NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TẠI CÁC TRUNG TÂM TÍCH HỢP DỮ LIỆU

Tập trung nghiên cứu và xây dựng một hệ thống giám sát môi trường trong các Trung tâm THDL và thực hiện giám sát thử nghiệm một số thông số chọn lọc quan trọng như nhiệt độ, báo cháy, độ ẩm, điện lưới (gọi tắt là các thông số chọn lọc).

Phạm Ngọc Phương

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG

HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TẠI CÁC

TRUNG TÂM TÍCH HỢP DỮ LIỆU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên - 2013

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

Phạm Ngọc Phương

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG

HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TẠI CÁC

TRUNG TÂM TÍCH HỢP DỮ LIỆU

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

Mã số: 60 48 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS Nguyễn Văn Tam

Thái Nguyên - 2013

MỞ ĐẦU

Khi nhắc đến nền tảng của hệ thống thông tin không thể không nhắc đến các Trung tâm tích hợp dữ liệu (Data Center), trái tim của toàn bộ hệ thống Việc xây dựng các Trung tâm tích hợp dữ liệu (viết tắt là TTTHDL) là xu thế tất yếu và là nhu cầu bắt buộc, không thể thiếu đối với mỗi doanh nghiệp hay tổ chức Việc xây dựng các TTTHDL tiêu chuẩn sẽ đảm bảo mục tiêu tối ưu cho hoạt động, đảm bảo tính sẵn sàng, tính thuận tiện trong vận hành cũng như phát triển hệ thống sau này Thực tế khi thiết kế chuẩn hạ tầng kỹ thuật, TTTHDL gồm 2 thành phần chính:

 Hạ tầng mạng: máy chủ, hệ thống lưu trữ, thiết bị mạng…

 Hạ tầng vật lý quan trọng: hệ thống làm mát HVAC, hệ thống phòng cháy chữa cháy, hệ thống nguồn cấp và UPS, hệ thống an ninh vật lý v.v

Hình A: Một môi trường trung tâm tích hợp dữ liệu với nhiều tham số phải giám sát

Như vậy, trong một môi trường vận hành tại các TTTHDL luôn tồn tại các hệ thống riêng biệt điều khiển các tham số khác nhau (điện áp, nhiệt độ, độ

ẩm, nguồn điện, v.v.) với chung mục đích duy trì TTTHDL hoạt động an toàn, hiệu quả và ổn định Tuy nhiên, thực tế hiện nay các hệ thống này thường hoạt động độc lập không thể giám sát và xử lý sự cố tập trung dẫn đến tình trạng dữ

liệu nhiều, khó giám sát, tổng hợp và so sánh Với lý do đó, tôi lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu và xây dựng hệ thống giám sát môi trường tại các Trung tâm tích hợp dữ liệu” cho cuốn luận văn, trong đó tập trung nghiên cứu và xây dựng một

hệ thống giám sát môi trường trong các Trung tâm THDL và thực hiện giám sát thử nghiệm một số thông số chọn lọc quan trọng như nhiệt độ, báo cháy, độ ẩm, điện lưới (gọi tắt là các thông số chọn lọc)

Để giải quyết vấn đề, luận văn được bố cục thành 3 chương chính:

Chương 1: Khảo sát tổng quan môi trường vận hành trong các TTTHDL

và nghiên cứu lý thuyết đo lường giám sát trên cơ sở đó đi xây dựng được các bài toán giám sát môi trường vận hành với một số thông số chọn lọc

Chương 2: Nghiên cứu và xây dựng mô hình của hệ thống giám sát một

số một số thông số chọn lọc trong môi trường vận hành của TTTHDL, từ đó thiết kế chi tiết các thành phần phần cứng và phần mềm và tích hợp lại thành một hệ thống giám sát hoàn chỉnh

Chương 3: Tiến hành cài đặt thử nghiệm với một số kịch bản giám sát

thông số môi trường khác nhau như nhiệt độ, độ ẩm, báo cháy, điện lưới Trên

cở sở đó, đánh giá được độ chính xác của các phép đo và khả năng triển khai của

hệ thống trong thực tế

tư cho các TTTHDL rất lớn lên đến hàng triệu USD và phải tuân theo các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe do vậy đòi hỏi phải có một hệ thống giám sát môi trường liên tục giúp người quản trị có thể giám sát và khắc phục sự cố một cách kịp thời, tránh những rủi ro đáng tiếc và đảm bảo cho TTTHDL hoạt động liên tục, an toàn, ổn định Để xây dựng được một hệ thống giám sát môi trường cho TTTHDL đòi hỏi phải có sự phân tích các nhu cầu thực tế và giải quyết các bài toán cụ thể đặt ra trên cơ sở kỹ thuật đo lường giám sát

1.1.Giới thiệu về môi trường vận hành trong Trung tâm tích hợp dữ liệu

1.1.1 Môi trường vận hành trong các Trung tâm tích hợp dữ liệu

Trong tiêu chuẩn TIA-942 (tiêu chuẩn viễn thông trong các Data center)được xây dựng bởi TIA (Telecommunications Industry Association - Hiệp hội công nghiệp viễn thông Hoa Kỳ) yêu cầu bắt buộc về thiết kế môi trường tiêu chuẩn trong các TTTHDL thì những tiêu chuẩn thiết kế môi trường trong TTTHDL gồm:

- HVAC (hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí):

 Phòng lối vào cáp phải nằm ở vị trí sẵn sàng truy cập vào hệ thống phân phối HVAC của phòng máy tính

 Nếu phòng lối vào cáp có hệ thống điều hòa không khí riêng thì các mạch điều khiển nhiệt độ cho các bộ điều hòa không khí của phòng lối vào cáp phải được cấp nguồn từ cùng các PDU hoặc các bảng điện cấp nguồn cho các giá của phòng lối vào cáp

 HVAC cho thiết bị trong phòng lối vào cáp phải có cùng cấp độ dự phòng như HVAC và nguồn cho phòng máy tính

 HVAC phải đảm bảo cung cấp liên tục 24 giờ/ngày, 365 ngày/năm Nếu hệ thống HVAC của tòa nhà không đảm bảo hoạt động liên tục thì phòng lối vào cáp phải có một bộ riêng

 Hệ thống HVAC của phòng lối vào cáp phải được nối với hệ thống phát ðiện dự phòng của phòng máy tính Nếu phòng máy tính hoặc phòng lối vào cáp không có hệ thống phát điện dự phòng riêng thì hệ thống HVAC của phòng lối vào cáp phải được nối đến hệ thống phát điện dự phòng của tòa nhà

Các tham số hoạt động: Nhiệt độ và độ ẩm của phòng lối vào cáp phải

được giám sát nằm trong các dải giá trị sau:

 Nhiệt độ khô: 20oC đến 25oC

 Độ ẩm tương đối: 40% đến 55%

 Điểm ngưng tụ lớn nhất: 21oC

 Tốc độ biến thiên lớn nhất: 5oC/giờ

Phải đo nhiệt độ và độ ẩm của môi trường xung quanh ngay sau khi thiết

bị được đưa vào khai thác Các phép đo phải được thực hiện với khoảng cách 1,5 m trên mặt sàn từ 3 đến 6m dọc đường thẳng trung tâm của các dãy lạnh và tại bất kỳ vị trí nào trên đường hút khí của thiết bị

- Nguồn điện là thành phần không thể thiếu, không thể gián đoạn đối với hoạt động của các thiết bị, máy chủ trong TTTHDL, do đó nguồn điện dự phòng là một thành phần thiết yếu, được cấu thành bởi các hệ thống lưu điện UPS và các máy phát điện Để loại bỏ khả năng có các “điểm chết” (single points of failure), toàn bộ các cấu phần trong hệ thống điện, kể cả hệ thống dự phòng, đều được thiết kế với cấu trúc dự phòng N+1 Các hệ thống ATS được cài đặt để tự động chuyển mạch nguồn điện ngay khi có sự cố với nguồn cung cấp, đảm bảo không gián đoạn hoạt động của các thiết bị và máy chủ trong TTTHDL Một hệ thống điện đáp ứng tiêu chuẩn cấp 4 (Teir 4) trong các TTTHDL cần phải có các hệ thống giám sát môi trường và nguồn trung tâm và có thể tự động nhắn tin cảnh báo khi có sự cố

- Thành phần bảo vệ an toàn vật lý quan trọng nhất trong TTTHDL là hệ thống phòng chống cháy nổ, trong đó các thiết bị cảm biến khói và nhiệt được đặt ở các vị trí hợp lý trên toàn không gian của trung tâm để phát hiện và cảnh bảo sớm các nguy cơ cháy nổ, trước khi hiện tượng cháy thực tế xảy ra Trong xây

dựng cơ bản, các tường chống lửa cũng được lắp đặt để ngăn chặn các đám cháy lan tràn sang các khu vực khác nhau trong trường hợp không dập tắt được ngay

