Nghiên cứu và xây dựng hệ thống giám sát môi trường tại các trung tâm tích hợp dữ liệu

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH






Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Văn Tam










THÁI NGUYÊN - 2013

Số hóa bởi trung tâm học liệu
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 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

1.3.1. Giám sát môi trường trung tâm tích hợp dữ liệu 13
1.3.2. Xây dựng bài toán giám sát môi trường trong Trung tâm tích hợp
dữ liệu với các thông số chọn lọc 13
1.3.2.1. Giám sát nhiệt độ 14
1.3.2.2. Giám sát độ ẩm 17
1.3.2.3. Giám sát báo cháy 19
1.3.2.4. Giám sát điện lưới 22
Chƣơng 2: NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT
TRONG CÁC TRUNG TÂM TÍCH HỢP DỮ LIỆU VỚI CÁC THÔNG SỐ
CHỌN LỌC 24

Số hóa bởi trung tâm học liệu
ii
2.1. Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống giám sát 24
2.1.1. Xây dựng khối vi điều khiển trung tâm 26
2.1.1.1. Cấu trúc nhân AVR 28
2.1.1.2. Cấu trúc bộ nhớ 29
2.1.2. Xây dựng các khối thu nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt, độ ẩm và
điện lưới 29
2.1.2.1. Khối giám sát nhiệt độ 29
2.1.2.2. Khối giám sát độ ẩm 32
2.1.2.5. Khối giám sát nguồn điện 34
2.1.3. Xây dựng khối giao tiếp máy tính 35
2.1.4. Xây dựng khối cảnh báo qua GSM 39
2.15. Xây dựng khối cấp nguồn 42
2.2. Xây dựng chƣơng trình điều khiển cho hệ thống giám sát 44
2.2.1. Thuật toán đo lường, giám sát trên hệ thống xử lý trung tâm 44
2.2.2. Thuật toán truyền thông giữa khối vi điều khiển trung tâm và máy
chủ quản lý 45
2.2.3. Thuật toán giám sát nhiệt độ 46

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

Đại học Thái Nguyên
4
HTĐ
Hệ thống thông tin đo lường
5
TTTHDL
Trung tâm tích hợp dữ liệu

BẢNG CÁC THUẬT NGỮ TIẾNG ANH VÀ TỪ VIẾT TẮT
Thuật ngữ
viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
ADC
Analog to Digital Converter
Bộ chuyển đổi tương tự sang số
ALU
Arithmetic and Logic Unit
Đơn vị số học logic
ASCII
American Standard Code for
Information Interchange
Chuẩn mã trao đổi thông tin
Hoa Kì
ATS
Automatic Transfer Switches
Hệ thống tự động chuyển đổi
nguồn điện
CPU
Central processing unit

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

Internet
Hệ thống thông tin toàn cầu
LAN
Local Area Network
Mạng cục bộ
LCD
Liquid Crystal Display
Màn tinh thể lỏng
LAN
Local Area Network
Mạng cục bộ
PWM
Pulse Width Modulation
Bộ điều chế độ rộng xung
ROM
Read-Only Memory
Bộ nhớ chỉ đọc

Số hóa bởi trung tâm học liệu
iv
Thuật ngữ
viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
RAM
Random Access Memory
Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên
SRAM
Static Random Access Memory
RAM tĩnh

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

60
Bảng A.2
Các yêu cầu đối với Hệ thống cơ học
66


Số hóa bởi trung tâm học liệu
vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình vẽ
Nội dung
Trang
Hình A
Một môi trường trung tâm tích hợp dữ liệu với nhiều tham số
phải giám sát
1
Hình 1.1
Bản vẽ kiến trúc mạng xương sống của TTTHDL tỉnh Quảng Ninh
5
Hình 1.2
Bản vẽ mặt bằng bố trí thiết bị tài TTTHDL tỉnh Quảng Ninh
6
Hình 1.3
Bản vẽ kiến trúc mạng xương sống của TTTHDL Đại học Thái
Nguyên
7
Hình 1.4
Bản vẽ mặt bằng bố trí thiết bị tài TTTHDL Đại học Thái
Nguyên
8

