Số hóa bởi trung tâm học liệu
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
–––––––––––––––––––––––––
PHẠM NGỌC PHƢƠNG NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG
HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƢỜNG TẠI CÁC
TRUNG TÂM TÍCH HỢP DỮ LIỆU
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 60 48 01
HỌC VIÊN Phạm Ngọc Phƣơng
Số hóa bởi trung tâm học liệu
i
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU i
NỘI DUNG 3
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT MÔI TRƢỜNG TRONG CÁC
TRUNG TÂM TÍCH HỢP DỮ LIỆU 3
1.1.Giới thiệu về môi trƣờng vận hành trong Trung tâm tích hợp dữ liệu 3
1.1.1. Môi trường vận hành trong các Trung tâm tích hợp dữ liệu 3
1.1.2. Khảo sát trung tâm tích hợp dữ liệu tỉnh Quảng Ninh và Đại học
Thái Nguyên 5
1.1.2.1 Khảo sát tại Trung tâm tích hợp dữ liệu tỉnh Quảng Ninh 5
1.1.2.2 Khảo sát tại Trung tâm tích hợp dữ liệu Đại học Thái Nguyên 6
1.2. Nghiên cứu lý thuyết hệ thống đo lƣờng, giám sát 8
1.2.1. Định nghĩa đo lường và hệ thống thông tin đo lường 8
1.2.1.1. Định nghĩa đo lường 8
1.2.1.2. Định nghĩa hệ thống thông tin đo lường 8
1.2.2. Phân loại hệ thống thông tin đo lường 10
1.2.2.1. Phân loại dựa trên tín hiệu vào 10
1.2.2.2. Phân loại dựa trên tín hiệu ra 11
Người ta phân loại hệ thống thông tin đo lường theo tín hiệu ra thành 4 loại hệ thống
gồm : 11
1.2.3. Tổ chức làm việc của hệ thống thông tin đo lường 12
1.3. Xây dựng bài toán giám sát môi trường trong Trung tâm tích hợp dữ
liệu với các thông số chọn lọc 13
2.2.4. Thuật toán giám sát độ ẩm 47
2.2.5. Thuật toán đọc giá trị báo cháy và lỗi cấp nguồn 48
2.2.6. Thuật toán giám sát trên máy tính 49
2.2.7. Thuật toán cảnh báo từ xa qua modem GSM 50
2.2.8. Mã nguồn điều khiển 50
CHƢƠNG 3: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI
TRƢỜNG TẠI TRUNG TÂM TÍCH HỢP DỮ LIỆU 51
3.1. Cài đặt thử nghiệm hệ thống tại Trung tâm tích hợp dữ liệu 51
3.2. Các kịch bản thử nghiệm và kết quả giám sát 54
3.3. Đánh giá kết quả 57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO 59
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 60
PHỤ LỤC 61 Số hóa bởi trung tâm học liệu
iii
BẢNG CÁC THUẬT NGỮ TIẾNG VIỆT VÀ TỪ VIẾT TẮT
STT
Định nghĩa/Từ viết tắt
Giải thích
1
CNTT
Công nghệ thông tin
2
CSDL
Cơ sở dữ liệu
3
ĐHTN
Khối điều khiển trung tâm
CMOS
Complementary Metal-Oxide-
Semiconductor
Chuẩn logic CMOS dựa trên các
vi mạch tích hợp
DC
Data Center
Trung tâm tích hợp dữ liệu
DAC
Digital to Analog Converter
Bộ chuyển đổi số sang tương tự
EEPROM
Electrically Erasable
Programmable Read-Only
Memory
Chíp nhớ khả trình và không bị
xóa khi mất điện
HVAC
Heating, Ventilation and Air
Conditioning
Nhiệt, thông gió và điều hòa
không khí
HTTP
HyperText Transfer Protocol
Giao thức chuyển tải siêu văn bản
ISP
Internet Service Provider
Nhà cung cấp địch vụ Internet
Internet
TTL
Transistor - Transistor Logic
Bộ logic được xây dựng từ các
transistor
UART
Universal Asinchonus Receiver
Transmitter
Thiết bị thu / phát không đồng bộ
UPS
Uninterruptible Power Supplier
Hệ thống nguồn cung cấp liên tục
C (MCU)
Microcontroller Unit
Bộ vi điều khiển
P
MicroProcessor
Bộ vi xử lý Số hóa bởi trung tâm học liệu
v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng biểu
Nội dung
Trang
Bảng 3.1
Tham số cài đặt giám sát thử nghiệm
51
Bảng A.1
Yêu cầu đối với các phân cấp về điện
Hình 1.5
Sơ đồ cấu trúc của hệ thống thông tin đo lường
9
Hình 1.6
Hệ thống đo sử dụng vi xử lý và trao đổi giữa vi xử lý và giao
diện
11
Hình 1.7
Xây dựng sơ đồ hệ thống giám sát môi trường
13
Hình 1.8
Thiết kế dạng 1 cho hệ thống giám sát nhiệt độ
16
Hình 1.9
Thiết kế dạng 2 cho hệ thống giám sát nhiệt độ
17
Hình 1.10
Thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống giám sát độ ẩm
18
Hình 1.11
Thiết kế hệ thống giám sát báo cháy cho TTTHDL không có tủ
báo cháy
21
Hình 1.12
Thiết kế hệ thống giám sát báo cháy cho TTTHDL có tủ báo
cháy
21
Hình 1.13
Nguyên lý của bộ giám sát điện lưới
22
DHT11
33
Hình 2.10
Mạch nguyên lý của khối giám sát báo cháy
34
Hình 2.11
Mạch nguyên lý của khối giám sát nguồn điện
35
Hình 2.12
Tín hiệu tương đương của UART và RS232
36
Hình 2.13
Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp.