Chuẩn TIA-942 cũng bao gồm thông tin về bốn cấp liên quan đến các mức độ khác nhau về độ sẵn sàng và bảo mật của cơ sở hạ tầng thiết bị TTTHDL Cấp cao hơn tương ứng với độ sẵn sàng vào bảo mật cao hơn : Cấp 1 (TEIR1), cấp 2 (TEIR2), cấp 3 (TEIR3), cấp 4 (TEIR4) Các yêu cầu cụ thể trong giám sát môi trường tham khảo tại Phụ lục A đính kèm

1.1.2 Khảo sát trung tâm tích hợp dữ liệu tỉnh Quảng Ninh và Đại học Thái Nguyên

1.1.2.1 Khảo sát tại Trung tâm tích hợp dữ liệu tỉnh Quảng Ninh

Trung tâm tích hợp dữ liệu tỉnh Quảng Ninh1 được phê duyệt đầu tư từ 15/01/2009, sau 2 giai đoạn đầu tư đã xây dựng được một hạ tầng mạng trung tâm là đầu mối mạng tập trung cho tất các các thành viên mạng của tỉnh Quảng Ninh để trao đổi thông tin hành chính, quản lý hành chính Đây cũng là trung tâm quản lý mạng tập trung, đảm bảo hoạt động thường trực của toàn bộ khu vực hành chính của tỉnh Đây cũng là nơi lưu trữ dữ liệu tập trung và phần mềm dùng chung, cung cấp các dịch vụ dùng riêng (Website, FTP, Mail, DNS, RADIUS…) cho mạng hành chính Quảng Ninh và là cửa ngõ để kết nối mạng Chính phủ cũng như mạng WAN của tỉnh, đảm bảo an toàn, an ninh và bảo mật toàn bộ hệ thống về mặt hạ tầng và logic mạng

Hình 1.1: Bản vẽ kiến trúc mạng xương sống của TTTHDL tỉnh Quảng Ninh

1 Trung tâm TTHDL tỉnh Quảng Ninh được đặt tại tầng 17 tòa nhà Liên cơ 2 – TP Hạ Long

Tuy nhiên, hiện nay môi trường vận hành tại TTTHDL tỉnh Quảng Ninh còn tồn tại một số hạn chế:

- Chưa có hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm cho TTTHDL, toàn bộ hệ thống làm mát của TTTHDL do các thiết bị làm mát cục bộ đảm nhiệm

- Hệ thống báo cháy của TTTHDL được thiết kế theo hệ thống báo cháy của tòa nhà do vậy không đảm bảo tính an toàn và kịp thời khi sự cố cháy xảy ra (tủ điều khiển báo cháy nằm tại phòng làm việc của Ban Quản lý tòa nhà)

- Không có hệ thống giám sát và cảnh báo từ xa khi có các sự cố trong quá trình vận hành trong TTTHDL (các sự cố quá nhiệt, độ ẩm cao, cháy nổ, mất điện lưới, mất điện dự phòng v.v ) Để giám sát các thông số này cần có cán

bộ quản trị kiểm tra tại chỗ và không thể thực hiện giám sát đầy đủ 24/24h

Hình 1.2 : Bản vẽ mặt bằng bố trí thiết bị tài TTTHDL tỉnh Quảng Ninh

1.1.2.2 Khảo sát tại Trung tâm tích hợp dữ liệu Đại học Thái Nguyên

Được đầu tư từ các dự án Giáo dục Đại học (TRIG) từ năm 2007 đến nay, Đại học Thái Nguyên (ĐHTN) đã xây dựng được một TTTHDL tập trung đảm bảo về hạ tầng kỹ thuật đủ mạnh để đáp ứng nhu cầu ứng dụng CNTT trong giảng dạy, nghiên cứu khoa học và tin học hóa các công tác quản lý của trường

Đại học Hiện nay, hạ tầng mạng của ĐHTN gồm 10 phòng máy chủ đặt tại 10 đơn vị thành viên và 01 TTTHDL đặt tại Văn phòng ĐHTN, hệ thống mạng và phòng máy chủ của các đơn vị được kết nối tập trung về TTTHDL bằng cáp quang theo kiến trúc sao (star) tạo thành mạng WAN (mạng diện rộng) thông suốt trong toàn Đại học

Hình 1.3 : Bản vẽ kiến trúc mạng xương sống của TTTHDL Đại học Thái Nguyên

Tuy nhiên, hiện nay môi trường vận hành tại TTTHDL ĐHTN vẫn còn một

bộ quản trị kiểm tra tại chỗ và không thể thực hiện giám sát đầy đủ 24/24h

Hình 1.4 : Bản vẽ mặt bằng bố trí thiết bị tại TTTHDL ĐHTN

1.2 Nghiên cứu lý thuyết hệ thống đo lường, giám sát

1.2.1 Định nghĩa đo lường và hệ thống thông tin đo lường

1.2.1.1 Định nghĩa đo lường

Đo lường là quá trình đánh giá định lượng đối tượng cần đo để có kết quả bằng số đo đơn vị

Theo định nghĩa trên thì đo lường chính là biến đổi tín hiệu và tin tức, so sánh với đơn vị đo hoặc so sánh với mẫu trong quá trình đo lường, chuyển đơn

vị, mã hóa để có kết quả bằng số đo với đơn vị

1.2.1.2 Định nghĩa hệ thống thông tin đo lường

Hệ thống thông tin đo lường (HTD) là một hệ thống tự động đo và điều khiển việc gia công thông tin theo một algorithm (thuật toán) định sẵn

Như vậy có thể hiểu hệ thống thông tin đo lường cũng đồng nghĩa với một

hệ thống giám sát

+ Các quá trình xảy ra trong thống thông tin đo lường :

- Quá trình đo lường: Sử dụng phương pháp thực nghiệm để nhận được ước lượng định lượng của đối tượng thông qua việc so sánh với mẫu Đây là quá trình quan trọng nhất của hệ thống thông tin đo lường

- Quá trình kiểm tra: so sánh giữa trạng thái của đại lượng cần kiểm tra so với mẫu cho tín hiệu đánh giá

- Quá trình nhận dạng: xác định xem có sự tương ứng hay không giữa đối tượng

và mẫu đã cho

- Quá trình chẩn đoán: là quá trình theo dõi sự làm việc bình thường của đối tượng và tìm ra chỗ hỏng hóc Hệ thống kiểm tra các hoạt động của thiết bị kỹ thuật gọi là hệ thống chẩn đoán

+ Đặc tính chung của các quá trình

Tất cả các quá trình đều có một đặc tính chung là phải có sự thu nhận đại lượng bằng các thiết bị kỹ thuật biến đổi qua các đại lượng trung gian rồi so sánh với mẫu, sau đó ghi lại tất cả các trạng thái hay tính chất của đối tượng và đưa ra kết quả bằng số

Cùng với sự phát triển của công nghệ, hệ thống kỹ thuật ngày càng trở nên phức tạp dẫn đến việc sẽ có nhiều điểm thu thập số liệu từ nhiều đối tượng khác nhau Vì vậy người ta đã xây dựng các hệ thống đo là tổ hợp đo của nhiều đại lượng Hiện nay, số điểm một hệ thống đo thu thập được có thể lên đến hàng nghìn điểm

+ Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống thông tin đo lường

Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống thông tin đo lường

- Thiết bị thu nhận thông tin chủ yếu là các cảm biến, biến tín hiệu cần đo của đối tượng sang tín hiệu điện, sau khi thực hiện quá trình đo làm phép so sánh với mẫu, quá trình lượng tử hoá và mã hoá.v.v

- Thiết bị gia công (biến đổi, tính toán) thông tin thực hiện các phép tính theo một algorithm nhất định (thường phải sử dụng P và C)

- Thiết bị lưu trữ ghi vào bộ nhớ hoặc in ra để lưu trữ

Đối

tượng

Thiết bị thu nhận thông tin

Thiết bị gia công thông tin

Thiết bị lưu giữ thông tin

Thiết bị thể hiện

Thiết bị điều khiển

Tín hiệu vào

Tín hiệu ra

- Thiết bị thể hiện thông tin có thể là thiết bị đo hoặc tự ghi, hoặc là màn hình của máy tính

+ Nhiệm vụ của hệ thống thông tin đo lường

- Thực hiện việc đo hay kiểm tra chẩn đoán, nhận dạng hay tính toán từ nhiều tín hiệu khác nhau trong thời gian ngắn nhất

- Biến đổi tín hiệu thành các tín hiệu chuẩn hoá để truyền đi xa mà không bị mất mát

Hệ thống thông tin đo lường làm nhiệm vụ tự động hoá cao độ quá trình đo, kiểm tra nhận dạng, từ đó cho ra thông tin để điều khiển kịp thời đối tượng, nhờ

