【数据中心机房实验教学系统的设计】数据中心机房建设

　　摘要：对基于网络通信技术的实验教学系统进行了分析研究，给出了系统的体系结构和功能模块设计方案。从硬件和软件两个角度详细探讨了实验教学系统的设计方案，探讨了机房教学中的环境监控、电气接地保护系统的实现方法。
　　关键词：网络教学；实验教学；计算机实训；系统设计
　　
　　0　引言
　　
　　目前，很多课程的理论教学内容己经搬上了网络教学平台，然而，检索网上资源发现，很多课程的实践教学环节资源配备很有限，不适合当今迅速增长的网络实践教学的需要，尤其对于某些课程，实验器材昂贵、实验开设不方便的情况更是严重，学生动手能力得不到锻炼，对本门课程难以透彻掌握。因而，研究开发适合网络环境的实践教学系统已是教育部门的迫切需要。
　　根据数据中心机房开展实验教学的需求，本文设计了基于网络技术的机房实验教学系统，探索了新的网络教学运作方法与管理经验，并以此和广大同行分享。
　　
　　1　系统总体设计
　　
　　1.1　系统结构设计
　　基于网络实现的实验教学系统由五个部分组成，其总体的系结构如下。
　　(1)客户端：在互联网的个人计算机上执行。它们主要是集中在数据中心机房内的每一台电脑，主要软件是普遍使用的网络浏览器，或者专用的客户端软件。
　　(2)互联网：一般是指局域网、教育网或者公众网。主要用以保证实验数据的实时传输。
　　(3)实验管理服务器：提供访问实验单元的通道。一般由一个或多个服务器来完成对各个实验单元通道的选择和判断。
　　(4)实验单元：由实验服务器提供的可供操作的实验平台。通过运用设计实验单元的效果，可以让每个服务器支持一个或者更多的实验。
　　(s)实验仪器单元：用于管理实验仪器和提供实时测量设备。一般构建于实验服务器中。基于虚拟仪器的在线测试系统使用高精度的数据采集卡和虚拟仪器软件来实现多种仪器的功能。
　　数据中心机房实验教学系统的硬件平台主要由计算机和I／O接口设备两部分组成，用于实现数据采集、信号分析处理通信号输出显示等功能。计算机是虚拟仪器的硬件基础，对于工业自动控制、测试与测量而言，计算机是功能强大、价格低廉的运行平台。I／O设备主要完成信号的输入、采集、放大、A／D转换任务，正确驱动I／O设备是采集真实被测信号的基础。当设备被驱动后，由软件进行数据的分析处理，并由特定的程序来实现测试功能，获得测试结果。
　　
　　1.2　系统功能模块设计
　　为确保数据中心机房以及基于刚络的实验教学系统能安全、稳定地工作，做到有了问题能提前发现，并及时处理，监测系统实现了以下功能：
　　(1)实时数据采集
　　实时数据采集是实施系统监控的基础。在环境设备的监控系统中，需要实时采集的数据既有高低压配电系统及电源的电压、电流、电源开关状态等参数，又有空调机的冷热水温度、冷却水温度、流量、送风量、送风温度、新风量等状态参数，以及机房内部的环境参数(如温度、湿度、水浸、烟感、门禁等)。不同参数的采集方式和所用总线标准是不川的(如RS232／485总线、Lonworks总线)，必须把不同的总线标准统一到网络(女IITCP／IP协议)上，才能实现远程监控。
　　(2)告警显示
　　当某一机房的任意环境量的变化超出预先设定的门限值(模拟量)或状态发生变化(开关量)时，如发生温度超标，直流电压越限、失火，玻璃破碎及220V电源断电等故障，机房的控制机会主动呼叫后台，传输告警信号到监洲中心的主控机，主控机将告警数据交由环境数据机处理，环境数据机将显示告警信号并加以语音提示，同时向预先设定的BP机或电话自动发出呼叫，通知查修人员。
　　(3)远程显示及控制
　　能够对机房底层的设备进行远程控制。例如，可以远距离控制机房前台视频切换和云台的运动(如镜头的推拉伸缩)；另一方面，通过终端显示层的PC机能够提取及显示底层设备的工作状态、环境监测等信息。
　　(4)循环巡测
　　系统能持续地自动呼叫各个监测模块，提取前台机房实时环境数据和视频监测图像，及时发现机房的各种非正常情况，如通信线路不通和异常掉电关机等，并发出报警(即通信中断告警)。
　　(5)统计查询
　　监测中心可利用记载的环境历史数据统计各监测模块环境量的变化规律，并用图表的形式(如直方图或折线图)加以显示。利用录像带可查询某一时间段给定站点的情况。
