基于S3C6410的机房智能监控系统设计

摘要：给出了一种对机房重要场所的环境参数及设备状态进行监控及报警的机房智能监控系统的设计方法。该系统主要由处理器、网卡、USB、A／D、数字信号采集、RS485、RS232等模块组成，其中处理器芯片选用三星公司的S3C6410芯片，操作系统由自裁剪的Linux 2．6．38内核和UBIFS文件系统构成。系统整体采用B／S架构，操作系统内移植了嵌入式数据库SQLite 3．7．4及嵌入式Web服务器Apache，结合PHP、HTML等脚本语言，将各项环境参数及指标在网页中实时、直观、友好地呈现给用户。
关键词：S3C6410；Linux 2. 6．38；UBIFS；SOLite 3．7．4；Apache服务器

0 引言
    随着信息化程度的不断提高，机房计算机系统设备的数量与日俱增，其环境设备也日益增多，机房环境设备(如供配电系统、UPS电源、空调、消防系统、保安系统等)必须时时刻刻为计算机系统提供正常的运行环境。因此，对机房环境实施监控就显得尤为重要。而传统的机房多采用人工值守的监控方式，费时费力，且往往达不到实时、全天候、全方位监控的目的。因此，便捷的、可靠的、安全的机房监控系统设计与开发显得尤为重要。
    机房智能监控系统主要是对机房设备的运行状态、温度、湿度、洁净度以及供电的电压、电流、频率、配电系统的开关状态、测漏系统等进行实时监控并记录历史数据，从而实现对机房各项环境参数的实时监控功能，对存在的安全隐患能够及时报警，并自动采取对应的应急措施，为机房高效的管理和安全运行提供有力保障。

1 系统框架设计
    中心机房智能控制器采用嵌入式操作系统，内嵌数据库，采用RS485总线接口。嵌入式操作系统稳定可靠、可扩展性强；通过嵌入式系统中内嵌的数据库，可以方便地对采集的数据进行归类、分析及处理：RS485总线接口通信距离远、稳定，可以支持32个节点的数据传输。
    中心机房智能控制器采用B／S架构，内嵌Web服务器。管理员可以通过上位机直接访问嵌入式集成智能控制器的Web服务器，直接通过网页对智能控制器中的数据进行查看和修改，从而大大减少了用户的工作量及成本。Web服务器可以图表的形式显示用户需要查看的数据，并可以对于处在不同范围内的数据采用不同的颜色进行显示，以示区别。显示内容直观、便捷、美观，增强了系统的用户体验。

    图1所示是中心机房控制系统结构图。本系统通过各类传感器实时监测和采集机房环境数据，并将这些数据反馈给中心机房，以便工作人员对采集到的数据进行分析和评估。一旦数据(例如温度、水压)超过了预设的限定值，智能控制器集成的GPRS模块就会自动发送报警信息到机房管理人员的手机上，机房管理人员就能根据报警信息追踪到问题现场，以便及时采取应对措施。

2 系统硬件平台设计
    图2所示是中心机房智能控制器硬件框图。本系统中心机房智能控制器的硬件主要由11个模块组成：CPU处理器模块、内存模块、NAND FLASH模块、NOR FLASH模块、电源模块、GPRS模块、RS485总线接口、以太网接口、USB接口、扩展串口、预留GPIO接口。其中，CPU处理器模块、内存模块、NAND FLASH模块、NOR FLASH模块集成在mini6410核心板上；自制外围板包含有DM9000网卡模块、3路USB扩展接口模块、8路A／D采集模块、8路数字信号采集模块、两路RS485接口模块以及扩展的两路串口模块。

2．1 网卡模块
    网卡模块采用DM9000网卡芯片，可以自适应10／100M网络，RJ45连接头内部已经包含了耦合线圈，因此不必另接网络变压器，而是使用普通的网线直连路由器或者交换机即可实现以太网的接口。
2．2 USB模块
    USB模块对mini6410核心板的USB接口进行了外扩，外扩的USB接口可以接USB摄像头、USB键盘、USB鼠标、优盘等常见的USB外设，还可以接USBHub进行扩展，各个OS均已经自带USBHub驱动，因此不必另外编写或配置。本系统的USB接口外接GPRS模块，因此，可将异常的监测结果实时通过外接的GPRS模块以短信的形式发送到管理员的手机上。
2．3 模拟信号采集模块
    通过模拟信号采集模块，可将温湿度传感器输出的模拟信号经过限幅、滤波等调整后，输入给S3C6410的A／D转换通道，同时将模拟信号转换成数字信号进行分析和处理。
2．4 数字信号采集模块
    数字信号采集模块，可将数字信号经过光耦进行限幅处理后，经锁存器传递给S3C6410的中断输入引脚，以便CPU能及时地对相应的数字信号进行分析、处理和响应。
2．5 RS485接口
    RS485接口组成的半双工网络为两线制，多采用屏蔽双绞线传输。接线方式为总线式拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。在RS485通信网络中采用的是主从通信方式，可同时与多台智能设备进行通信，如UPS设备、配电柜等。
2．6 串口模块
    S3C6410共引出有4个串口，其中两路串口转RS485供智能设备通信，余下两路串口转接成RS232接口，一路外接拨号器，余下一路为调试预留接口。

