摘 要： 為了緩解電信運營商互聯網數據中心IDC(Internet Data Center)機房的用電量壓力，針對IDC機房內服務器租用業務的特點，向服務器租用者收取一定的用電費用成為IDC運營商的一種管理方式,建立統一集中的用電量監測系統成為這種管理方式的技術關鍵。設計了一種分布式服務器電流監測系統,在前端采用霍爾電流傳感器對每個服務器機柜的電流進行采集,由內嵌μCOS-Ⅱ操作系統的電流采集器負責收集電流信息。監測系統具有實時采集、集中監測、遠程管理等功能。
關鍵詞： 服務器電流; 實時采集; 集中監測; ARM
隨著我國互聯網和手機的普及，IDC機房的數量和其中的服務器隨著其業務的不斷發展而迅速擴大，計量呈幾何級增長。為了緩解不斷攀升的用電成本問題，針對IDC機房服務器租用業務的特點，對每個向外出租的服務器用電量進行分別計量和監測進而計費成為了電信運營商的一種管理方式。本文設計了一種分布式服務器電流監測系統，對整個IDC大樓分布的服務器電流實時數據進行遠程化、網絡化在線監測，進而對電流數據進行統計，便于對不同租用者進行電費計量，實時監測每個服務器的用電情況，預防用電超過安全范圍而導致的危險事故，以及對服務器或供電設備的用電歷史數據進行查詢分析，為管理部門提供決策依據。
1 系統總體設計
如圖1所示，分布式服務器電流監測系統由三部分構成，分別為前端電流互感器、電流采集器、監測中心的服務器和控制臺。其中電流互感器采用霍爾器件，用于實時采集服務器電流并輸出采樣信號；采集器是為本系統專門設計的硬件設備，是實現IDC大樓機房內服務器電流的實時采集、計算處理、數據上傳、與監測中心通信等功能的集成；監測中心服務器為整個后臺提供數據庫程序，是負責收集和存儲的數據中心；控制臺軟件完成日常維護和數據查詢功能。
2 電流互感器
霍爾電流傳感器具有優越的電性能，具有精度高、線性好、頻帶寬、響應快、過載能力強和不損失被測電路能量等諸多優點。
本系統采用閉環型霍爾電流傳感器,型號為TKC50BA/BR，可直接測量交流電流、直流電流以及脈沖電流等，額定輸入電流為50 A，輸出信號的額定電壓為4±1%V。
3 電流采集器
3.1 硬件電路設計
電流采集器硬件電路的結構如圖2所示。
電流采集器采用基于ARM Cortex-M3架構的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開關電源之間增加一電壓調節電路，以提供合適的供電電壓。在STM32處理器上外擴了網絡接口芯片以提供以太網接口。電流采集器內集成了WiFi模塊接口電路，可為電流采集器增添WiFi數據模塊支持。電路中內置了GPRS通信模塊接口電路，電流采集器與監測中心之間的通信還可以采用移動蜂窩數據網絡的通信方式。
系統調試接口，用于實現電流采集器軟件程序的下載與在線調試的功能。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試功能。E2PROM存儲電路的主要功能一是將自身的IP地址信息以及自身參數配置信息永久地存儲以供每次設備重啟時調用；二是將電路非正常工作時的故障信息儲存在E2PROM存儲電路里，方便以后故障排查時讀取或測試狀態下通過串口讀取。
3.1.1 霍爾電流傳感器輸入電路及A/D調理采樣電路
每個電流采集器可輸入32路霍爾電流傳感器信號，為了節省處理器引腳與電子元器件，將這32路信號首先經過32個運放調理電路后經由4個8選1模擬多路復用器縮減為4路，然后再將4路信號經過同樣模擬
多路復用器縮減為1路，這樣只需通過控制模擬多路復用器的選通功能即可依次將32路信號連接至下級電路。設計中模擬多路復用器選用型號為ADG508AKR的芯片，電路如圖3所示。
選通的信號經過運放調理電路后送入有效值交流轉換直流芯片，轉換為直流電壓后接入16位的高精度A/D轉換芯片，處理器的SPI接口通過光耦和A/D芯片通信，將A/D轉換接口通過光耦與A/D芯片通信，將A/D轉換數據讀入處理器中。本設計使用了型號為AD7705的2通道的模擬數字轉換芯片， A/D采集電路如圖4所示。
3.1.2 以太網接口電路
