摘   要： 為了緩解電信運(yùn)營(yíng)商互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心IDC(Internet Data Center)機(jī)房的用電量壓力，針對(duì)IDC機(jī)房?jī)?nèi)服務(wù)器租用業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，向服務(wù)器租用者收取一定的用電費(fèi)用成為IDC運(yùn)營(yíng)商的一種管理方式,建立統(tǒng)一集中的用電量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為這種管理方式的技術(shù)關(guān)鍵。設(shè)計(jì)了一種分布式服務(wù)器電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在前端采用霍爾電流傳感器對(duì)每個(gè)服務(wù)器機(jī)柜的電流進(jìn)行采集,由內(nèi)嵌μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)的電流采集器負(fù)責(zé)收集電流信息。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)采集、集中監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程管理等功能。
關(guān)鍵詞： 服務(wù)器電流; 實(shí)時(shí)采集; 集中監(jiān)測(cè); ARM

    隨著我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)的普及，IDC機(jī)房的數(shù)量和其中的服務(wù)器隨著其業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展而迅速擴(kuò)大，計(jì)量呈幾何級(jí)增長(zhǎng)。為了緩解不斷攀升的用電成本問題，針對(duì)IDC機(jī)房服務(wù)器租用業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，對(duì)每個(gè)向外出租的服務(wù)器用電量進(jìn)行分別計(jì)量和監(jiān)測(cè)進(jìn)而計(jì)費(fèi)成為了電信運(yùn)營(yíng)商的一種管理方式。本文設(shè)計(jì)了一種分布式服務(wù)器電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)IDC大樓分布的服務(wù)器電流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程化、網(wǎng)絡(luò)化在線監(jiān)測(cè)，進(jìn)而對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于對(duì)不同租用者進(jìn)行電費(fèi)計(jì)量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)服務(wù)器的用電情況，預(yù)防用電超過安全范圍而導(dǎo)致的危險(xiǎn)事故，以及對(duì)服務(wù)器或供電設(shè)備的用電歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢分析，為管理部門提供決策依據(jù)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    如圖1所示，分布式服務(wù)器電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，分別為前端電流互感器、電流采集器、監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器和控制臺(tái)。其中電流互感器采用霍爾器件，用于實(shí)時(shí)采集服務(wù)器電流并輸出采樣信號(hào)；采集器是為本系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)的硬件設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)IDC大樓機(jī)房?jī)?nèi)服務(wù)器電流的實(shí)時(shí)采集、計(jì)算處理、數(shù)據(jù)上傳、與監(jiān)測(cè)中心通信等功能的集成；監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器為整個(gè)后臺(tái)提供數(shù)據(jù)庫程序，是負(fù)責(zé)收集和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中心；控制臺(tái)軟件完成日常維護(hù)和數(shù)據(jù)查詢功能。

2 電流互感器
    霍爾電流傳感器具有優(yōu)越的電性能，具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)和不損失被測(cè)電路能量等諸多優(yōu)點(diǎn)。
    本系統(tǒng)采用閉環(huán)型霍爾電流傳感器,型號(hào)為TKC50BA/BR，可直接測(cè)量交流電流、直流電流以及脈沖電流等，額定輸入電流為50 A，輸出信號(hào)的額定電壓為4±1%V。
3 電流采集器
3.1 硬件電路設(shè)計(jì)
    電流采集器硬件電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    電流采集器采用基于ARM Cortex-M3架構(gòu)的STM32F103微處理芯片。由于STM32芯片的供電范圍是2.0~3.6 V，所以在STM32處理器的供電引腳和5 V開關(guān)電源之間增加一電壓調(diào)節(jié)電路，以提供合適的供電電壓。在STM32處理器上外擴(kuò)了網(wǎng)絡(luò)接口芯片以提供以太網(wǎng)接口。電流采集器內(nèi)集成了WiFi模塊接口電路，可為電流采集器增添WiFi數(shù)據(jù)模塊支持。電路中內(nèi)置了GPRS通信模塊接口電路，電流采集器與監(jiān)測(cè)中心之間的通信還可以采用移動(dòng)蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的通信方式。
　系統(tǒng)調(diào)試接口，用于實(shí)現(xiàn)電流采集器軟件程序的下載與在線調(diào)試的功能。RS232有線/無線通信電路主要作用是電流采集器的配置以及測(cè)試功能。E2PROM存儲(chǔ)電路的主要功能一是將自身的IP地址信息以及自身參數(shù)配置信息永久地存儲(chǔ)以供每次設(shè)備重啟時(shí)調(diào)用；二是將電路非正常工作時(shí)的故障信息儲(chǔ)存在E2PROM存儲(chǔ)電路里，方便以后故障排查時(shí)讀取或測(cè)試狀態(tài)下通過串口讀取。
3.1.1 霍爾電流傳感器輸入電路及A/D調(diào)理采樣電路
    每個(gè)電流采集器可輸入32路霍爾電流傳感器信號(hào)，為了節(jié)省處理器引腳與電子元器件，將這32路信號(hào)首先經(jīng)過32個(gè)運(yùn)放調(diào)理電路后經(jīng)由4個(gè)8選1模擬多路復(fù)用器縮減為4路，然后再將4路信號(hào)經(jīng)過同樣模擬
多路復(fù)用器縮減為1路，這樣只需通過控制模擬多路復(fù)用器的選通功能即可依次將32路信號(hào)連接至下級(jí)電路。設(shè)計(jì)中模擬多路復(fù)用器選用型號(hào)為ADG508AKR的芯片，電路如圖3所示。