　　
　　2　机房实验教学系统的设计与实现
　　
　　2.1　机房实验教学系统的硬件实现
　　(1)供电安全检测模块设计
　　本模块主要完成交流电各项参数以及备用电池的工作情况和状态的监测。采用51系列MCU，完成模拟信号的采样、AD转换和与主处理模块的数据交换。本模块的交流电参数检测部分是一个关键之处，需要配备专用的变换器(电流、电压互感器)。因为输入三相电为三角型接法而不是星型接法，无法使用电阻分压降压，必须采用电压互感器降压。所采用的互感器规格为：电流型电压互感器(输入2mA MAX，输出2mAMAX)；电流互感器(输入]OAMAX，输出20mA MAX)。在检测电压、电流时，可将电压、电流的波形看作正弦波，测出其峰值，即可算出有效值。
　　(2)火险安全检浏模块设计
　　本模块采用多传感器集成设计，负责收集室内的各种环境参数，包括温度、烟雾气体、火焰等。这种设计能发挥各个传感器的优势，互相取长补短，从而降低虚报漏报和模糊不确定性。火灾发生时的重要物理信息有：释放出有毒有害气体，产生大量烟雾，室内温度增高，有明火出现。据此，选择湿度、烟雾、温度、气体这四种传感器分别用于监控相应的信息。以湿度传感器作为辅助手段，以烟雾、温度、气体传感器作为火险监控的主体，基本可实现火灾发生时的全方位的信息收集，最大限度地消除信息的模糊不确定性。
　　(3)机房电气接地系统设计
　　①设置独立避雷针保护安装独立避雷针保护机房内的电气系统，是为了把雷电流引开，避免雷电击中电气设备。然而，安装独立避雷针后，该数据中心招惹雷击的概率增加，在安装工艺上，需要特别注意了。当该数据中心防雷设施完善时，避雷针的引下线可焊接到该楼防雷设施(避雷带、避雷网、引下线)上，与防直击雷装置共用引下线。另外，大型电气设备应有独立的接地引线，并与该楼基础地网共网；否则，应将大型电气设备的金属架焊接到远离独立避雷针引下线的天面暗敷避雷网格的某一点上，但绝不能与独立避雷针、避雷带焊接在同一点上，以防止雷击独立避雷针、避雷带时，强大的雷电流导入电气设备，损坏电气设备乃至危及人身安全。
　　②电气接地端子的设置与防雷引下线应有一定的安全距离电气设备接地不应焊接在防雷引下线(特别是明敷引下线)上，防止雷电流沿引下线向地下排泄时，一部分雷电流窜入线路，损坏电气设备。
　　当雷击中独立避雷针、避雷带或者太阳能热水器时，雷电流大部分将沿该引下线流入地网，这时引下线周围会产生磁场效应。若引下线与电气设备的距离R≤0.5m，取流经该引下线的雷电流为第三类防雷建筑物首次雷击的雷电流，由此可测算出雷电流，从而即可实现对电气设备的感应式雷击的安全防护。
　　⑧各类线路的屏蔽及等电位措施大型电气设备防雷措施中的等电位连接，主要分为室外金属构件等电位连接和室内金属构件的等电位连接。室外部分主要包括金属支架、金属构件、避雷针、避雷带、室外线路屏蔽层接地和室外电涌保护装置接地的等电位。室内部分包括室内线路屏蔽层接地、室内电涌保护装置接地及室内各种接地的等电位连接。
　　
　　2.2　机房实验教学系统的软件实现
　　目前的许多仿真软件具有强大的仿真功能，但是都只能对原理电路进行仿真，而用于教学则缺乏实物感。基于网络的实验教学系统可以由仿真技术与多媒体技术的有机结合而构建。电子电路仿真是以数学模型表示电子器件或电路模块，并配合数值分析的方法实现芯片的功能模拟及特性分析，如果采用的电路模型足够精确，则模拟结果可以真实地反映电路特性。
　　为了使实验有逼真的效果，我们应用3Dmax制作电子仪器的真实面板，通过程序来控制仪器的开关、旋钮的状态，并将实验结果按照真实仪器的显示形式表现出来。实际上每一种虚拟电子仪器，就是对相应真实仪器的虚拟。系统在连接上通过ActiVeX控件，供仿真实验环境主程序调用。
　　
　　3　结束语
　　
　　网络实验教学完全基于计算机技术和网络通信技术，整个教学过程是在计算机屏幕上完成的。因此，网络实验教学天然地具有一种局限性，学生和实际的实验对象没有直接的接触，这也是网络实验教学最大的缺憾。本论文从硬件与软件两个角度探讨了网络教学实验系统设计与实现技术，对于提高网络教学效果具有一定意义。