電流采集器與監測中心之間采用TCP/IP協議通信，需要在采集器硬件電路中設計以太網通信模塊。本設計使用了型號為ENC28J60的以太網控制芯片，與目前大多數符合IEEE 802.3協議規定的以太網控制芯片相比，ENC28J60采用標準的SPI串行接口，只需將其芯片上的SPI引腳和STM32的SPI引腳對應相連，RESET引腳直接與STM32的復位引腳NRST相連，中斷引腳可直接連接至STM32任一中斷引腳上，即可實現通信。使用ENC28J60可很大程度上簡化電路設計，并減小所占用PCB板的空間。以太網通信電路的硬件設計如圖5所示。整個電路由時鐘振蕩器、復位電路、輸入/輸出電平、變壓器等構成。
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、系統調試接口電路、RS232通信電路、E2PROM存儲電路、WiFi模塊接口電路和GPRS模塊接口電路等。
3.2 軟件設計
電流采集器軟件使用C語言編寫，在RealView MDK下開發完成。其主要功能有：電流采集、數據通信和參數更新等。
電流采集器軟件以μCOS-Ⅱ操作系統為基礎，上電啟動后，進行?滋COS-Ⅱ操作系統的初始化，隨后進入設定的任務程序，μCOS-Ⅱ的任務型設計為程序的模塊化設計提供了簡便的思路，每個任務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。
軟件運行后，電流采集器服務程序與監測中心服務器程序、控制臺程序與監測中心服務器程序均建立TCP/IP通信并維持；監測中心服務后臺程序定時采集電流采集器設備的電流值及連接狀態并寫入數據庫中，當出現告警信息時就將信息存至數據庫，等待每次控制臺程序的讀取或命令。
3.2.1 監測中心的服務器
監測中心的服務器是整個監測系統數據通信的中樞，負責接收電流采集器上傳的數據、運行參數等信息并寫入數據庫，同時向各采集器下傳控制指令的運行參數，并提供面向控制臺軟件的數據訪問與命令接收，其核心是服務器后臺的數據通信軟件與數據庫管理軟件。整個服務器數據通信軟件的流程圖如圖7所示。
3.2.2 控制臺電流監測軟件
控制臺電流監測軟件是為用戶提供良好的人機交互界面，軟件開發選用了Microsoft公司的Visual Studio 2005開發工具。在人機交互界面上采用事件觸發的模式編寫軟件，按下特定的按鈕觸發相應的程序。軟件按功能被劃分為前臺的顯示、查詢、控制、參數設置、報表以及后臺的通信程序幾大模塊。
4 系統調試結果與分析
對整個系統進行實驗室調試并初步通過后，將其安裝在IDC機房內，在配電柜上測量8個服務器機柜電源實際的電流有效值，并與控制臺軟件顯示的監測值進行對比分析，數據對比與誤差如表1所示。因為每個服務器機柜內安裝有A、B兩路電源分別為其內設備供電，故表中每個機柜測量時分為A路和B路。
在表1中，2I01的B路和2I18的A路有實測電流值而監測電流值為0，經分析與排查得知原因是：此型號的霍爾電流傳感器在測量過小電流時，其靈敏度不高，這是由于忽略了將服務器機柜電源線在傳感器上繞3圈以增大電流強度、提高測量精度的措施，從而導致測量的小電流無顯示的問題。2I01的A路數據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，導致顯示數據只有實際值的1/3左右。另外2I04的A、B路、2I09的B路以及2I17的B路數據和配電柜測得的實際數據相比過小，且超過可接受范圍，經排查原因是在布線安裝電流傳感器位置不得當所導致。最佳的安裝位置是電流垂直通過霍爾傳感器測量面。其他組數據的誤差均小于5%，處于設計要求的范圍之內。
本文介紹了基于STM32的分布式服務器電流監測系統的設計和實現。設計中本著可靠、技術先進、經濟合理的原則，達到集中監測分布在IDC內服務器機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內核的32位處理器 STM32F03，其最高工作頻率可達到72 MHz，并且內嵌成熟穩定的μCOS-Ⅱ實時操作系統，能滿足實時采集服務器機柜電流有效值和其他實時任務的要求。
參考文獻
[1] 馮俊.交流輸入電壓電流監測電路設計[J].電子產品世界，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的設計[J].測控技術,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. 霍爾傳感器實用手冊[M]. 北京:中國電力出版社,2009.