đó nâng cao được chất lượng sản phẩm

1.2.2 Phân loại hệ thống thông tin đo lường

1.2.2.1 Phân loại dựa trên tín hiệu vào

Khác với dụng cụ đo, một hệ thống thông tin đo lường có thể có một số lượng lớn các đầu vào đại lượng vật lý giống nhau hoặc khác nhau Chúng có những đặc trưng rất khác nhau do vậy thường căn cứ vào tín hiệu vào để xác định nguyên lý làm việc của hệ thống Việc phân loại hệ thống thông tin đo lường theo tín hiệu vào có thể dựa trên các tiêu chí sau:

 Theo số lượng tín hiệu vào:

+ Hệ thống có từ 2 tín hiệu vào trở nên gọi là hệ nhiều kênh (đa kênh)

 Theo tính chất của tín hiệu: có 2 loại

+ Hệ thống có các tín hiệu vào độc lập

+ Hệ thống có các tín hiệu vào phụ thuộc

Ví dụ t0 và U là hai tín hiệu độc lập, còn t0 và độ ẩm là hai tín hiệu phụ thuộc

 Theo sự thay đổi của tín hiệu : có 2 loại

+ Hệ thống có các tín hiệu vào tiền định (biết trước quy luật)

+ Hệ thống có các tín hiệu vào ngẫu nhiên (không biết trước quy luật)

 Theo sự biến đổi của tín hiệu : có 2 loại

+ Hệ thống có tín hiệu vào rời rạc

+ Hệ thống có tín hiệu vào liên tục

 Theo bản chất của tín hiệu : có 2 loại

+ Hệ thống có tín hiệu vào là chủ động, tức là bản thân nó có năng lượng như

I, U, t0, ánh sáng v.v

+ Hệ thống có tín hiệu vào là bị động, tức là bản thân nó không mang năng lượng như R, L, C, sức bền vật liệu

 Theo quan hệ của tín hiệu và nhiễu : có 2 loại

+ Hệ thống có các tín hiệu có nhiễu độc lập (có thể tách khỏi tín hiệu)

+ Hệ thống có các tín hiệu có nhiễu phụ thuộc (không thể tách khỏi tín hiệu)

Ví dụ như tín hiệu máy điện tim: Utín hiệu = 0.7mV, Unhiễu =20mV

1.2.2.2 Phân loại dựa trên tín hiệu ra

Người ta phân loại hệ thống thông tin đo lường theo tín hiệu ra thành 4 loại hệ thống gồm :

a Hệ thống đo lường

Hệ thống đo lường là hệ thống đo có nhiệm vụ đo các đại lượng vật lý cho thông tin ra bằng số, kết quả được đưa ra trực tiếp Hệ thống đo lường bao gồm hai loại: Hệ thống thông tin đo lường gần và hệ thống thông tin đo lường xa (truyền số liệu)

Với hệ thống kiểm tra, tín hiệu ra mang tính chất lượng để trả lời cho câu hỏi thấp hơn hay cao hơn chuẩn Trong công nghiệp, hệ thống đo lường và hệ thống kiểm tra thường đi đôi với nhau

c Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật

Trên cơ sở kết quả đo, hệ thống đưa ra đánh giá về trạng thái làm việc của đối tượng, đặc tính hư hỏng và phương pháp sửa chữa Hệ thống này phải có sự tham gia của thiết bị tính toán và các phần tử logic

d Hệ thống nhận dạng

Nhận biết các thông tin xem có giống với mẫu hay không Thông thường

hệ thống này cũng phải kết hợp với thiết bị tính toán, ví dụ như hệ thống phân loại sản phẩm

1.2.3 Tổ chức làm việc của hệ thống thông tin đo lường

Quá trình làm việc của HTĐ được điều khiển bằng bộ điều khiển Bộ điều khiển này điều khiển hệ thống thông qua một thuật toán nào đó như: điều khiển tác động lẫn nhau giữa các khâu trong hệ thống; thứ tự thực hiện công việc; các thao tác chọn tần số lấy mẫu tín hiệu; chọn số kênh, xác định giới hạn đo của từng tín hiệu ở từng kênh, tính toán sai số của việc đo; gia công kết quả đo

Bộ điều khiển HTĐ ngày nay là các bộ vi xử lý và máy tính, tất cả các thiết

bị trong hệ thống nói chung là các thiết bị có tín hiệu vào ra khác nhau, do vậy

để có thể trao đổi thông tin giữa các thiết bị với nhau hoặc với bộ điều khiển thì đòi hỏi phải có một giao diện chung (interface) Giao diện ở đây bao gồm giao diện phần cứng (các card ghép nối giữa thiết bị và máy tính, các bộ chuyển đổi tín hiệu .) và phần mềm (ngôn ngữ lệnh trong vi xử lý, các driver hay các trình điều khiển thiết bị )

Ví dụ: Một hệ thống đo lường, giám sát sử dụng P:

Hình 1.6: Hệ thống đo sử dụng vi xử lý và trao đổi giữa vi xử lý và giao diện

Tín hiệu S được đưa qua các TR (TR1, TR2,…,TRn) đến bộ chọn kênh (Mux), sau đó tín hiệu được đưa tới bộ nhớ chương trình, nhớ dữ liệu P sẽ điều khiển mọi hoạt động qua Interface (RS232) để in ra nếu cần thiết, hoặc điều khiển các khâu khác nhau

S1

S2

Sn

TR1 TR2

RS 232 Interface

RS 232 Interface

Printer

Display Keyboard Control

ROM

RAM

RS 232 Interface

Printer

P

Control Date Address

1.3 Xây dựng bài toán giám sát môi trường trong Trung tâm tích hợp

dữ liệu với các thông số chọn lọc

1.3.1 Giám sát môi trường trung tâm tích hợp dữ liệu

Giám sát môi trường các TTTHDL chính là việc đo lường các thông số vật lý (nhiệt độ, độ ẩm, điện áp v.v) trong môi trường vận hành của TTTHDL để điều khiển giám sát theo một thuật toán định sẵn Đây cũng chính là một dạng của hệ thống thông tin đo lường

1.3.2 Xây dựng bài toán giám sát môi trường trong Trung tâm tích hợp dữ

liệu với các thông số chọn lọc

+ Sơ đồ hệ thống giám sát môi trường:

Hình 1.7: Xây dựng sơ đồ hệ thống giám sát môi trường

VI ĐIỀU KHIỂN (C)

Chuyển đổi/ Cách

Người Quản trị

H1 Đo lường

H2 Đo lường

Hn Đo lường

Hệ thống cảnh báo

từ xa

Hệ thống cảnh báo Tại chỗ Giao tiếp RS232

Số lượng các thông số cần giám sát trong môi trường vận hành tại các TTTHDL là rất lớn, tuy nhiên trong khuôn khổ của luận văn chỉ chọn lọc để giám sát một số thông số quan trọng trong môi trường vận hành của TTTHDL gồm: nhiệt độ, độ ẩm, báo cháy và điện lưới

Trong giám sát môi trường vận hành thì thành phần quan trọng không thể thiếu là các cảm biến Cảm biến là các thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận v.v các đại lượng vật lý không điện thành các tín hiệu điện Các cảm biến thường dùng trong HVAC là: Cảm biến nhiệt, áp suất, độ ẩm, mức nước, lưu lượng gió, lưu lượng khí, CO2, cảm biến khói, …

1.3.2.1 Giám sát nhiệt độ

Trong các TTTHDL, nhiệt độ được sinh ra từ quá trình vận hành của các thiết bị (thiết bị máy chủ, thiết bị mạng, thiết bị UPS, thiết bị truyền dẫn v.v) Nhiệt độ một đại lượng ảnh hưởng trực tiếp lên chất lượng của hầu hết các thiết

bị (hiệu năng, độ ổn định và tuổi thọ) Sau vài năm hoạt động, các máy chủ có

xu hướng tăng lượng nhiệt tản ra đáng kể do vi xử lý có tốc độ hoạt động nhanh hơn Hậu quả của việc hoạt động ở nhiệt độ cao trong thời gian dài rất khó đoán trước, có thể dẫn đến sự hỏng hóc tạm thời hoặc vĩnh viễn

Những máy chủ, chuyển mạch hay thiết bị mạng hiện đại tản ra một lượng nhiệt khổng lồ, do đó sự có mặt của những hệ thống làm mát cục bộ riêng biệt hoặc hệ thống điều hòa không khí là cần thiết Tuy nhiên, những thiết bị điều hòa không khí khá phức tạp và có thể gặp sự cố hỏng hóc bất ngờ không thể báo trước Vì vậy, giám sát nhiệt độ vận hành tại các TTTHDL là yêu cầu rất quan trọng Trong tiêu chuẩn TIA-942, nhiệt độ vận hành trong các TTTHDL cần đảm bảo 2 yêu cầu: nhiệt độ khô từ 20oC đến 25oC và tốc độ biến thiên lớn nhất

là 5oC/giờ

Để giám sát nhiệt độ thì yếu tố quan trọng nhất chính là các cảm biến nhiệt độ Thông qua các cảm biến này ta có thể đo đạc được chính xác nhiệt độ môi trường vận hành tại từng khu vực trong các TTTHDL từ đó có thể giám sát nhiệt độ hoạt động của các thiết bị Cảm biến nhiệt được chia thành các loại sau:

a Cặp nhiệt điện (Thermocouples)