    選通的信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放調(diào)理電路后送入有效值交流轉(zhuǎn)換直流芯片，轉(zhuǎn)換為直流電壓后接入16位的高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，處理器的SPI接口通過光耦和A/D芯片通信，將A/D轉(zhuǎn)換接口通過光耦與A/D芯片通信，將A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀入處理器中。本設(shè)計(jì)使用了型號(hào)為AD7705的2通道的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片， A/D采集電路如圖4所示。
3.1.2 以太網(wǎng)接口電路
    電流采集器與監(jiān)測(cè)中心之間采用TCP/IP協(xié)議通信，需要在采集器硬件電路中設(shè)計(jì)以太網(wǎng)通信模塊。本設(shè)計(jì)使用了型號(hào)為ENC28J60的以太網(wǎng)控制芯片，與目前大多數(shù)符合IEEE 802.3協(xié)議規(guī)定的以太網(wǎng)控制芯片相比，ENC28J60采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，只需將其芯片上的SPI引腳和STM32的SPI引腳對(duì)應(yīng)相連，RESET引腳直接與STM32的復(fù)位引腳NRST相連，中斷引腳可直接連接至STM32任一中斷引腳上，即可實(shí)現(xiàn)通信。使用ENC28J60可很大程度上簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，并減小所占用PCB板的空間。以太網(wǎng)通信電路的硬件設(shè)計(jì)如圖5所示。整個(gè)電路由時(shí)鐘振蕩器、復(fù)位電路、輸入/輸出電平、變壓器等構(gòu)成。

3.1.3 其他外圍電路
    與處理器相連的其他外圍電路主要有供電電路、系統(tǒng)調(diào)試接口電路、RS232通信電路、E2PROM存儲(chǔ)電路、WiFi模塊接口電路和GPRS模塊接口電路等。
3.2 軟件設(shè)計(jì)
    電流采集器軟件使用C語言編寫，在RealView MDK下開發(fā)完成。其主要功能有：電流采集、數(shù)據(jù)通信和參數(shù)更新等。
    電流采集器軟件以μCOS-Ⅱ操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，上電啟動(dòng)后，進(jìn)行?滋COS-Ⅱ操作系統(tǒng)的初始化，隨后進(jìn)入設(shè)定的任務(wù)程序，μCOS-Ⅱ的任務(wù)型設(shè)計(jì)為程序的模塊化設(shè)計(jì)提供了簡(jiǎn)便的思路，每個(gè)任務(wù)是電流采集器程序的核心。基于μCOS-Ⅱ的電流采集器軟件主程序流程圖如圖6所示。