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

Hình 2.1
Sơ đồ khối của hệ thống giám sát
25
Hình 2.2
Mạch nguyên lý khối vi điều khiển trung tâm
26
Hình 2.3
Cấu trúc vi điều khiển AVR ATmega16
27
Hình 2.4
Sơ đồ cấu trúc CPU của AVR ATmega16
28
Hình 2.5
Sơ đồ bộ nhớ tổng quát của AVR ATmega16
29
Hình 2.6
Sơ đồ khối cấu tạo của cảm biến nhiệt DS18B20
30
Hình 2.7
Sơ đồ kết nối 1 dây dọc dữ liệu nhiệt độ từ các cảm biến
DS18B20
31

Số hóa bởi trung tâm học liệu
vii
Hình 2.8
Sơ đồ kết nối LM35 đọc dữ liệu cảm biến nhiệt độ qua ADC
32
Hình 2.9
Sơ đồ kết nối 1 dây dọc dữ liệu nhiệt độ từ các cảm biến

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

Lưu đồ thuật toán xử lý trên vi khối xử lý trung tâm
44
Hình 2.20
Lưu đồ thuật toán truyền thông
45
Hình 2.21
Lưu đồ thuật toán giám sát nhiệt độ
46
Hình 2.22
Lưu đồ thuật toán giám sát độ ẩm
47
Hình 2.23
Lưu đồ thuật toán giám sát báo cháy và lỗi cấp nguồn
48
Hình 2.24
Lưu đồ thuật toán giám sát trên máy tính
49
Hình 2.25
Lưu đồ thuật toán cảnh báo từ xa qua modem GSM
50
Hình 3.1
Mô hình kết nối hệ thống thử nghiệm giám sát môi trường tại
TTTHDL ĐHTN
52
Hình 3.2
Thử nghiệm lắp đặt mạch xử lý trung tâm
53
Hình 3.3
Thử nghiệm cài đặt phần mềm giám sát trên máy chủ
53

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

hoạt động, đảm bảo tính sẵn sàng, tính thuận tiện trong vận hành cũng như phát
triển hệ thống sau này. Thực tế khi thiết kế chuẩn hạ tầng kỹ thuật, TTTHDL
gồm 2 thành phần chính:
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

Số hóa bởi trung tâm học liệu
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:
Chƣơng 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.
Chƣơng 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.

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

chuẩn kỹ thuật khắt khe do vậy đòi hỏi phải có một hệ thống giám sát môi
trường liên tục giúp người quản trị có thể giám sát và khắc phục sự cố một cách
kịp thời, tránh những rủi ro đáng tiếc và đảm bảo cho TTTHDL hoạt động liên
tục, an toàn, ổn định. Để xây dựng được một hệ thống giám sát môi trường cho
TTTHDL đòi hỏi phải có sự phân tích các nhu cầu thực tế và giải quyết các bài
toán cụ thể đặt ra trên cơ sở kỹ thuật đo lường giám sát.
1.1.Giới thiệu về môi trƣờng vận hành trong Trung tâm tích hợp dữ liệu
1.1.1. Môi trường vận hành trong các Trung tâm tích hợp dữ liệu
Trong tiêu chuẩn TIA-942 (tiêu chuẩn viễn thông trong các Data center)
được xây dựng bởi TIA (Telecommunications Industry Association - Hiệp hội
công nghiệp viễn thông Hoa Kỳ) yêu cầu bắt buộc về thiết kế môi trường tiêu
chuẩn trong các TTTHDL thì những tiêu chuẩn thiết kế môi trường trong
TTTHDL gồm:
- HVAC (hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí):
Phòng lối vào cáp phải nằm ở vị trí sẵn sàng truy cập vào hệ thống
phân phối HVAC của phòng máy tính.
Nếu phòng lối vào cáp có hệ thống điều hòa không khí riêng thì các
mạch điều khiển nhiệt độ cho các bộ điều hòa không khí của phòng lối
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.

Số hóa bởi trung tâm học liệu
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: 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

thống giám sát môi trường và nguồn trung tâm và có thể tự động nhắn tin cảnh
báo khi có sự cố.
- Thành phần bảo vệ an toàn vật lý quan trọng nhất trong TTTHDL là hệ thống
phòng chống cháy nổ, trong đó các thiết bị cảm biến khói và nhiệt được đặt ở
các vị trí hợp lý trên toàn không gian của trung tâm để phát hiện và cảnh bảo
sớm các nguy cơ cháy nổ, trước khi hiện tượng cháy thực tế xảy ra. Trong xây