- Cấu tạo: Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính một đầu gọi là đầu nóng (hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn) Khi có sự

chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh sẽ phát sinh một sức điện động V tại đầu lạnh

- Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV)

- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao

- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao

c Thermistor

- Cấu tạo: được làm từ hỗn hợp các bột ocid đã được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó nén chặt và nung ở nhiệt độ cao Mức độ dẫn điện của hỗn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

- Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi

- Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo

- Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp, 50oC đến 150oC

d Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế- pyrometer)

- Cấu tạo: được làm từ mạch điện tử, quang học, hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng và năng lượng bức xạ sẽ

có một bước sóng nhất định Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo

- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt

- Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo

- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền

- Tầm đo: -54 đến <1000 oF

Phương án giám sát nhiệt độ: có 2 phương án

 Phương án 1: giám sát nhiệt độ từ các cảm biến nhiệt bán dẫn

Trong thiết kế này, các cảm biến nhiệt bán dẫn được đưa đến một bộ chọn kênh MUX để chọn thứ tự từng kênh vào, với mỗi kênh tương ứng của từng đầu cảm biến ta đưa đến một bộ chuyển dổi ADC để chuyển tín hiệu từ tương tự sang số và đưa vào khối vi điều khiển (µC) Khối vi điều khiển (µC) sẽ xử lý và đưa ra các đầu ra cảnh báo (Rơle, đèn báo, chuông báo) nếu các nhiệt độ các cảm biến nhiệt vượt ngưỡng tiêu chuẩn Các cảnh báo sẽ được cập nhật lên máy chủ quản lý và máy chủ này sẽ thiết lập cuộc gọi hoặc nhắn tin khẩn cấp đến người quản trị đã đăng ký qua Modem GSM

Hình1.8: Thiết kế dạng 1 cho hệ thống giám sát nhiệt độ

 Phương án 2: giám sát nhiệt độ từ các cảm biến nhiệt tích hợp

Trong thiết kế này, ta lựa chọn các cảm biến nhiệt đã được tích hợp sẵn một

bộ chuyển đổi ADC và một khối giao tiếp theo chuẩn 1 dây Các cảm biến này

sẽ được thiết lập các tham số để đo nhiệt độ tại chỗ và chuyển dữ liệu nhiệt độ

về bộ xử lý theo chuẩn 1 dây Khối vi điều khiển (µC) sẽ xử lý và đưa ra các đầu

ra cảnh báo (Rơle, đèn báo, chuông báo) nếu các nhiệt độ đo được từ các cảm

Cảm

biến

nhiệt

Bộ chuyển đổi ADC

Modem GSM

Cảm

biến

nhiệt

Bộ chọn kênh MUX

Máy chủ

biến nhiệt vượt ngưỡng tiêu chuẩn Các cảnh báo sẽ được cập nhật lên máy chủ

quản lý và máy chủ này sẽ thiết lập cuộc gọi hoặc nhắn tin khẩn cấp đến người

quản trị đã đăng ký qua Modem GSM

Hình 1.9: Thiết kế dạng 2 cho hệ thống giám sát nhiệt độ

1.3.2.2 Giám sát độ ẩm

Mối nguy hiểm thứ hai đối với thiết bị điện tử chính là hơi nước Hơi

nước có thể gây ra sự mài mòn ở các thiết bị phần cứng và khiến cho hệ thống

hỏng hóc sớm hơn Do vậy cần phải tránh những điều kiện môi trường có thể

gây ra hiện tượng ngưng tụ hơi nước, ví dụ như sự hạ nhiệt nhanh chóng hoặc

độ ẩm cao Tuy nhiên, độ ẩm tương đối quá thấp (<= 35% RH) lại gây ra hiện

tượng tích điện và phóng điện (ESD - ElectroStatic & Discharge) Hiện tượng

này có thể làm hư hại nghiêm trọng những thiết bị công nghệ nhạy cảm

Trong tiêu chuẩn TIA-942 thì môi trường vận hành trong TTTHDL cần

đảm bảo một số yêu cầu về độ ẩm, trong đó độ ẩm tương đối nằm trong khoảng

từ 40% đến 55%, điểm ngưng tụ lớn nhất là 21oC Việc đảm bảo độ ẩm ở mức

cho phép sẽ tăng tuổi thọ của các linh kiện và thiết bị điện tử trong hệ thống

Người ta sử dụng các cảm biến chuyên dụng để đo độ ẩm, gồm 2 loại:

 Loại 1: dựa trên hiện tượng vật lý cho phép xác định độ ẩm, ví dụ như: ẩm

kế hấp thụ, ẩm kế ngưng tụ, ẩm kế điện ly

Ẩm kế hấp thụ: làm việc dựa trên sự hấp thụ hơi nước của một số chất như

Clorua liti (Licl) hoặc Anhidrit photphoric P2O5 Các chất trên khi ở trạng thái

khô điện trở của chúng rất cao, lúc hút ẩm hơi nước ở môi trường xung quang,

Cảm

biến

nhiệt

Bộ chuyển đổi ADC

Modem GSM

Cảm

biến

nhiệt

Bộ chuyển đổi ADC

Bộ chuyển đổi ADC

Bộ truyền thông

Bộ truyền thông

Máy chủ

Bộ truyền thông

điện trở giảm một cách đáng kể qua đó xác định được đổ ẩm của môi trường cần

đo

 Loại 2: dựa vào tính chất của vật có liên quan đến độ ẩm, ví dụ

như: ẩm kế thiên trở kháng

Ẩm kế thiên trở kháng: là các cảm biến điện trở và tụ điện mà các phần tử

nhạy là các chất hút ẩm Tính chất (điện trở, điện dung) của các cảm biến phụ

thuộc vào độ ẩm của môi trường Cảm biến độ ẩm dựa trên nguyên lý biến thiên

trở khánh được phân thành ẩm kế điện trở và ẩm kế tụ điện

Phương án giám sát độ ẩm:

Giám sát độ ẩm từ các cảm biến độ ẩm/nhiệt độ dạng bán dẫn

Thiết kế này sử dụng các cảm biến độ ẩm đã được tích hợp sẵn một bộ

chuyển đổi ADC và một khối giao tiếp theo chuẩn 1 dây Các cảm biến này sẽ

được thiết lập các tham số để đo độ ẩm tại chỗ và chuyển dữ liệu nhiệt độ về bộ

xử lý theo chuẩn 1 dây Khối vi điều khiển(µC) sẽ xử lý và đưa ra các đầu ra

cảnh báo (Rơle, đèn báo, chuông báo) nếu các độ ẩm đo được từ các cảm biến

nhiệt vượt ngưỡng tiêu chuẩn Các cảnh báo sẽ được cập nhật lên máy chủ quản

lý và máy chủ này sẽ thiết lập cuộc gọi hoặc nhắn tin khẩn cấp đến người quản

trị đã đăng ký qua Modem GSM

Hình 1.10: Thiết kế cho hệ thống giám sát độ ẩm

Cảm

biến độ

ẩm

Bộ chuyển đổi ADC

Modem GSM

Cảm

biến độ

ẩm

Bộ chuyển đổi ADC

Bộ chuyển đổi ADC

Bộ chuyển đổi ADC

Bộ truyền thông

Máy chủ

Bộ truyền thông

1.3.2.3 Giám sát báo cháy

Báo cháy là một thành phần rất quan trọng trong bất kỳ môi trường kỹ thuật nào của các TTTHDL Khi một đám cháy xảy ra, ở từng vùng cháy thường

có những dấu hiệu sau:

 Lửa, khói, vật liệu chỗ cháy bị phá hủy

 Nhiệt độ vùng cháy tăng lên cao

 Không khí bị Oxy hóa mạnh

 Có mùi cháy, mùi khét

Để đề phòng cháy, chúng ta có thể dựa vào những dấu hiệu trên để đặt các

hệ thống cảm biến làm các thiết bị báo cháy, giúp kịp thời khống chế đám cháy

ở giai đoạn đầu Thiết bị báo cháy điện tử sẽ giúp theo dõi một cách liên tục, tăng cường độ an toàn cho các TTTHDL, đặc biệt là các TTTHDL có mật độ thiết bị cao

+ Hệ thống báo cháy:

Thông thường, các TTTHDL được trang bị các hệ thống báo cháy đồng

bộ, gồm 3 phần chính là: tủ trung tâm báo cháy, thiết bị đầu vào và thiết bị đầu

ra

a Trung tâm báo cháy: thường được thiết kế dạng tủ bao gồm (mạch xử

lý, nguồn cấp) Trung tâm báo cháy có 2 dạng: Báo cháy theo vùng và báo cháy địa chỉ Nguyên lý hoạt động dựa trên việc thu nhận các đầu vào (đầy báo khói, báo nhiệt, báo lửa, công tắc khẩn) và đưa ra thông báo cháy khi các đầu vào vượt ngưỡng cảnh báo

b Thiết bị đầu vào: là thiết bị nhạy cảm với các hiện tượng của sự cháy

(sự tăng nhiệt, tỏa khói, phát sáng, phát lửa), và có nhiệm vụ nhận thông tin nơi xảy ra sự cháy và truyền tín hiệu đến trung tâm báo cháy

