16位值，并作为数据附加到报文中。主控模块按照约定好的通信协议进行数据接收，在数据解析过程中，重新计算CRC值，并将计算值与接收到的实际CRC值相比较，若两个值不相等，则表示出现错误。
    红外传感器和烟感传感器输出信号都为开关量，只需检测高低电平即可获取报警信息，处理器通过外部中断O和外部中断1分别检测红外传感器信号和烟感传感器信号。
    处理器LPC2114不断循环检测IO口的高低电平来检测是否有人员侵入或是否有火灾发生，通过不断发送命令字获取温湿度数据判断数据是否超过设定值。如果所有数据都是正常数据，处理器将数据进行存储，延时发送。由于GPRS采用流量计费，在一定程度上可节约成本。如果处理器获取的是报警信息，则系统在第一时间内将数据发送到监控中心。系统主流程如图4所示。图中X为温湿度数据，Y为红外信号，Z为烟感信号。

6 结束语
    机房监控系统采用模块化设计，保证了系统稳定、可靠地运行，为日后系统的升级与维护提供了便捷的措施。简单、快速的数据通信方式保证了数据准确无误的传输。
    系统将GPRS无线通信技术成功地运用到ARM7TDMIS系统中，实现了机房环境中各项参数快速、准确的传输，保证了机房设备能在正常环境下运行，解决了传统机房监控中人工巡逻及布线复杂等问题，实现了机房网络化管理和无人值守的目标。