3 系统软件平台设计
    图3所示是本系统中的B／S架构框图。本系统采用B／S(Browser／Server)结构，即浏览器和服务器结构。系统分为表示层、业务逻辑层和数据库层三层结构。表示层位于客户端，即Internet Explore等Web浏览器，用于在客户端浏览器中显示用户界面，该层可以调用由业务逻辑层提供的业务方法；业务逻辑层是系统核心部分，主要担当业务的逻辑处理任务，包括处理表示层的数据请求，在为表示层提供业务功能的同时，通过数据库层来访问数据库；数据库层位于底层，主要用来实现数据库的交互，包括查询、插入、修改和删除数据库中数据的功能。

3．1 嵌入式系统(Linux)
    嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
    本系统采用自裁剪的Linux2．6．38内核+UBIFS文件系统来构建操作系统，并且为数字信号采集、模拟信号采集、继电器控制等模块分别编写了GPIO及A／D驱动程序。Linux作为主流的嵌入式操作系统具有以下优势：
    (1)小巧而功能完善的内核；
    (2)充分满足硬件设备的实时性要求；
    (3)具有很高的适应胜和可靠性；
    (4)具有成熟的开发工具。
3．2 嵌入式数据库(SOLite)
    嵌入式数据库可用于多种嵌入式操作系统。它将数据库与操作系统的具体应用集成在一起，由程序直接调用相应的API去实现对数据的存取操作。嵌入式数据库可以解决嵌入式系统内数据处理量不断增加、数据操作效率要求较高等问题。
    本系统选用的是嵌入式数据库SQLite。SQLite是一款专门为嵌入式设备设计的轻型文件数据库，它占用资源非常低，在嵌入式设备中，只需要几百KB的内存就足够了，并且能够支持Windows／Linux／Unix等主流操作系统，同时能够跟很多程序语言相结合，比如C&C++、C#、PHP和Java等。
3．3 嵌入式Web服务器(apache)
    嵌入式Web服务器可以对远程设备进行监控，用户可通过网络远程访问Web服务器来实现数据的采集和历史数据的查询，也可以通过各种接口对远程设备进行控制，从而实现远程监控，还可以向监控现场发送指令。此外，也可以根据需要添加新的控制功能，而无需对Web眼务器的框架进行大的改动。
    通过移植apache web服务器和PHP运行环境，本系统可独立运行支持PHP语言的Web服务器，以方便用户通过浏览器查看所有监控数据及报警情况。至此，基于B／S架构的嵌入式系统已搭建完成。

4 系统应用程序设计
    本系统所用驱动全部裁剪自内核，基于驱动的应用程序及数据库、apache服务器均采用开机自运行的方式启动。因此，初始化时只需简单的网络配置，后期系统上电即可使用，数据库中数据的管理、维护均通过网页完成，操作简捷、方便。
4．1 A／D采集程序
    对采集到的模拟信号，通过A／D转换，并根据网页的配置，可对数据进行等比例计算，同时对计算的结果进行分析比较，以将波动较大的数据定时写入数据库，也可以对超过临界值的数据进行报警处理。
4．2 数字信号采集程序
    数字信号采集程序与A／D采集程序的处理流程类似，也是对采集到的数字信号进行处理，并将有变化的数据写入数据库，对超过预设值的数据进行报警处理。
4．3 智能设备通信程序
    本系统与智能设备的通信主要通过RS485模块，采用MODBUS协议，对常用的设备，智能设备通信程序封装了对应的协议结构，并对需要检测的数据进行计算处理，同时将有波动的数据写入数据库，对超过预设值的数据进行报警处理。
4. 4 看门狗程序
    通过系统中的看门狗应用程序可以大大增加软件系统的可靠性。当程序出现异常时，看门狗程序能够迅速捕获到异常，并且快速重启系统。
4．5 报警监控程序
    本系统主要是监控机房的各项指标，在指标超过安全范围时发出警报，以保证机房数据、信息等重要资源的安全。报警分为页面告警、短信报警、电话报警、蜂鸣器告警等四种，用户可以根据需求进行裁剪。其中，短信报警采用3G模块进行报警，电话报警则采用电话拨号器SMS报警。

5 结语
    机房监控系统广泛应用于各行业领域的监控，确保机房设备的稳定运行，提高机房管理的安全性能和可靠程度，实现机房的科学管理。基于B／S架构的机房智能监控系统的设计与实现，可将Web服务器移植到嵌入式设备，因而操作简单，能够全天候地对机房设备的运行状态、温度、湿度、洁净度、供电的电压、电流、频率、配电系统的开关状态等进行实时监控。该系统一方面可以记录各项历史数据，能够方便用户对各项数据进行分析、判断；另一方面，可实现对机房各项环境参数的实时监控功能，对存在的安全隐患能够及时报警，并采取对应的应急措施，为机房高效的管理和安全运营提供有力的保证。