Các thiết bị đầu vào phổ biến gồm:

- Đầu báo khói (Smoke Detector): Là thiết bị giám sát trực tiếp, phát hiện

ra dấu hiệu khói để chuyển các tín hiệu khói về trung tâm xử lý Thời gian các đầu báo khói nhận và truyền thông tin đến trung tâm báo cháy không quá 30s Mật độ môi trường từ 15% đến 20% Nếu nồng độ của khói trong môi trường tại khu vực vượt qua ngưỡng cho phép (10% -20%) thì thiết bị sẽ phát tín hiệu báo động về trung tâm để xử lý

Đầu báo khói được chia làm 2 loại chính:

 Đầu báo khói dạng điểm: Được lắp đặt tại các phạm vi giám sát nhỏ, trần nhà thấp

 Đầu báo khói dạng Beam: Gồm một cặp thiết bị được lắp ở hai đầu của khu vực cần giám sát Thiết bị chiếu phát chiếu một chùm tia hồng ngoại, qua khu vực thuộc phạm vi giám sát rồi tới một thiết bị nhận có chứa một tế bào cảm quang có nhiệm vụ theo dõi sự cân bằng tín hiệu cùa chùm tia sáng Đầu báo này hoạt động trên nguyên lý làm mờ ánh sáng đối nghịch với nguyên lý tán xạ ánh sáng (cảm ứng khói ngay tại đầu báo)

- Đầu báo nhiệt (Heat Detector): dùng để dò nhiệt độ của môi trường

trong phạm vi bảo vệ Khi nhiệt độ môi trường không thỏa mãn những quy định của các đầu báo nhiệt do nhà sản xuất quy định, nó sẽ phát tín hiệu báo động gửi

về trung tâm xử lý Các đầu báo nhiệt được lắp đặt ở những nơi không thể lắp được đầu báo khói (nơi chứa thiết bị máy móc, Garage, các buồng điện động lực, nhà máv, nhà bếp, ) Có 2 loại đầu báo nhiệt: Đầu báo nhiệt cố định và đầu báo nhiệt gia tăng:

- Đầu báo lửa (Flame Detcctor): Là thiết bị cảm ứng các tia cực tím phát

ra từ ngọn lửa, nhận tín hiệu, rồi gửi tín hiệu báo động về trung tâm xử lý khi phát hiện lửa

- Công tắc khẩn/ nút ấn khẩn (Emergency breaker): Được lắp đặt tại

những nơi dễ thấy: cửa hành lang, các cầu thang để sử dụng khi cần thiết Thiết

bị này cho phép người sử dụng chủ động truyền thông tin báo cháy bằng cách nhấn hoặc kéo vào công tắc khấn, báo động khấn cấp cho mọi người đang hiện diện trong khu vực đó được biết để có biện pháp xử lý hỏa hoạn và di chuyển ra khỏi khu vực nguy hiểm bằng các lối thoát hiểm

c Thiết bị đầu ra:

Phương án giám sát báo cháy:

 Phương án 1: trong trường hợp TTTHDL chưa có tủ báo cháy trung tâm, tất

cả đầu vào báo cháy có thể được đọc thu nhận trực tiếp vào bộ xử lý theo sơ

đồ khối:

Hình 1.11: Thiết kế hệ thống giám sát báo cháy cho TTTHDL không có tủ báo cháy

Đầu vào báo cháy (các đầu dò báo cháy, chuông báo) sẽ được đưa qua bộ

suy giảm để hạ áp và đưa vào bộ cách ly so sánh để cách ly hoàn toàn với nguồn

đo và chuẩn hóa ở dạng logic (TTL, CMOS, ECL, v.v.) trước khi đưa vào khối

vi điều khiển(µC) Khối vi điều khiển(µC) sẽ xử lý và đưa ra các đầu ra cảnh

báo (Rơle, đèn báo, chuông báo) nếu các cảm đầu vào báo cháy vượt ngưỡng

tiêu chuẩn Các cảnh báo sẽ được cập nhật lên máy chủ quản lý và máy chủ này

sẽ thiết lập cuộc gọi hoặc nhắn tin khẩn cấp đến người quản trị đã đăng ký qua

Modem GSM

 Phương án 2: trong trường hợp TTTHDL đã có tủ báo cháy, hệ thống giám

sát sẽ đọc các thông số cảnh báo từ tủ báo cháy và gửi về máy chủ quản lý

Hình 1.12: Thiết kế hệ thống giám sát báo cháy cho TTTHDL có tủ báo cháy

Tủ báo cháy

Bộ cách ly/so sánh Đầu ra

logic

µC Đầu vào

báo cháy

Đầu ra cảnh báo

Modem GSM

Máy chủ

Bộ suy giảm

Bộ cách ly/so sánh Đầu ra

logic

µC Đầu vào

báo cháy

Đầu ra cảnh báo

Modem GSM

Máy chủ

Với thiết kế này, các đầu vào báo cháy (các đầu dò báo cháy, chuông báo)

sẽ được xử lý qua tủ báo cháy sau đó mới đưa vào bộ cách ly so sánh để cách ly hoàn toàn với nguồn đo và chuẩn hóa ở dạng logic (TTL, CMOS, v.v.) trước khi đưa vào khối vi điều khiển (µC) Tủ báo cháy sẽ đưa ra các đầu ra cảnh báo (Rơle, đèn báo, chuông báo) nếu các cảm đầu vào báo cháy vượt ngưỡng tiêu chuẩn Khối vi điều khiển (µC) sẽ đọc trạng thái cảnh báo trên tủ báo cháy và cập nhật lên máy chủ quản lý và máy chủ này sẽ thiết lập cuộc gọi hoặc nhắn tin khẩn cấp đến người quản trị đã đăng ký qua Modem GSM

1.3.2.4 Giám sát điện lưới

Điện lưới là một thành phần rất quan trọng trong hạ tầng vật lý của các TTTHDL Hiện nay, các TTTHDL thông thường thiết kế hệ thống cấp nguồn ở cấp 2(TEIR2) gồm: một nguồn chính và một nguồn dự phòng (thông thường là máy phát) Các nguồn điện cung cấp này sẽ được đưa vào 1 tủ phân phối nguồn

tự động ATS trước khi đưa qua hệ thống UPS và đưa đến tải Hệ thống UPS có nhiệm vụ ổn định, duy trì liên tục các thông số nguồn điện đầu vào sơ cấp (điện

áp, dòng điện, tần số) Qua một hệ thống ắcquy và mạch chuyển đổi thì nguồn điện sơ cấp cung cấp tại đầu ra UPS sẽ được đưa đến tải để cung cấp cho các thiết bị trong các TTTHDL Trong trường hợp mất điện lưới, nguồn điện cung cấp cho tải không bị mất ngay mà được duy trì bởi hệ thống UPS, sau đó tủ ATS

sẽ khởi động máy phát dự phòng và đóng điện vào nguồn sơ cấp bằng cách điều khiển các rơle trung gian và khởi động từ Tuy nhiên, thời gian chịu tải của UPS

là giới hạn và tuổi thọ của ắcquy thường không quá 3 năm Do vậy, giám sát trạng thái điện áp nguồn cấp (điện lưới và UPS) cung cho toàn bộ thiết bị trong các TTTHDL là việc hết sức quan trọng nhằm ngăn sự gián đoạn hoạt động của toàn hệ thống

Phương án giám sát điện lưới:

Hình 1.13: Nguyên lý của bộ giám sát điện lưới

Bộ chuyển

đổi ACDC

Bộ suy giảm/lọc

Bộ cách ly/so sánh

Đầu ra logic

Đầu

Modem GSM

Máy chủ

Với thiết kế này, điện áp AC cung cấp cho các TTTHDL thường ở dải điện áp ~220V sẽ được đưa qua một bộ chuyển đổi AC/DC (thường là cầu Diode) để chỉnh lưu điện áp xoay chiều thành một chiều Điện áp một chiều sau khi chỉnh lưu sẽ được đưa qua một bộ suy giảm và lọc để hạ thấp điện áp và ổn định nguồn cần đo Điện áp áp Dc sau khi được hạ áp và lọc sẽ được đưa qua một bộ cách ly/so sánh để cách ly hoàn toàn với nguồn đo và chuẩn hóa ở dạng logic (TTL, CMOS, ECL, v.v.) trước khi đưa vào khối vi điều khiển (µC) Trong trường hợp nguồn điện gặp sự cố (mất điện lưới, UPS lỗi) khối vi điều khiển (µC) sẽ gửi cảnh báo đến máy chủ, máy chủ sẽ tự động thiết lập cuộc gọi hoặc nhắn tin khẩn cấp đến người quản trị đã đăng ký qua Modem GSM.