37
Hình 2.14
Bản vẽ kết nối giữa máy chủ và vi điều khiển qua giao tiếp RS232
39
Hình 2.15
Thiết kế khối cảnh báo sử dụng modem GSM
39
Hình 2.16
Sơ đồ khối bên trong GSM modem.
40
Hình 2.17
Mạch nguyên lý khối cảnh báo qua GSM
41
Hình 2.18
Mạch nguyên lý bộ nguồn tuyến tính
43
Hình 2.19
Hình 3.4
Các giao diện thiết lập thông số cảnh báo và giám sát
54
Hình 3.5
Giao diện theo dõi lịch sử giám sát
54
Hình 3.4
Kết quả thử nghiệm giám sát nhiệt độ
55
Hình 3.7
Kết quả thử nghiệm giám sát độ ẩm
56
Hình 3.8
Kết quả thử nghiệm giám sát báo cháy
56
Hình 3.9
Kết quả thử nghiệm giám sát nguồn điện
57
Số hóa bởi trung tâm học liệu
1
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
Chƣơng 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.
Số hóa bởi trung tâm học liệu
3
NỘI DUNG
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT MÔI TRƢỜNG TRONG CÁC
TRUNG TÂM TÍCH HỢP DỮ LIỆU
Trung tâm tích hợp dữ liệu được định nghĩa là nơi tập trung nhiều thành
phần tài nguyên mật độ cao (hardware, software…) làm chức năng lưu trữ, xử lý
toàn bộ dữ liệu hệ thống với khả năng sẵn sàng và độ ổn định cao. Kinh phí đầu
tư cho các TTTHDL rất lớn lên đến hàng triệu USD và phải tuân theo các tiêu
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: 20
o
C đến 25
o
C
Độ ẩm tương đối: 40% đến 55%
Điểm ngưng tụ lớn nhất: 21
o
C
Tốc độ biến thiên lớn nhất: 5
o
C/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
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
Số hóa bởi trung tâm học liệu
6
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
Số hóa bởi trung tâm học liệu
7
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.
Số hóa bởi trung tâm học liệu
9
- 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
Tín hiệu ra
Số hóa bởi trung tâm học liệu
10
- 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 t
0
và U là hai tín hiệu độc lập, còn t
0
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).
b. Hệ thống kiểm tra tự động
Hệ thống kiểm tra tự động là hệ thống thực hiện so sánh giá trị đo được với
một giá trị chuẩn để kiểm tra. Để thực hiện việc kiểm tra hay điều khiển ta phải
ấn định giá trị chuẩn Sp (setpoint) điểm đặt, sau đó so sánh với giá trị cần kiểm
tra. Những hệ thống như vậy gọi là hệ thống kiểm tra tự động. Tín hiệu ra
thường có 3 mức: chuẩn, trên chuẩn, dưới chuẩn.
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. Số hóa bởi trung tâm học liệu
12
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
) 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
TRn
Mux
ADC
P
Program Memory
Date Memory
RS 232
Interface
RS 232
Interface
RS 232
Interface
Printer
Display
Keyboard
Control
ROM
RAM VI
ĐIỀU
KHIỂN
( C)
T2
Đo lường
T1
Đo lường
Tn
Đo lường
Các cảm biến
nhiệt độ (Temprature)
Các cảm biến
Độ ẩm (Humidity)
F1
Chuyển đổi/
Cách ly
F2
Chuyển đổi/
Cách ly
Máy chủ
Giám sát
Các cảm biến
Báo cháy (Fire/Smoke)
Fn
RS232
Số hóa bởi trung tâm học liệu
14
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, CO
2
, 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
theo hình dáng của đầu đo.
- Nguyên lý: khi nhiệt độ thay đổi, điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay
đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất
định. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng 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, 50
o
C đến 150
o
C
d. Bán dẫn
- Cấu tạo: Cảm biến nhiệt bán dẫn được chế tạo từ những chất bán dẫn, gồm các
loại như Diode, Transistor, IC.
- Nguyên lý: dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ
môi trường.
- Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn
giản.
- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
- Tầm đo: -50
o
C đến <150
o
C.
d. Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế- pyrometer).
- Cấu tạo: được làm từ mạch điện tử, quang học, hoạt động dựa trên nguyên tắc
ra cảnh báo (Rơle, đèn báo, chuông báo) nếu các nhiệt độ đo được từ các cảm
Cảm
biến
nhiệt
Bộ
chuyển
đổi ADC
Cảm
biến
nhiệt
µC
Đầu ra
cảnh
báo
Modem
GSM
Cảm
biến
nhiệt
Bộ chọn
kênh
MUX
Máy
chủ
Copyright: Tài liệu đại học ©