引言
随着智能城市信息建设的推进，户外机柜作为信息设备硬件载体，也从小箱、单设备、广泛管理到大规模、高集成、精细智能管理，安装数量也在增加，户外机柜运行、管理和维护工作难度也在增加。目前，城市室外机柜的运行和维护管理大多依赖于检查和维护。管理者面临着各种问题，如户外机柜类型不同、管理项目多、监管内容复杂、问题发现不及时、管理人员不足等。这种管理模式不仅处理问题效率低下，而且忽略了室外设备最重要的机柜内部监控管理。
针对这个问题，本文设计了一套适用于户外机柜的多功能检测器，对机柜内部的供电电压、电流、温度、湿度、烟雾、水位等环境变量进行检测，并对异常情况进行报警及自动调节，设备提供优良运行环境，保证设备安全，同时还具有物联网数据传输功能，互联网平台服务，从而实现户外设备微观层面的精细化监控管理，为维修人员提供有效的管理手段。系统应用拓扑图如下图1所示：
图 1 拓扑图应用于系统
01
通过物联网技术和互联网 结合技术，整合检测系统、报警系统、远程数据传输系统、自动调节系统、定位系统AI故障预测技术形成了独立、高智能的户外机柜监控系统，使管理人员能够实时检查户外机柜IT设备运行环境状况，遇到异常情况及时报警，并自动调整异常现象，云上传运行环境数据，可通过AI分析环境数据，提前预测设备的异常状态，做设备维护的未卜先知
02
主要有检测器STM系统组成如下图所示：
图 2 系统构成图
ST公司的STM32F105微处理器以ARM Cortex?-M3为核心，32为内部总线架构，资源丰富，架构使用方便，功耗低，功耗效率突出。待机模式下，复位电路打开时，典型功耗仅为2 μA，2.0到3.6 V适用于电池供电的电压范围，一流的外设界面包括UART接口、IIC接口，以太网接口，USB接口、SPI接口、ADC接口、CAN界面等，还具有加工速度快、价格便宜、功耗低等优点，非常适合本设计。
2.1.测量模块
2.1.1.电气参数采集电路设计
检测器可支持12路AC(0～220V/0～40A)交流信号采集，3路DC(0～100V/0～10A)采集直流信号，设计采用30路A/D通道，但STM32 ADC管脚有限，芯片需要通过数模转换AD1556扫描收集电气数据，AD通过1556收集的数据IIC串口发送STM32。
2.1.2.环境参数采集电路设计
检测器可支持4路0~100℃4路0~1000的温度信号采集RH%湿度信号采集，瑞士盛思锐Sensirion温湿度数字传感器SHT20，其核心运用CMOSens?该技术将半导体技术与传感器技术相结合，设计的温湿度探头具有精度高、可靠性高、数字化高、性价比高的优点。
探测器可支持烟雾检测、多级水位检测，最大支持70级水位检测，设计以烟雾迷宫为烟雾检测传感模块，由于红外管和光学迷宫结构简单，抗干扰强、可靠性高、成本低，非常适合设计，水位检测采用干簧管、浮球浮子等磁传感成熟技术，价格低、检测准确、性能可靠。
2.2.报警定位模块
由GB/GPS双模定位模块，GPRS模块、扬声器警示模块共同构成检测器报警定位功能，选择国内知名厂家天工测控SKYLAB生产的SKC111 GSM/GPRS GNSS集成一体化模块，该模块基于MTK2503方案设计，功能强大，具有4频：GSM850/GSM900/DCS1800/PCS1900的GSM/GPRS功能，支持GPS/GLONASS/北斗/GALILEO，支持扬声器输出，开发简单，性价比高，适合本设计。
2.3.通信输出模块
探测器可以支持各种外部无线通信手段。它利用电磁波信号在自由空间中传输的特性进行信息交换。它具有无需架设线路、灵活性强的优点。采用工业物联网中成熟的技术方案设计，包括：乐新ESP8266 WiFi芯片、NORDIC的nRF52832 BLE芯片，四信F8913D ZigBee模块、simcom的SIM7100X 4G共同构成模块。
2.4.调整输出模块
检测器采集烟雾、进水泄漏、电压过高或过低、电流过高、温湿度过高或过低后，通过信号输出控制对检测柜进行自我保护和调整，采用隔离电路 驱动输出电路的形式设计，散热风扇，LED暖光灯，AFG控制灭火弹、电控重合闸、防逆流排水泵，实现此功能。
03
STM有三种常见的操作系统可嵌入：μC/OS-II、μClinux、eCos。μC/OS-II是在μC/OS在此基础上，是C语言编写的结构小、抢占多任务实时核心；具有执行效率高、占用空间小、实时性能好、可扩展性强的特点；μClinux对标Linux具有核心小、稳定性好、移植性好、网络功能强等优点；eCos更适合深度嵌入式应用，其特点是配置灵活、模块化设计、调度方法丰富等。根据本设计的具体需要，更注重操作系统的紧凑性和实时性μC/OS-II最适合作为操作系统。
系统软件设计的主要部分是μC/OS-II操作系统的移植分为七个重要部分：时间调整、机柜环境检测采集、故障报警、异常自恢复调整、物联网数据交互、互联网数据云传输、资产管理数据平台开发和用户界面图形设计。
系统程序设计主要收集机柜内多个传感器数据，将数据与合理的环境指标进行比较。如有异常，故障报警模块报警。同时，异常自恢复调整部分将根据异常情况控制相应的调整模块，并通过通信模块互联网收集数据 与固定资产管理平台数据中心建立技术分包发送Socket 连接，使用TCP/IP协议交互数据。通过物联网技术手段传输系统程序的实时数据内容，WIFI热点及BLE ibeacon、ZigBee作为嵌入系统的子线程，组网将连接到管理员使用的移动端，维护工人通过检查移动端APP用户监控界面打开机柜门的情况下检查和维护室外机柜，管理者只需点击平台页面监控城市内所有户外机柜，监控户外机柜故障AI分析故障预测，实现室外机柜集中高效管理。
图 3 系统功能图
04
4.1.监督信号机户外机柜
固定资产管理平台分别监控信号机内部的电压、电流、温度、湿度、烟雾、水位等信息，报警显示异常情况，图4显示交叉口设备环境数据，根据系统分析结果显示电压电流结果为0，表明交叉口断电异常，图5中标红表示现场故障。
图4环境数据监测
图 5平台故障报警
4.2.户外机柜维护管理信号机
当数据管理中心通过检测器网络数据时，AI计算预测，固定资产平台将发生故障时，固定资产平台将准确的机柜地理位置信息和故障类型推送给检查维修人员，实现室外机柜高效精细化的保证。
图 6.故障预测和维护推送
总结
本文以STMF105作为核心控制器，结合物联网技术和互联网，通过测量传感器、通信模块、报警模块、调整输出模块实现了一套室外机柜环境检测设备 该技术从硬件和软件两部分阐述了系统的设计过程。结合固定资产管理数据平台的应用，室外机柜环境探测器不仅可以监控电流电压、温湿度、烟雾水位等微环境参数，实时报警异常情况，还可以控制输出模块调整环境变量，为设备提供稳定的运行环境，通过通信模块上传固定资产管理数据平台，实现城市户外机柜监控集中、管理高效、设备维护准确、故障判断预测，为用户提供一套低成本、高效的户外机柜管理产品，护送智能交通基础设施建设的安全。同时，该探测器还可用于建筑机房、安全家居、智慧城市等领域，具有广阔的应用前景。
作者简介 童:连云港杰瑞电子有限公司往期推荐
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