    軟件運(yùn)行后，電流采集器服務(wù)程序與監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器程序、控制臺(tái)程序與監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器程序均建立TCP/IP通信并維持；監(jiān)測(cè)中心服務(wù)后臺(tái)程序定時(shí)采集電流采集器設(shè)備的電流值及連接狀態(tài)并寫入數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)出現(xiàn)告警信息時(shí)就將信息存至數(shù)據(jù)庫，等待每次控制臺(tái)程序的讀取或命令。
3.2.1 監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器
    監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的中樞，負(fù)責(zé)接收電流采集器上傳的數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)等信息并寫入數(shù)據(jù)庫，同時(shí)向各采集器下傳控制指令的運(yùn)行參數(shù)，并提供面向控制臺(tái)軟件的數(shù)據(jù)訪問與命令接收，其核心是服務(wù)器后臺(tái)的數(shù)據(jù)通信軟件與數(shù)據(jù)庫管理軟件。整個(gè)服務(wù)器數(shù)據(jù)通信軟件的流程圖如圖7所示。

3.2.2 控制臺(tái)電流監(jiān)測(cè)軟件
    控制臺(tái)電流監(jiān)測(cè)軟件是為用戶提供良好的人機(jī)交互界面，軟件開發(fā)選用了Microsoft公司的Visual Studio 2005開發(fā)工具。在人機(jī)交互界面上采用事件觸發(fā)的模式編寫軟件，按下特定的按鈕觸發(fā)相應(yīng)的程序。軟件按功能被劃分為前臺(tái)的顯示、查詢、控制、參數(shù)設(shè)置、報(bào)表以及后臺(tái)的通信程序幾大模塊。
4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果與分析
    對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室調(diào)試并初步通過后，將其安裝在IDC機(jī)房?jī)?nèi)，在配電柜上測(cè)量8個(gè)服務(wù)器機(jī)柜電源實(shí)際的電流有效值，并與控制臺(tái)軟件顯示的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，數(shù)據(jù)對(duì)比與誤差如表1所示。因?yàn)槊總€(gè)服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)安裝有A、B兩路電源分別為其內(nèi)設(shè)備供電，故表中每個(gè)機(jī)柜測(cè)量時(shí)分為A路和B路。

    在表1中，2I01的B路和2I18的A路有實(shí)測(cè)電流值而監(jiān)測(cè)電流值為0，經(jīng)分析與排查得知原因是：此型號(hào)的霍爾電流傳感器在測(cè)量過小電流時(shí)，其靈敏度不高，這是由于忽略了將服務(wù)器機(jī)柜電源線在傳感器上繞3圈以增大電流強(qiáng)度、提高測(cè)量精度的措施，從而導(dǎo)致測(cè)量的小電流無顯示的問題。2I01的A路數(shù)據(jù)誤差過大同樣是由于忽略了傳感器上電源線繞3圈的措施，導(dǎo)致顯示數(shù)據(jù)只有實(shí)際值的1/3左右。另外2I04的A、B路、2I09的B路以及2I17的B路數(shù)據(jù)和配電柜測(cè)得的實(shí)際數(shù)據(jù)相比過小，且超過可接受范圍，經(jīng)排查原因是在布線安裝電流傳感器位置不得當(dāng)所導(dǎo)致。最佳的安裝位置是電流垂直通過霍爾傳感器測(cè)量面。其他組數(shù)據(jù)的誤差均小于5%，處于設(shè)計(jì)要求的范圍之內(nèi)。
    本文介紹了基于STM32的分布式服務(wù)器電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中本著可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的原則，達(dá)到集中監(jiān)測(cè)分布在IDC內(nèi)服務(wù)器機(jī)柜電流有效值大小的目的。電流采集器的微處理器采用了基于 ARM-Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器 STM32F03，其最高工作頻率可達(dá)到72 MHz，并且內(nèi)嵌成熟穩(wěn)定的μCOS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，能滿足實(shí)時(shí)采集服務(wù)器機(jī)柜電流有效值和其他實(shí)時(shí)任務(wù)的要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 馮俊.交流輸入電壓電流監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界，2010(5):46-51.
[2] 張保平,師奕兵,王志剛.一種分布式多通道微弱電流采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù),2011，30(4):34-37.
[3] Microchip. Make a Delta-Sigma Converter Using a Microcontroller′s Analog Comparator Module[Z]. 1998.
[4] 劉暢生, 寇寶明. 霍爾傳感器實(shí)用手冊(cè)[M]. 北京:中國(guó)電力出版社,2009.