Kết luận Chương 1:

Như vậy trong chương này, luận văn đã chỉ ra được thực trạng và nhu cầu giám sát môi trường vận hành trong các TTTHDL Việc xây dựng một hệ thống giám sát đáp ứng được các đòi hỏi trên là yêu cầu cấp thiết Hệ thống giám sát môi trường vận hành dựa trên kỹ thuật đo lường và giám sát theo thuật toán cụ thể sẽ giúp quá trình giám giám môi trường vận hành đáp ứng được được các tiêu chuẩn trong nước cũng như quốc tế

Nội dung của chương 1 cũng đã xây dựng được các mô hình giám sát cụ thể cho từng đối tượng: giám sát nhiệt độ, giám sát độ ẩm, giám sát báo cháy, giám sát điện lưới Sau khi phân tích, xây dựng được mô hình giám sát môi trường vận hành tại các TTTHDL, chương 2 của luận văn sẽ cụ thể hóa nghiên cứu bằng việc xây dựng phần cứng và phần mềm để giám sát các tham số chọn lọc

Chương 2: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRONG CÁC TRUNG TÂM TÍCH HỢP DỮ LIỆU VỚI CÁC THÔNG SỐ CHỌN LỌC

Căn cứ vào nhu cầu giám sát môi trường vận hành tại các TTTHDL và bài toán cụ thể được đặt ra, trong chương này luận văn đi vào nghiên cứu và xây dựng một cách chi tiết phần cứng và phần mềm điều khiển của hệ thống giám sát với mục đích giám sát một số thông số có chọn lọc: nhiệt độ, độ ẩm, báo cháy và nguồn điện

2.1 Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống giám sát

Hệ thống giám sát gồm các khối sau đây:

- Khối vi điều khiển trung tâm(µC): là một vi điều khiển AVR 8 bit dùng để

xử lý toàn bộ thông tin vào/ ra và các thông tin khác theo thuật toán

- Khối hiển thị : Màn LCD 16x 2 dùng để hiển thị theo thời gian thực các tham

số quan trọng khi hệ thống hoạt động (nhiệt độ, độ ẩm)

- Khối đo nhiệt độ: Thu nhận dữ liệu đo từ các các cảm biến nhiệt và đưa về khối vi điều khiển trung tâm

- Khối đo độ ẩm: Thu nhận dữ liệu đo từ các các cảm biến độ ẩm và đưa về khối vi điều khiển trung tâm

- Khối kiểm tra tình trạng báo cháy: Có nhiệm vụ thu nhận dữ liệu đo từ các các đầu dò báo cháy (đầu dò khói - nhiệt) hoặc các trạng thái cảnh báo của tủ báo cháy

- Khối kiểm tra trạng thái nguồn điện: Có nhiệm vụ thu nhận dữ liệu logic của trạng thái điện lưới, trạng thái UPS

- Khối cảnh báo: Đưa ra cảnh báo nếu các giá trị giám sát vượt ngưỡng cảnh báo, vi điều khiển trung tâm sẽ đưa tới các đầu ra cảnh báo thông qua các rơle trung gian (chuông báo, đèn báo, còi hú)

- Khối giao tiếp máy tính: Truyền các tham số giám sát giữa máy tính và vi điều khiển trung tâm sử dụng giao thức RS232

- Khối cấp nguồn: Cung cấp toàn bộ nguồn cho mạch điều khiển và các cảm biến, khối nguồn được thiết kế nguồn dự phòng để đảm bảo hệ thống giám sát vẫn hoạt động cả khi nguồn điện cung cấp cho TTTHDL bị mất

- Máy chủ: Cài đặt phần mềm giám sát giúp người quản trị giám sát, tổng hợp toàn bộ các tham số của môi trường vận hành trong DC dưới dạng đồ họa

trực quan Trong trường hợp các tham số giám sát vượt ngưỡng thì máy chủ

sẽ gửi các cảnh báo tới người quản trị từ xa thông qua modem GSM (bằng tin nhắn và cuộc gọi khẩn cấp)

Hình 2.1 : Thiết kế sơ đồ khối của hệ thống giám sát

Khối vi điều khiển trung tâm(µC)

Modem GSM Người quản trị

Hệ thống xử lý trung tâm

2.1.1 Xây dựng khối vi điều khiển trung tâm

Khối vi điều khiển trung tâm (µC) điều khiển theo quy trình sau:

- Khối vi điều khiển trung tâm lần lượt thu nhận các tín hiệu từ các cảm biến (cảm biến nhiệt, cảm biến độ ẩm, cảm biến báo cháy, trạng thái nguồn điện v.v)

- Đo đạc và đưa ra kết quả ra màn hình hiển thị để tiện theo dõi và kiểm tra

- So sánh các thông số đo được từ các cảm biến với các ngưỡng đặt sẵn theo tiêu chuẩn của TTTHDL

- Đưa ra cảnh báo tới Rơle nếu các thông số cảnh báo vượt ngưỡng cho phép (quá nhiệt độ, độ ẩm quá cao, có báo cháy, mất điện lưới hoặc UPS lỗi)

- Truyền các thông số đo đạc, cảnh báo được từ cảm biến cho máy chủ

- Máy chủ truyền các cảnh báo từ xa thông qua Modem GSM

5V

5V

5V

12V 12V

RX TX

OUT1 OUT3 OUT5 OUT7

OUT8 OUT6 OUT4 OUT2

RL1

RL1 RL3 RL5 RL7

RL2 RL2

RL2

I NP1

I NP3 ADC1 ADC3

INP7 INP5 INT0

ADC1 ADC3

RST

RX TX

I NT0

I NP5

I NP7

OUT8 OUT6 OUT4 OUT2

I NP1

I NP3 ADC1 ADC3

D5 RST D7

AIN 1 RW

D5

RS RW E AIN 1 D4 D6

18 20

29

40 1

3 5 7

24 26 28

12

14 16

39 37 35 33

32

RST

(OC1B) PD4 (OC1A)PD5 (ICP1)PD6

PC7

(ADC0) PA0 (T0)PB0 (INT2/AIN0)PB2 (AIN1)PB3 (SS)PB4 (MOSI)PB5 (SCK)PB7

PC2 PC4 PC6

XTAL2

(RXD)PD0 (TXD)PD1 (INT0)PD2

(ADC1) PA1 (ADC3) PA3 (ADC5) PA5 (ADC7) PA7 AREF

8

17

10 11

18

13 16

VCC OUT1

OUT8

OUT3 OUT6

GND OUT4

D 11

DIODE

R2 1K

R3 1K

R4 1K

R5 1K

R6 1k

R8 1k R7 1k

SW 1

R ST

R1 10K

R9 1k

C9 2000u C10

0.1

C17 10nP U2

Max232

3

6 10

2 1

5 4

14 13 8 7 11 12 9 15

16

C1-VEE T2in

R 1out GND VCC

2 6 10

+ + +

+ + +

C8 104

C 4 10u

C 5 10u

D1 LED

D3 LED

D4 LED

D5 LED

D6 LED

D2 LED

D7 LED

D8 LED

DI ODE

JP22

8 HEADER

1 3 5 7

C 6 10u

C7 10u

JP2

HEADER 3

1 3

JP3

HEADER 3

1 3

JP4

HEADER 3

1 3

JP5

HEADER 3

1 3

JP9

8 HEADER

1 3 5 7

JP19

8 HEADER

1 3 5 7

JP20

8 HEADER

1 3 5 7

K1

RELAY SPDT

3 5 4 1

K2

RELAY SPDT

3 5 4 1

K3

RELAY SPDT

3 5 4 1

JP6

HEADER 3

1 3

JP7

HEADER 3

1 3

JP8

HEADER 3

1 3

K4

RELAY SPDT

3 5 4 1

K5

RELAY SPDT

3 5 4 1

K6

RELAY SPDT

3 5 4 1

K7

RELAY SPDT

3 5 4 1

K8

RELAY SPDT

3 5 4 1

MOSI

MISO SCK

Hình 2.2 : Mạch nguyên lý khối vi điều khiển trung tâm

Khối vi điều khiển trung tâm được xây dựng dựa nhân vi điều khiển AVR 8

bit dòng ATmega16, đây là vi điều khiển có CPU kiến trúc RISC Với khả năng thực hiện mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock, ATmega16 có thể đạt được tốc độ 1MIPS trên mỗi MHz (1 triệu lệnh/s/MHz) Dưới đây là sơ đồ khối của ATmega16

Hình 2.3: Cấu trúc vi điều khiển AVR ATmega16

ATmega16 có các đặc điểm sau: 16KB bộ nhớ Flash với khả năng đọc trong khi ghi, 512 byte bộ nhớ EEPROM, 1KB bộ nhớ SRAM, 32 thanh ghi chức năng chung, 32 đường vào ra chung, 3 bộ định thời/bộ đếm, ngắt nội và ngắt ngoại, USART, giao tiếp nối tiếp 2 dây, 8 kênh ADC 10 bit,

