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

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 i MỤC LỤC MỞ ĐẦU...................................................................................................................i NỘI DUNG...........................................................................................................3 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG TRONG CÁC TRUNG TÂM TÍCH HỢP DỮ LIỆU................................................................3 1.1.Giới thiệu về môi trường 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 lường, 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 Chương 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 2.1. Xây dựng sơ đồ khối của hệ thống giám sát..........................................24 ii 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 chương 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 CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG 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 iii BẢNG CÁC THUẬT NGỮ TIẾNG VIỆT VÀ TỪ VIẾT TẮT STT 1 2 3 4 5 Định nghĩa/Từ viết tắt CNTT CSDL ĐHTN HTĐ TTTHDL Giải thích Công nghệ thông tin Cơ sở dữ liệu Đại học Thái Nguyên Hệ thống thông tin đo lường Trung tâm tích hợp dữ liệu BẢNG CÁC THUẬT NGỮ TIẾNG ANH VÀ TỪ VIẾT TẮT Thuật ngữ 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 Automatic Transfer Switches Central processing unit Complementary Metal-OxideSemiconductor Data Center Digital to Analog Converter Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory Heating, Ventilation and Air Conditioning HyperText Transfer Protocol Internet Service Provider Internet Local Area Network Liquid Crystal Display Local Area Network Pulse Width Modulation Read-Only Memory Random Access Memory Static Random Access Memory Transistor - Transistor Logic Universal Asinchonus Receiver Transmitter Tiếng Việt Bộ chuyển đổi tương tự sang số Đơn vị số học logic Chuẩn mã trao đổi thông tin Hoa Kì Hệ thống tự động chuyển đổi 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 iv Thuật ngữ viết tắt UPS C (MCU) P Tiếng Anh Uninterruptible Power Supplier Microcontroller Unit MicroProcessor Tiếng Việt Hệ thống nguồn cung cấp liên tục Bộ vi điều khiển Bộ vi xử lý v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng biểu Nội dung Bảng 3.1 Tham số cài đặt giám sát thử nghiệm Bảng A.1 Yêu cầu đối với các phân cấp về điện Bảng A.2 Các yêu cầu đối với Hệ thống cơ học Trang 51 60 66 vi 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 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Nội dung Một môi trường trung tâm tích hợp dữ liệu với nhiều tham số phải giám sát Bản vẽ kiến trúc mạng xương sống của TTTHDL tỉnh Quảng Ninh Bản vẽ mặt bằng bố trí thiết bị tài TTTHDL tỉnh Quảng Ninh Bản vẽ kiến trúc mạng xương sống của TTTHDL Đại học Thái Nguyên Bản vẽ mặt bằng bố trí thiết bị tài TTTHDL Đại học Thái Nguyên Sơ đồ cấu trúc của hệ thống thông tin đo lường Hệ thống đo sử dụng vi xử lý và trao đổi giữa vi xử lý và giao diện Xây dựng sơ đồ hệ thống giám sát môi trường Thiết kế dạng 1 cho hệ thống giám sát nhiệt độ Thiết kế dạng 2 cho hệ thống giám sát nhiệt độ Thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống giám sát độ ẩm Thiết kế hệ thống giám sát báo cháy cho TTTHDL không có tủ báo cháy Thiết kế hệ thống giám sát báo cháy cho TTTHDL có tủ báo cháy Nguyên lý của bộ giám sát điện lưới Sơ đồ khối của hệ thống giám sát Mạch nguyên lý khối vi điều khiển trung tâm 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 21 22 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 39 39 40 vii Hình 2.17 Hình 2.18 Hình 2.19 Hình 2.20 Hình 2.21 Hình 2.22 Hình 2.23 Hình 2.24 Hình 2.25 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 41 43 44 45 46 47 48 49 50 52 53 53 54 54 55 56 56 57 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 liệu 2 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 cở sở đó, đánh giá được độ chính xác của các phép đo và khả năng triển khai của hệ thống trong thực tế. 3 NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG 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 trường 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. 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 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 5 sớm các nguy cơ cháy nổ, trước khi hiện tượng cháy thực tế xảy ra. Trong xây 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. 1 Trung tâm TTHDL tỉnh Quảng Ninh được đặt tại tầng 17 tòa nhà Liên cơ 2 – TP Hạ Long 6 Hình 1.1: Bản vẽ kiến trúc mạng xương sống của TTTHDL tỉnh Quảng Ninh 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 7 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 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. 8 Hình 1.4 : Bản vẽ mặt bằng bố trí thiết bị tại TTTHDL ĐHTN 1.2. Nghiên cứu lý thuyết hệ thống đo lường, 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. 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 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 Tín hiệu vào Người quan sát Tín hiệu ra 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 P và C). - 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:  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 t0 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, t0, ánh sáng v.v. 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: Utín hiệu = 0.7mV, Unhiễu =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.