Số hóa bởi trung tâm học liệu
5
dựng cơ bản, các tường chống lửa cũng được lắp đặt để ngăn chặn các đám cháy
lan tràn sang các khu vực khác nhau trong trường hợp không dập tắt được ngay.
Chuẩn TIA-942 cũng bao gồm thông tin về bốn cấp liên quan đến các
mức độ khác nhau về độ sẵn sàng và bảo mật của cơ sở hạ tầng thiết bị
TTTHDL. Cấp cao hơn tương ứng với độ sẵn sàng vào bảo mật cao hơn : Cấp 1
(TEIR1), cấp 2 (TEIR2), cấp 3 (TEIR3), cấp 4 (TEIR4). Các yêu cầu cụ thể
trong giám sát môi trường tham khảo tại Phụ lục A đính kèm.
1.1.2. Khảo sát trung tâm tích hợp dữ liệu tỉnh Quảng Ninh và Đại học Thái
Nguyên
1.1.2.1 Khảo sát tại Trung tâm tích hợp dữ liệu tỉnh Quảng Ninh
Trung tâm tích hợp dữ liệu tỉnh Quảng Ninh
1
được phê duyệt đầu tư từ
15/01/2009, sau 2 giai đoạn đầu tư đã xây dựng được một hạ tầng mạng trung
tâm là đầu mối mạng tập trung cho tất các các thành viên mạng của tỉnh Quảng
Ninh để trao đổi thông tin hành chính, quản lý hành chính. Đây cũng là trung
tâm quản lý mạng tập trung, đảm bảo hoạt động thường trực của toàn bộ khu
vực hành chính của tỉnh. Đây cũng là nơi lưu trữ dữ liệu tập trung và phần mềm
dùng chung, cung cấp các dịch vụ dùng riêng (Website, FTP, Mail, DNS,
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

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

Đại học. Hiện nay, hạ tầng mạng của ĐHTN gồm 10 phòng máy chủ đặt tại 10
đơn vị thành viên và 01 TTTHDL đặt tại Văn phòng ĐHTN, hệ thống mạng và
phòng máy chủ của các đơn vị được kết nối tập trung về TTTHDL bằng cáp
quang theo kiến trúc sao (star) tạo thành mạng WAN (mạng diện rộng) thông
suốt trong toàn Đại học.

Hình 1.3 : Bản vẽ kiến trúc mạng xương sống của TTTHDL Đại học Thái Nguyên
Tuy nhiên, hiện nay môi trường vận hành tại TTTHDL ĐHTN vẫn còn 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.
- 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.

Số hóa bởi trung tâm học liệu
8

Hình 1.4 : Bản vẽ mặt bằng bố trí thiết bị tại TTTHDL ĐHTN
1.2. Nghiên cứu lý thuyết hệ thống đo lƣờng, giám sát
1.2.1. Định nghĩa đo lường và hệ thống thông tin đo lường
1.2.1.1. Định nghĩa đo lường
Đo lường là quá trình đánh giá định lượng đối tượng cần đo để có kết quả
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.

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

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 P và C).
- Thiết bị lưu trữ ghi vào bộ nhớ hoặc in ra để lưu trữ.
Đối
tượng
Thiết bị
thu nhận
thông tin
Thiết bị
gia công
thông tin
Thiết bị
lưu giữ
thông tin
Thiết bị
thể hiện
thông tin
Người quan sát
Thiết bị điều khiển
Tín hiệu vào

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

và độ ẩm là hai tín hiệu phụ
thuộc.
 Theo sự thay đổi của tín hiệu : có 2 loại
+ Hệ thống có các tín hiệu vào tiền định (biết trước quy luật)
+ Hệ thống có các tín hiệu vào ngẫu nhiên (không biết trước quy luật)
 Theo sự biến đổi của tín hiệu : có 2 loại
+ Hệ thống có tín hiệu vào rời rạc
+ Hệ thống có tín hiệu vào liên tục
 Theo bản chất của tín hiệu : có 2 loại
+ Hệ thống có tín hiệu vào là chủ động, tức là bản thân nó có năng lượng như
I, U, t
0
, ánh sáng v.v.