ATmega 16 hỗ trợ đầy đủ các chương trình và công cụ phát triển hệ thống như: trình dịch C, macro assemblers, chương trình mô phỏng/sửa lỗi, kit thử nghiệm,

2.1.1.1 Cấu trúc nhân AVR

CPU của AVR có chức năng bảo đảm sự hoạt động chính xác của các chương trình Do đó nó phải có khả năng truy cập bộ nhớ, thực hiện các quá trình tính toán, điều khiển các thiết bị ngoại vi và quản lý ngắt

Cấu trúc tổng quát:

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc CPU của ATmega16

AVR sử dụng cấu trúc Harvard, tách riêng bộ nhớ và các bus cho chương trình và dữ liệu Các lệnh được thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung clock Bộ nhớ chương trình được lưu trong bộ nhớ Flash

2.1.1.2 Cấu trúc bộ nhớ

ATmega16 có cấu trúc Havard, trong đó đường truyền cho bộ nhớ dữ liệu

và đường truyền cho bộ nhớ chương trình được tách riêng

 Bộ nhớ chương trình: là bộ nhớ Flash lập trình được gồm 2 phần: phần đầu chứa các vector ngắt và phần mã lệnh nằm ngay sau đó

 Bộ nhớ dữ liệu: Chia thành 5 phần như hình vẽ 2.5

Hình 2.5: Sơ đồ bộ nhớ tổng quát của ATmega16

2.1.2 Xây dựng các khối thu nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt, độ ẩm và điện lưới

2.1.2.1 Khối giám sát nhiệt độ

a Phương án sử dụng cảm biến nhiệt độ DS18B20

Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là một sản phẩm của công ty Dallas (Mỹ), đây cũng là công ty đóng góp nhiều vào việc cho ra đời bus 1 dây và các cảm

32 thanh ghi

đa mục đích

64 thanh ghi Input/Output

SRAM ngoài (512 x 8)

EEPRROM (512 x 8)

Bộ nhớ chương trình Bộ nhớ dữ liệu Bộ nhớ dữ liệu

Mã lệnh chương trình

biến 1 dây Hình dạng bề ngoài của cảm biến 1 dây DS18B20 được miêu tả trong hình 2.6, trong đó dạng vỏ TO-92 với 3 chân là dạng thường gặp và được

sử dụng trong nhiều ứng dụng, cảm biến dạng vỏ SOIC với 8 chân được dùng để

đo nhiệt độ bề mặt, kể cả da người

+ Đặc điểm:

 Sử dụng giao tiếp 1 dây (1-Wire) và chỉ yêu cầu 1 chân để truyền thông

 Mỗi một thiết bị có vùng 64 bit lưu trữ dạng nối tiếp trên ROM

 Không yêu các cầu thành phần bổ sung

 Có thể cấp nguồn từ chân dữ liệu; Nguồn cấp trong dải 3.0V tới 5.5V

 Đo nhiệt độ trong dải: -55oC tới +125oC (-67oF tới 257oF)

 Sai số ±0.50oC chính xác từ -10oC đến +85oC

 Độ phân giải đo lường từ 9-12 bit do người dùng lựa chọn

 Chuyển đổi nhiệt độ thành 12 bit số trong 750ms(tối đa)

Hình 2.6 : Sơ đồ khối cấu tạo của cảm biến nhiệt DS18B20

+ Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của DS18B20:

 Sử dụng giao diện 1 dây nên chỉ cần có một chân ra để truyền thông

 Độ phân giải khi đo nhiệt độ là 9 - 12bit Dải đo nhiệt độ -550C đến 1250

C, từng bậc 0,50 C, có thể đạt độ chính xác đến 0,10 C bằng việc hiệu chỉnh qua phần mềm DS18B20 phù hợp với các ứng dụng đo lường đa điểm vì nhiều đầu đo có thể được nối trên một bus, bus này được gọi là bus một dây (1-wire bus)

 Không cần thêm linh kiện bên ngoài Điện áp nguồn nuôi có thể thay đổi trong khoảng rộng, từ 3,0 V đến 5,5 V một chiều và có thể được cấp thông qua đường dẫn dữ liệu Dòng tiêu thụ ở chế độ nghỉ cực nhỏ Thời gian lấy mẫu và biến đổi thành số tương đối nhanh, không quá 200 ms

 Mỗi cảm biến có một mă định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ ROM trên chip (on chip), giá trị nhị phân được khắc bằng tia lazer Đầu

đo nhiệt độ số DS18B20 đưa ra số liệu để biểu thị nhiệt độ đo được dưới dạng mã nhị phân 9 bit Các thông tin được gửi đến và nhận về từ DS18B20 trên giao diện 1-wire, do đó chỉ cần hai đường dẫn gồm một đường cho tín hiệu và một đường làm dây đất là đủ để kết nối vi điều khiển đến điểm đo Nguồn nuôi cho các thao tác ghi/đọc/chuyển đổi có thể được trích từ đường tín hiệu, không cần có thêm đường dây riêng để cấp điện áp nguồn

 Mỗi vi mạch đo nhiệt độ DS18B20 có một mã số định danh duy nhất, được khắc bằng laser trong quá trình chế tạo vi mạch nên nhiều vi mạch DS1820 có thể cùng kết nối vào một bus 1-wire mà không có sự nhầm lẫn Đặc điểm này làm cho việc lắp đặt nhiều cảm biến nhiệt độ tại nhiều

vị trí khác nhau trở nên dễ dàng và với chi phí thấp

 Theo chuẩn 1-wire độ dài tối đa cho phép của bus là 300 m

 Số lượng các cảm biến nối vào bus không hạn chế Để nâng cao độ phân giải lên trên 12 bit ta phải tính toán thêm bằng phần mềm dựa trên các số liệu lưu trữ trên các thanh ghi nhiệt độ, COUNT REMAIN và COUNT PER C trong nhóm các thanh ghi nháp (scratchpad)

+ Sơ đồ kết nối cảm biến nhiệt với vi điều khiển:

PD0.7

JP25

DS18B20 1 2 3

JP26

DS18B20 1 2 3 R43

4.7K

VI §IÒU

KHIÓN

Hình 2.7: Sơ đồ kết nối 1 dây đọc dữ liệu nhiệt độ từ các cảm biến DS18B20

Với kết nối 1 dây (1-Wire) hệ thống Vi điều khiển đọc dữ liệu từ cảm biến qua 1 dây duy nhất, trong trường hợp có từ hai cảm biến DS18B20 trở lên ta chỉ cần kết nối chung vào 1 dây duy nhất Cảm biến DS18B20 có thể sử dụng nguồn ngoài tại vị trí đo giúp giảm số dây dẫn trong quá trình lắp đặt

b Phương án sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35

Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius Chúng cũng không yêu cầu căn chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được căn chỉnh

Đặc điểm chính của cảm biến LM35:

+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC

+ Độ chính xác cao ở 25oC là 0.5oC

+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55oC – 150oC với các mức điện áp

ra khác nhau Xét một số mức điện áp như:

+ Nhiệt độ -55oC điện áp đầu ra -550mV

+ Nhiệt độ 25oC điện áp đầu ra 250mV

+ Nhiệt độ 150oC điện áp đầu ra 1500mV

Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp Đối với

hệ thống đo nhiệt độ môi trường TTTHDL chỉ cần dải đo từ 0 đến 150oC

Hình 2.8 : Sơ đồ kết nối LM35 đọc dữ liệu cảm biến nhiệt độ qua ADC

2.1.2.2 Khối giám sát độ ẩm

Khối giám sát độ ẩm sử dụng cảm biến độ ẩm DHT11 Đây là loại cảm biến ra đời sau và được sử dụng thay thế cho dòng SHT1x ở những nơi không

cần độ chính xác cao về nhiệt độ và độ ẩm DHT11 và sử dụng giao tiếp số theo chuẩn 1 dây

VI §IÒU

KHIÓN

AVR

C¶m biÕn §é Èm

KÕt nèi 1 d©y (1-Wir ebus)

Hình 2.9: Sơ đồ kết nối 1 dây đọc dữ liệu độ ẩm từ các cảm biến DHT11

+ Nguyên lý hoạt động:

Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn 1 chân, vi xử lý thực hiện theo

2 bước:

- Gửi tín hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau đó DHT11 xác nhận lại

- Khi đã giao tiếp được với DHT11, cảm biến sẽ gửi lại 5 byte dữ liệu và nhiệt độ đo được

2.1.2.4 Khối giám sát báo cháy

Khối giám sát báo cháy được thiết kế để giám sát trực tiếp các đầu dò khói hoặc các đầu ra cảnh báo của tủ báo cháy Các tín hiệu giám sát này được đưa qua 1 bộ giảm áp và cách ly quang trước khi đưa vào vi điều khiển Các điện trở hạ áp và điện trở treo được tính toán sao cho ở trạng thái bình thường vi điều khiển nhận mức logic 1 khi báo cháy thì vi điều khiển nhận mức logic 0

