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


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là do tôi thực hiện được hoàn thành trên cơ
sở tìm kiếm, thu thập, nghiên cứu, tổng hợp phần lý thuyết và các phương pháp
kĩ thuật được trình bày bằng văn bản trong nước và trên thế giới. Mọi tài liệu
tham khảo đều được nêu ở phần cuối của luận văn. Luận văn này hoàn toàn
mới và không sao chép nguyên bản từ bất kì một nguồn tài liệu nào khác.
Nếu có gì sai sót, tôi xin chịu mọi trách nhiệm./.
HỌC VIÊN

Phạm Ngọc Phương



viết tắt
ADC
ALU
ASCII
ATS
CPU
CMOS
DC
DAC
EEPROM

HVAC
HTTP
ISP
Internet
LAN
LCD
LAN
PWM
ROM
RAM
SRAM
TTL
UART

Tiếng Anh
Analog to Digital Converter
Arithmetic and Logic Unit
American Standard Code for
Information Interchange

nguồn điện
Khối điều khiển trung tâm
Chuẩn logic CMOS dựa trên các
vi mạch tích hợp
Trung tâm tích hợp dữ liệu
Bộ chuyển đổi số sang tương tự
Chíp nhớ khả trình và không bị
xóa khi mất điện
Nhiệt, thông gió và điều hòa
không khí
Giao thức chuyển tải siêu văn bản
Nhà cung cấp địch vụ Internet
Hệ thống thông tin toàn cầu
Mạng cục bộ
Màn tinh thể lỏng
Mạng cục bộ
Bộ điều chế độ rộng xung
Bộ nhớ chỉ đọc
Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên
RAM tĩnh
Bộ logic được xây dựng từ các
transistor
Thiết bị thu / phát không đồng bộ


iii
Thuật ngữ
viết tắt
UPS
µC (MCU)

66


v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình vẽ
Hình A
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10

Cấu trúc vi điều khiển AVR ATmega16
Sơ đồ cấu trúc CPU của AVR ATmega16
Sơ đồ bộ nhớ tổng quát của AVR ATmega16
Sơ đồ khối cấu tạo của cảm biến nhiệt DS18B20
Sơ đồ kết nối 1 dây dọc dữ liệu nhiệt độ từ các cảm biến
DS18B20
Sơ đồ kết nối LM35 đọc dữ liệu cảm biến nhiệt độ qua ADC
Sơ đồ kết nối 1 dây dọc dữ liệu nhiệt độ từ các cảm biến
DHT11
Mạch nguyên lý của khối giám sát báo cháy
Mạch nguyên lý của khối giám sát nguồn điện
Tín hiệu tương đương của UART và RS232
Truyền 8 bit theo phương pháp song song và nối tiếp.
Bản vẽ kết nối giữa máy chủ và vi điều khiển qua giao tiếp RS232
Thiết kế khối cảnh báo sử dụng modem GSM
Sơ đồ khối bên trong GSM modem.

Trang
1
5
6
7
8
9
11
13
16
17
18
21

Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.4
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9

Mạch nguyên lý khối cảnh báo qua GSM
Mạch nguyên lý bộ nguồn tuyến tính
Lưu đồ thuật toán xử lý trên vi khối xử lý trung tâm
Lưu đồ thuật toán truyền thông
Lưu đồ thuật toán giám sát nhiệt độ
Lưu đồ thuật toán giám sát độ ẩm
Lưu đồ thuật toán giám sát báo cháy và lỗi cấp nguồn
Lưu đồ thuật toán giám sát trên máy tính
Lưu đồ thuật toán cảnh báo từ xa qua modem GSM
Mô hình kết nối hệ thống thử nghiệm giám sát môi trường tại
TTTHDL ĐHTN
Thử nghiệm lắp đặt mạch xử lý trung tâm
Thử nghiệm cài đặt phần mềm giám sát trên máy chủ
Các giao diện thiết lập thông số cảnh báo và giám sát
Giao diện theo dõi lịch sử giám sát
Kết quả thử nghiệm giám sát nhiệt độ
Kết quả thử nghiệm giám sát độ ẩm
Kết quả thử nghiệm giám sát báo cháy
Kết quả thử nghiệm giám sát nguồn điện


− 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


2
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

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.


4
• 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

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


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

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.


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

Thiết bị điều khiển

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 µP và µC).
- Thiết bị lưu trữ ghi vào bộ nhớ hoặc in ra để lưu trữ.


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:

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.


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
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


Printer

RS 232
Interface

Display
Keyboard

RAM

RS 232
Interface

Date Memory

Control

Control
µP

Date
Address

RS 232
Interface

Printer

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

Đo lường

T
2

Đo lường

T
n

Đo lường

H
1

Đo lường

H
2

Đo lường

H
n

Đo lường

F
1


Cách ly
Chuyển đổi/
Cách ly

Chuyển đổi/ Cách
ly
Chuyển đổi/ Cách
ly

P
W
1
P
W
2

Các đầu đo
Trạng thái nguồn (Power)

Các
cảm
biến
Độ
ẩm
(Humi
dity)
Các
cảm
biến
Báo

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 20 oC 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.


16
- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
- Tầm đo: -100oC đến
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.

Cảm
biến
nhiệt

Cảm
biến
nhiệt

Bộ chọn
kênh
MUX

Bộ
chuyển
đổi ADC

Modem
GSM

µC

Đầu ra
cảnh