基于ZigBee技術的機房監(jiān)控系統(tǒng)

陳和平，陳志杰，錢 岑，李 勐

（國防科技大學 計算中心，湖南 長沙 410073）

近年來，隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展和成熟，國內院校越來越重視數(shù)字化校園的建設并取得了可喜的成果，校園出現(xiàn)了許多配置有大量計算機或網(wǎng)絡設備的機房，如網(wǎng)管中心的機房就配備有數(shù)目可觀的路由、交換設備；某些向學生提供學習計算機課程、上網(wǎng)服務的計算中心機房內配備有可能多達幾百上千臺的PC機及網(wǎng)絡交換設備。這些設備在校園內分布廣，有的需全天運行，有的功耗較大（如大型的路由器），有的設備使用年限較長 （如計算中心的微機），需進行密切的監(jiān)控，以防發(fā)生安全事故。以前的管理方式一般通過人工或視頻監(jiān)控的方式進行，不僅要耗費大量的人力，更加嚴重的是有時還不能及時發(fā)現(xiàn)隱患，造成更大的安全事故，因此迫切需要建設功能完善的機房監(jiān)控系統(tǒng)，并在機房系統(tǒng)建設完成的條件下，動態(tài)配置各種傳感器。

基于短距無線通信的監(jiān)控系統(tǒng)框架結構能更好地滿足動態(tài)、智能、實時監(jiān)控系統(tǒng)的需求。在標準林立的短距離無線通信領域，ZigBee技術以其低功耗、低成本、網(wǎng)絡擴展性好、安全性能高等優(yōu)點，獲得各大元器件制造商和眾多開發(fā)者的青睞，并廣泛應用于各個領域[1-2]，截至2008年，ZigBee的節(jié)點數(shù)量已增至1億個[1]。基于此，這里提出一種基于ZigBee技術的機房監(jiān)控系統(tǒng)設計。

1 系統(tǒng)總體設計方案

機房監(jiān)控系統(tǒng)的首要任務是收集機房內的各傳感器探測得到的環(huán)境參數(shù)，機房中安裝上溫度、煙感、火警探頭并將這些探頭探測出的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸?shù)街行目刂茩C房中，或通過設備接入已經(jīng)建設好的有線校園網(wǎng)絡甚至互聯(lián)網(wǎng)，將這些信息傳送至遠程監(jiān)控點供管理者查看。這不僅避免了維護人員的奔波之苦，更提高了機房管理的效率，杜絕安全事故的發(fā)生。

另一方面，利用ZigBee網(wǎng)絡的雙向通信特性，將上述的傳感數(shù)據(jù)經(jīng)中心控制機房PC機的信息融合處理后，生成控制指令通過無線網(wǎng)絡反饋給遠端受控節(jié)點，從而形成一個閉環(huán)的自動控制系統(tǒng)。如在監(jiān)測并控制機房內某個大型路由器設備的溫度時，當前常用的措施是在機房內安裝帶有自動恒溫功能空調，但這有2個缺陷：1）其控制溫度用到的傳感器測量的只是空調所在位置的溫度，不能精確反應所要監(jiān)控設備的溫度（一些設備的局部位置溫度會較高，通常達到40℃），不能實時控制溫度，同時浪費能源；2）空調自身溫控自成一體，缺乏靈活的數(shù)據(jù)接口，不能將機房內的溫度情況傳送給監(jiān)控設備供管理人員查看。在這種情況下，可將帶有溫度傳感器的ZigBee節(jié)點直接放在離路由器很近的機柜內或設備的敏感區(qū)域附近，此節(jié)點每隔一段時間向中心控制機房的主控計算機報告路由器的實時溫度，當此溫度超過軟件設置的溫度上限時，主控計算機向機房內的空調控制ZigBee節(jié)點發(fā)送空調開啟命令，從而實施機房內的降溫過程；當機房或設備的溫度下降到設定值后，則下達空調停止工作的指令，及時關閉空調，以節(jié)約能源。圖1為ZigBee技術在計算中心機房監(jiān)控中的應用示意圖。

圖1 計算中心機房監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

圖1中所示的局域網(wǎng)為計算中心機房內各臺PC之間互聯(lián)所用的以太網(wǎng)，學生在上機之前需使用學校配發(fā)的ID卡在刷卡服務器上進行刷卡動作，登錄到機房管理系統(tǒng)，之后方能使用機房內的PC機。電子公告牌上也是一個ZigBee節(jié)點，可顯示各個機房內的實時溫度、濕度、PC機使用情況等。