INP5

INP7 INP6

INP8

R10

5.6K

R13 5.6K

R12 5.6K

R11 5.6K R14 10K

R16 10K

R17 10K

R15 10K

R21 2.2K

R18 2.2K

R20 2.2K

R19 2.2K

Hình 2.10: Mạch nguyên lý của khối giám sát báo cháy

2.1.2.5 Khối giám sát nguồn điện

Khối giám sát nguồn điện thực chất là các đầu đo điện áp được đấu nối trực tiếp vào nguồn cần đo để xác định xem có hoặc mấtđiện áp nguồn Tín hiệu này là dòng xoay chiều ~220V do vậy cần được đưa qua một bộ chỉnh lưu, sau

đó đưa qua điện trở để hạ áp Để đảm bảo an toàn tín hiệu này được đưa qua một

bộ cách ly quang để lấy tín hiệu đo logic cho vi điều khiển, các điện trở treo và điện trở hạ áp được tính toán sao cho ở trạng thái bình thường vi điều khiển nhận mức logic 1, khi mất điện nguồn thì vi điều khiển nhận mức logic 0

R25 100K U10

4N35

1 6

2

5

4

C13 100u

JP17

HEADER 2

1 2

JP16

HEADER 2

1 2

JP15

HEADER 2

1 2

C14 100u

R26 100K U11

4N35

1 6

4N35

1 6

2

5

4

C16 100u

C15 100u

Hình 2.11: Mạch nguyên lý của khối giám sát nguồn điện

2.1.3 Xây dựng khối giao tiếp máy tính

Toàn bộ các tham số đo và cảnh báo xử lý tại vi điều khiển trung tâm (µC) cần được truyền lên hệ thống máy chủ nhằm phục vụ việc giám sát Để thực hiện việc này, ta cần xây dựng khối giao tiếp máy tính để truyền thông tin giữa vi điều khiển trung tâm (µC) và máy chủ quản lý qua giao thức truyền thông không đồng bộ UART(Universal Asynchronous serial Reveiver and Transmitter) Cả hai thiết bị này cùng sử dụng chuẩn giao tiếp RS-232

Tín hiệu truyền theo chuẩn RS-232 của EIA (Electronics Industry Associations) quy định mức logic 1 ứng với điện áp từ -3V đến -25V, mức logic

0 ứng với điện áp từ 3V đến 25V và có khả năng cung cấp dòng từ 10 mA đến

20 mA Ngoài ra, tất cả các ngõ ra đều có đặc tính chống chập mạch Chuẩn RS-232 cho phép truyền tín hiệu với tốc độ đến 20.000 bps nhưng nếu cáp truyền đủ ngắn có thể lên đến 115.200 bps

USART (Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and Transmitter) là bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ Khái niệm USART (hay UART nếu chỉ nói đến bộ truyền nhận không đồng bộ) thường để chỉ thiết bị phần cứng (device, hardware), không phải chỉ một chuẩn giao tiếp USART hay UART cần phải kết hợp với một thiết bị chuyển đổi mức điện áp để tạo ra một chuẩn giao tiếp nào đó Chuẩn RS232 (hay COM) trên các máy tính

cá nhân là sự kết hợp của chip UART và chip chuyển đổi mức điện áp Tín hiệu

từ chip UART thường theo mức TTL: mức logic cao là 5, mức thấp là 0V Trong khi đó, tín hiệu theo chuẩn RS232 trên máy tính là -12V cho mức logic cao và +12 cho mức thấp

Hình 2.12: Tín hiệu tương đương của UART và RS232

Xét trong trường hợp cần xây dựng một ứng dụng kết nối giữa vi điều khiển và máy tính để truyền dữ liệu mạng Master-Slave với điều kiện dữ liệu cần trao đổi là các mã có chiều dài 8 bits, ta có thể sử dụng kỹ thuật truyền thông song song hoặc truyền thông nối tiếp

- Truyền thông song song : là kỹ thuật đơn giản nhất với việc kết nối 1 PORT (8 bit) của mỗi vi điều khiển với nhau, mỗi line trên PORT sẽ chịu trách nhiệm truyền/nhận 1 bit dữ liệu

+ Ưu điểm : tốc độ truyền nhanh vì dữ liệu được xuất và nhận trực tiếp không thông qua bất kỳ một giải thuật biến đổi nào

+ Nhược điểm : số đường truyền nhiều không phù hợp với dữ liệu lớn Thực tế, hệ thống truyền thông song song thường rất cồng kềnh và vì thế kém hiệu quả

- Truyền thông nối tiếp

+ Ưu điểm : dữ liệu được truyền từng bit trên 1 (hoặc một ít) đường truyền nên độ lớn của dữ liệu không ảnh hưởng cấu trúc kết nối

+ Nhược điểm : tốc độ truyền và độ chính xác của dữ liệu khi truyền và nhận Do dữ liệu cần được chia thành từng bit khi truyền/nhận nên tốc độ truyền

sẽ bị giảm Mặt khác, để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu, bộ truyền và bộ nhận cần có những tiêu chuẩn nhất định

Hình 2.13 so sánh giữa 2 cách truyền song song và nối tiếp trong việc truyền số thập phân 187 (dạng nhị phân là 10111011)

Hình 2.13: Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp

Truyền thông nối tiếp đồng bộ và truyền thông nối tiếp không đồng bộ:

- Khái niệm “đồng bộ” để chỉ sự “báo trước” trong quá trình truyền Ví

dụ thiết bị 1 kết nối với với thiết bị 2 bởi 2 đường, một đường dữ liệu và 1 đường xung nhịp Mỗi khi thiết bị 1 muốn gửi 1 bit dữ liệu, nó cần điều khiển đường xung nhịp chuyển từ mức thấp lên mức cao báo cho thiết bị 2 sẵn sàng nhận một bit Bằng cách “báo trước” này tất cả các bit dữ liệu có thể truyền/nhận dễ dàng với ít rủi ro trong quá trình truyền Tuy nhiên, cách truyền này đòi hỏi ít nhất 2 đường truyền cho 1 quá trình

- Đối với truyền thông “không đồng bộ” chỉ cần một đường truyền cho một quá trình “Khung dữ liệu” đã được chuẩn hóa bởi các thiết bị nên không cần đường xung nhịp báo trước dữ liệu đến Truyền thông nối tiếp không đồng

bộ hiệu quả hơn truyền thông đồng bộ v́ không cần nhiều đường truyền, tuy

nhiên, để quá trình truyền thành công thì việc tuân thủ các tiêu chuẩn truyền là hết sức quan trọng

Các khái niệm quan trọng trong phương pháp truyền thông nối tiếp không đồng bộ:

Baud rate (tốc độ Baud): là số bit truyền trong 1 giây Ví dụ nếu tốc độ

baud được đặt là 19200 thì thời gian dành cho 1 bit truyền là 1/19200 ~ 52.083us

Frame (khung truyền): Bên cạnh tốc độ baud, khung truyền là một yếu tố

giúp đảm bảo sự chính xác của dữ liệu Khung truyền bao gồm các quy định về

số bit trong mỗi lần truyền, các bit “báo” như bit Start và bit Stop, các bit kiểm tra như Parity, ngoài ra số lượng các bit trong một dữ liệu cũng được quy định bởi khung truyền

Start bit: là bit đầu tiên được truyền trong một frame truyền, bit này có chức

năng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyền tới Ở module USART trong AVR, đường truyền luôn ở trạng thái cao khi nghỉ (Idle), nếu một chip AVR muốn thực hiện việc truyền dữ liệu nó sẽ gởi một bit start bằng cách “kéo” đường truyền xuống mức 0 Như vậy, với AVR bit start là mang giá trị 0 và có giá trị điện áp 0V (với chuẩn RS232 giá trị điện áp của bit start là ngược lại) start là bit bắt buộc phải có trong khung truyền

Data (dữ liệu cần truyền): là thông tin chính cần gửi và nhận Data không

nhất thiết phải là gói 8 bit, với AVR ta có thể quy định số lượng bit của data là

5, 6, 7, 8 hoặc 9 (tương tự cho hầu hết các thiết bị hỗ trợ UART khác) Trong truyền thông nối tiếp UART, bit có ảnh hưởng nhỏ nhất (LSB – Least Significant Bit, bit bên phải) của data sẽ được truyền trước và cuối cùng là bit có ảnh hưởng lớn nhất (MSB – Most Significant Bit, bit bên trái)

Parity bit là bit dùng kiểm tra dữ liệu truyền (một cách tương đối) Có 2 loại

parity là parity chẵn và parity lẻ Parity chẵn nghĩa là số lượng số 1 trong dữ liệu bao gồm bit parity luôn là số chẵn Ngược lại tổng số lượng các số 1 trong parity lẻ luôn là số lẻ

Stop bits: là một hoặc các bit báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ liệu đã

được gửi xong Sau khi nhận được stop bits, thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Stop bits là các bits bắt