Số hóa bởi trung tâm học liệu
11
+ Hệ thống có tín hiệu vào là bị động, tức là bản thân nó không mang năng
lượng như R, L, C, sức bền vật liệu.
 Theo quan hệ của tín hiệu và nhiễu : có 2 loại
+ Hệ thống có các tín hiệu có nhiễu độc lập (có thể tách khỏi tín hiệu)
+ Hệ thống có các tín hiệu có nhiễu phụ thuộc (không thể tách khỏi tín hiệu).
Ví dụ như tín hiệu máy điện tim: U
tín hiệu
= 0.7mV, U
nhiễu
=20mV
1.2.2.2. Phân loại dựa trên tín hiệu ra
Người ta phân loại hệ thống thông tin đo lường theo tín hiệu ra thành 4 loại hệ
thống gồm :
a. Hệ thống đo lường

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

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
bị trong hệ thống nói chung là các thiết bị có tín hiệu vào ra khác nhau, do vậy
để có thể trao đổi thông tin giữa các thiết bị với nhau hoặc với bộ điều khiển thì
đòi hỏi phải có một giao diện chung (interface). Giao diện ở đây bao gồm giao
diện phần cứng (các card ghép nối giữa thiết bị và máy tính, các bộ chuyển đổi
tín hiệu. . .) và phần mềm (ngôn ngữ lệnh trong vi xử lý, các driver hay các trình
điều khiển thiết bị ).
Ví dụ: Một hệ thống đo lường, giám sát sử dụng P:














Hình 1.6: Hệ thống đo sử dụng vi xử lý và trao đổi giữa vi xử lý và giao diện
Tín hiệu S được đưa qua các TR (TR
1
, TR
2
,…,TR
n

) 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

RS 232
Interface
Printer

P
Control
Date
Address

Số hóa bởi trung tâm học liệu
13
1.3. Xây dựng bài toán giám sát môi trƣờng trong Trung tâm tích hợp
dữ liệu với các thông số chọn lọc
1.3.1. Giám sát môi trường trung tâm tích hợp dữ liệu
Giám sát môi trường các TTTHDL chính là việc đo lường các thông số vật lý
(nhiệt độ, độ ẩm, điện áp v.v) trong môi trường vận hành của TTTHDL để điều
khiển giám sát theo một thuật toán định sẵn. Đây cũng chính là một dạng của hệ
thống thông tin đo lường.
1.3.2. Xây dựng bài toán giám sát môi trường trong Trung tâm tích hợp dữ
liệu với các thông số chọn lọc
+ Sơ đồ hệ thống giám sát môi trường:

Hình 1.7: Xây dựng sơ đồ hệ thống giám sát môi trường

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

Chuyển đổi/
Cách ly

Chuyển đổi/ Cách
ly

PW
2
Các đầu đo
Trạng thái nguồn (Power)
Chuyển đổi/ Cách
ly

PW
1
Người
Quản trị
H1
Đo lường
H2
Đo lường
Hn
Đo lường
Hệ thống
cảnh báo
từ xa
Hệ thống
cảnh báo
Tại chỗ
Giao tiếp

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

đảm bảo 2 yêu cầu: nhiệt độ khô từ 20
o
C đến 25
o
C và tốc độ biến thiên lớn nhất
là 5
o
C/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

Số hóa bởi trung tâm học liệu
15
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.
- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
- Tầm đo: -100
o
C đến <1400
o
C
b. Nhiệt điện trở RTD
- Cấu tạo: gồm dây kim loại làm từ Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy

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

các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng và năng lượng bức xạ sẽ
có một bước sóng nhất định. Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để
cho ra nhiệt độ của vật cần đo.

Số hóa bởi trung tâm học liệu
16
- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt.
- Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi
trường đo.
- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền.
- Tầm đo: -54 đến <1000
o
F.
Phƣơng án giám sát nhiệt độ: có 2 phương án
Phương án 1: giám sát nhiệt độ từ các cảm biến nhiệt bán dẫn.
Trong thiết kế này, các cảm biến nhiệt bán dẫn được đưa đến một bộ chọn
kênh MUX để chọn thứ tự từng kênh vào, với mỗi kênh tương ứng của từng đầu
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.

Hình1.8: Thiết kế dạng 1 cho hệ thống giám sát nhiệt độ
Phương án 2: giám sát nhiệt độ từ các cảm biến nhiệt tích hợp.
Trong thiết kế này, ta lựa chọn các cảm biến nhiệt đã được tích hợp sẵn một
bộ chuyển đổi ADC và một khối giao tiếp theo chuẩn 1 dây. Các cảm biến này
sẽ được thiết lập các tham số để đo nhiệt độ tại chỗ và chuyển dữ liệu nhiệt độ
về bộ xử lý theo chuẩn 1 dây. 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 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