2 系統(tǒng)硬件設計

隨著ZigBee規(guī)范的建立和不斷升級完善，各大元器件制造商不斷推出各具特色的ZigBee產(chǎn)品，但從芯片的集成度、成本、開發(fā)環(huán)境完善程度和可持續(xù)升級等方面綜合考慮，該系統(tǒng)設計選用Texas Instrument的CC2430實現(xiàn)ZigBee的通信功能，該器件的特性如下[3]：高性能、低功耗的8051微控制器內核；兼容IEEE 802.15.4的2.4 GHz射頻收發(fā)器；AES安全協(xié)處理器；內置溫度傳感器。圖2為CC2430的通信模塊原理圖。由圖2看出，CC2430可稱作一個小規(guī)模的SoC，配上很少的外圍元件和天線（可選鞭狀天線或板載天線）即可組成一個完整的ZigBee通信節(jié)點。

圖2 基于CC2430的通信模塊原理圖

2.1 傳感器模塊

傳感器模塊從ZigBee網(wǎng)絡的角度看，為一個RFD節(jié)點，通過2節(jié)5號電池供電。按照需要探測物理量的不同，各傳感器的硬件設計分述如下：

1）溫度傳感器 CC2430內部集成有一個溫度傳感器，其基本工作原理：片上溫感部分將溫度轉換為模擬電壓信號，其幅度范圍是 0.648（－40 ℃）～1.039 V（+120 ℃），之后經(jīng)過12位A/D轉換為數(shù)字信號，再除以一個溫度系數(shù)，則可得到當前溫度值。

2）濕度傳感器探頭 采用瑞士森斯瑞（Sensirion）公司推出的SHT15超小型、自校準、多功能式智能傳感器來測量相對濕度，SHT15型傳感器是單片、多用途的智能傳感器，其內部不僅包含基于濕敏電容器的微型相對濕度傳感器，而且還有14位的A/D轉換器和雙線串行接口，能輸出經(jīng)過校準的相對濕度。該智能傳感器的相對濕度測量范圍為0～100%，分辨率達0.03%，最高精度為±2%RH，電源電壓范圍2.5～5.5 V，響應時間小于3 s[4]。

3）煙感探頭 煙感探頭的基本工作原理：當煙霧進入報警器室時，將隔斷或阻止紅外線的互通，紅外線的發(fā)射管收不到對方發(fā)來的光，光參數(shù)變化，經(jīng)處理電路進行處理后，再轉換成低電平，并觸發(fā)報警。

2.2 空調控制節(jié)點設計

空調控制器節(jié)點完成從ZigBee網(wǎng)絡接收自主控計算機發(fā)來的空調啟、停命令并將其轉換成對應的遙控器紅外控制命令。從ZigBee網(wǎng)絡的角度看，空調控制器節(jié)點僅是一個RFD設備，主要是接收ZigBee數(shù)據(jù)，也由CC2430完成。其需要完成的另外一個任務就是通過紅外通道，模擬空調的遙控器完成控制空調的啟、停。在安裝配置系統(tǒng)時，通過“紅外學習口”對機房內所裝空調的遙控器紅外命令進行學習，并將其存儲在EEPROM中。系統(tǒng)正常工作時，當接收到從ZigBee傳輸來的空調控制命令時，將其轉換為紅外發(fā)送命令，從EEPROM讀取數(shù)據(jù)，按照這些數(shù)據(jù)規(guī)定的脈寬參數(shù)控制紅外發(fā)射管發(fā)送紅外線，進而直接控制空調。由于紅外控制命令的學習和發(fā)送會占用資源操作，如果其也由CC2430控制，將會加重CC2430負載，影響正常的ZigBee通信功能。因此使用51系列單片機AT89S52完成，CC2430與AT89S52之間通過串口來交換數(shù)據(jù)。這樣可以在不改裝空調的情況下，通過簡單的紅外學習操作即可控制任意型號的空調，簡化了系統(tǒng)的安裝使用，同時也大大提高了系統(tǒng)的可靠性?？照{控制節(jié)點的設計框架如圖3所示。

圖3 空調控制節(jié)點示意圖

2.3 ZigBee中轉設備設計

該中轉設備的功能是完成以太網(wǎng)與ZigBee網(wǎng)絡之間的雙向數(shù)據(jù)交換，有2種實現(xiàn)方案。

2.3.1 CC2430+PC機

CC2430+PC機實現(xiàn)方案原理：CC2430負責ZigBee網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)收發(fā)和轉存，PC機負責以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)，二者之間通過RS-232交換數(shù)據(jù)。目前普通PC機的RS-232串口的波特率最高可達到115 200，而ZigBee的理論帶寬可達250 kb，二者速率大致在一個數(shù)量級，考慮到該系統(tǒng)設計所傳輸?shù)拇蠖嗍强刂泼?，?shù)據(jù)流量不大，所以二者可以匹配使用。該實現(xiàn)方案研發(fā)周期短，可快速成型，且PC機資源豐富，可預留許多資源、功能供系統(tǒng)后續(xù)擴展，但成本較高，功耗較大。

2.3.2 CC2430+ARM（S3C44B0X）[5]

與CC2430+PC機實現(xiàn)方案類似，CC2430+ARM（S3C44B0X）實現(xiàn)方案只是用以ARM為核心的嵌入式系統(tǒng)代替PC機，二者通過UART交換數(shù)據(jù)。采用三星公司的ARM7系列器件S3C44B0X作為主控制器，其主要功能和特點[5]如下：1）以太網(wǎng)接口，采用10 M以太網(wǎng)控制器RTL8019，提供標準RJ45插座；2）2路UART接口，波特率達115 200；3）LCD接口，可接1 600×1 600以下分辨率的單色或256色STN/DSTN型各種 LCD屏；4）IDE接口，可掛接硬盤；4）運行μcLinux操作系統(tǒng)。該實現(xiàn)方案結構緊湊，成本較低，同時ARM為低功耗器件，所以整個模塊的功耗很低。

通過對上述兩種實現(xiàn)方案的比較，并考慮到成本和功耗的問題，因此這里選用第2種方案進行設計。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 ZigBee軟件設計

為縮短研發(fā)者的開發(fā)時間和減小開發(fā)難度，TI公司在提供器件的同時，另外還免費提供實現(xiàn)ZigBee協(xié)議的軟件——Z-Stack[6]，此軟件不僅實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議棧，并在此基礎上擴充成了一個微型的操作系統(tǒng)，其主要內容包括：1）硬件抽象層HAL，處理鍵盤輸入，LCD輸出，UART輸入、輸出等；2）操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）；3）ZigBee 協(xié)議棧、IEEE 802.15.4 MAC層；4）用戶層應用程序；5）監(jiān)看測試程序，通過串口和PC機上的測試工具通訊。

開發(fā)者可在此OS的基礎上靈活定制硬件設計，并定義任務，實現(xiàn)必要功能。限于篇幅，這里著重介紹傳感器節(jié)點（RFD）的工作流程，即初始化硬件系統(tǒng)，完成ZigBee協(xié)議棧的初始化工作，利用操作系統(tǒng)的API添加一個發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)的定時器任務，之后進入休眠狀態(tài)，這樣每隔一段時間，傳感器會自動喚醒向協(xié)調器/路由器發(fā)送數(shù)據(jù)，得到應答后，再次進入休眠。其工作的詳細流程如圖4所示。

圖4 ZigBee終端設備軟件工作流程

3.2 遠程控制終端軟件設計

遠程控制終端連接到校園網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上，使用PC作為硬件平臺，借助Windows平臺上瀏覽器完成。

遠程控制終端主要功能：用戶通過訪問特定的網(wǎng)頁即可查看指定機房或設備的溫度、濕度；提供“設定被監(jiān)測設備的溫度上限”界面，這樣當設備溫度過高時，可自動發(fā)布發(fā)送命令開啟空調；當所監(jiān)控機房溫度太高或出現(xiàn)煙感報警時，在遠端中心管理機房采取聲、光等各種形式的報警；提供管理遠端電子屏幕顯示內容的功能；與其他機房管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，如在計算中心機房內取得刷卡服務器上已用機器的信息，并將其傳送到電子公告牌上或網(wǎng)頁上，供師生了解機房實時使用情況。圖5為監(jiān)控系統(tǒng)的界面。

圖5 基于ZigBee的機房溫度監(jiān)控子系統(tǒng)

4 結束語

這里提出了基于ZigBee技術的學校機房監(jiān)控系統(tǒng)設計方案，實現(xiàn)了一個完整、可擴展的機房監(jiān)測、控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)中各個子模塊硬件、軟件較為詳細的設計方案，目前該監(jiān)控系統(tǒng)已投入使用并運行穩(wěn)定。該系統(tǒng)設計由于采用ZigBee技術，解決了傳感信號的無線通信與收集問題，理論帶寬可達250 kb，具有很好可擴展性和可移植性，對于各種安防監(jiān)控系統(tǒng)的構建具有重要的參考價值。

[1]張琪.ZigBee的幾項應用 [J].中國電子商情：RFID技術與應用， 2008（3）：85-88.

[2]姚遠，任永昌，陳曉紀.基于ZigBee技術的礦山井下車輛定位系統(tǒng)研究[J].煤礦機械，2007（12）：139-141.

[3]Texas Instruments.CC2430 Datasheet[EB/OL].（2009-10-20）[2009-12-01].http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc2430.pdf.

[4]Sensirion Company.SHT1x/SHT7x Datasheet.[EB/OL].（2009-04-02）[2009-12-01].http://www.sensirion.com/en/pdf/product_information/Datasheet-humidity-sensor-SHT7x.pdf.

[5]杭州立泰電子有限公司.S3C44B0X中文數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].（2008-08-27）[2009-12-01].http://blog.ednchina.com/Upload/Blog/22230d5d-4f1a-4e77-b6ac-48cfb1b0a61c.pdf.

[6]Texas Instruments.Z-stack-zigBee protocol[EB/OL].（2009-05-11）[2009-12-01].http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/z-stack.html.