基于ZigBee的數(shù)據(jù)機(jī)房能耗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：伴隨移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)的多樣化發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，數(shù)據(jù)機(jī)房的設(shè)備數(shù)量也在急劇增加?；跈C(jī)房配電室能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)的不足和發(fā)展現(xiàn)狀，采用ZigBee技術(shù)和Web技術(shù)把機(jī)房能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與外界網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接來(lái)監(jiān)控計(jì)算設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等數(shù)據(jù)機(jī)房用電設(shè)備的工作狀態(tài)，以達(dá)到實(shí)時(shí)掌握機(jī)房用電量和用電狀態(tài)的目的，為降低能耗和保障設(shè)備安全運(yùn)行提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。機(jī)房?jī)?nèi)部采用ZigBee技術(shù)無(wú)線組網(wǎng)，匯集的機(jī)房設(shè)備、電表數(shù)據(jù)通過(guò)中央控制器和Web服務(wù)器為遠(yuǎn)程用戶提供Web頁(yè)面形式的呈現(xiàn)，最終達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)機(jī)房用電狀態(tài)的目的。

關(guān)鍵詞：能耗監(jiān)控；ZigBee技術(shù)；Web技術(shù)；實(shí)時(shí)監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277

近幾年，以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為代表的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了快速發(fā)展，新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)規(guī)模的也在不斷擴(kuò)大，目前國(guó)內(nèi)大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的設(shè)備規(guī)模都在萬(wàn)臺(tái)以上，機(jī)房數(shù)量達(dá)到幾十個(gè)。做為企業(yè)的支柱，數(shù)據(jù)機(jī)房的穩(wěn)定運(yùn)行保證了線上業(yè)務(wù)的正常開(kāi)展。同時(shí)，通過(guò)有效的技術(shù)手段控制機(jī)房的能耗可以顯著降低企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。嵌入式技術(shù)，Web技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展為機(jī)房能耗智能監(jiān)管提供了越來(lái)越多的可行解決方案。機(jī)房能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)就是將機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備、電表有機(jī)地連接在一起，使所有設(shè)備、電表形成聯(lián)動(dòng)并能夠進(jìn)行信息交互，通過(guò)有效監(jiān)控用電量為進(jìn)一步控制能耗，保障設(shè)備硬件安全提供必要的基礎(chǔ)。ZigBee技術(shù)的發(fā)展為研究能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)，本文構(gòu)建了機(jī)房能耗監(jiān)控系統(tǒng)的整體框架、系統(tǒng)軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控管理中心對(duì)各設(shè)備、電表節(jié)點(diǎn)的功能監(jiān)控管理，最終目的是為機(jī)房的安全用電，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，控制機(jī)房能耗，降低企業(yè)成本提供一種技術(shù)手段和解決方案思路。

ZigBee是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，它可與254個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)包括儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備，它本身的特點(diǎn)使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。相比其它短距離無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大等明顯優(yōu)勢(shì)[1-2]，對(duì)于數(shù)據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)的采集監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)而言，傳輸數(shù)據(jù)量小，在傳輸速率上要求不高，但網(wǎng)絡(luò)容量大，電表數(shù)量多，要求信息實(shí)時(shí)性好，成本低。在這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，ZigBee技術(shù)能夠很好地滿足實(shí)際組網(wǎng)的需求。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)機(jī)房能耗監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：中央控制器，數(shù)據(jù)采集/控制終端、遠(yuǎn)程用戶訪問(wèn)端。本系統(tǒng)主要由I610-G12服務(wù)器、Web通信模塊、ZigBee通信模塊、數(shù)據(jù)采集/控制終端、電源電路、訪問(wèn)終端等組成。

數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)MODBUS總線讀取各電表的運(yùn)行參數(shù)，包括電能、電壓、電流、功率、功率因數(shù)等，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee模塊傳輸給中央控制器，中央控制器將機(jī)房?jī)?nèi)所有采集終端上報(bào)的數(shù)據(jù)匯總處理后存入Web通信模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)，遠(yuǎn)程用戶通過(guò)PC機(jī)訪問(wèn)機(jī)房Web服務(wù)器，實(shí)時(shí)獲取各設(shè)備運(yùn)行狀況。同時(shí)，用戶可以通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取歷史數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 中央控制器

本系統(tǒng)采用Web應(yīng)用服務(wù)器做為中央控制器，中央控制器是系統(tǒng)的核心控制部分，完成指令的收發(fā)，數(shù)據(jù)的收集、分發(fā)和處理等功能。中央控制器由處理器、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)控制器、硬盤(pán)控制器、供電電源、網(wǎng)卡和相關(guān)端口等組成。本系統(tǒng)采用中科曙光公司生產(chǎn)的一款雙路機(jī)架服務(wù)器I610-G12，其基于Intel Xeon E5-2600系列多核處理器，完全滿足一般互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)數(shù)據(jù)機(jī)房網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要求。采用Web應(yīng)用服務(wù)器做為中央控制器的一個(gè)好處是既滿足了系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的性能需求，又避免了額外部署中央控制器造成的不必要成本支出。

2.2 ZigBee無(wú)線通信設(shè)計(jì)

2.2.1 ZigBee組網(wǎng)設(shè)計(jì)

ZigBee組網(wǎng)分為星型、網(wǎng)型、樹(shù)簇型，根據(jù)智能電表監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用星型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，星型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有兩種，中心節(jié)點(diǎn)和外圍節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)組網(wǎng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由中心節(jié)點(diǎn)執(zhí)行集中式通信控制管理，各節(jié)點(diǎn)間的通信都要通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)[3]。本系統(tǒng)中的中央控制器做為中心節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集/控制終端做為外圍節(jié)點(diǎn)，采用星型組網(wǎng)后，系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，易于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理，同時(shí)單個(gè)連接點(diǎn)的故障只影響一個(gè)設(shè)備，不會(huì)影響全網(wǎng)，并可快速定位故障。

2.2.2 ZigBee通信模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC13224V平臺(tái)做為ZigBee組網(wǎng)的解決方案，該解決方案在單一封裝中集成了ZigBee應(yīng)用的所有必要組件，從而可以減少組件數(shù)量并降低系統(tǒng)成本。做為飛思卡爾公司的第三代2.4GHz IEEE 802.15.4平臺(tái)，具有諸多特性：AES 128位硬件加密/解密，帶隨機(jī)數(shù)生成器；JTAG調(diào)試端口；不需要外部RF組件等。

2.2.3 ZigBee抗干擾性能分析

ZigBee的抗干擾特性主要是指抗同頻干擾，而對(duì)于同頻干擾的抵御能力是至關(guān)重要的，因?yàn)樗苯佑绊懙皆O(shè)備的性能。IEEE802.15.4無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)中提供了很多機(jī)制來(lái)保證ZigBee在2.4GHz頻段和其它無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的共存能力，如：動(dòng)態(tài)信道選擇、空閑信道評(píng)估、信道算法等。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以證明：正確選擇信道、增大頻偏可以減小ZigBee的干擾性。WiFi與ZigBee可以近距離（小于2m）共存；而藍(lán)牙設(shè)備卻采用調(diào)頻技術(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的干擾很小，所以兩者也能很好地共存。因此ZigBee在2.4GHz頻段能可靠地與WiFi、藍(lán)牙等無(wú)線通信技術(shù)共存。

2.3 數(shù)據(jù)采集/控制終端

數(shù)據(jù)采集/控制終端主要包括電壓采集模塊、電流采集模塊、功率采集模塊、電能采集模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊以及指令執(zhí)行模塊等。各個(gè)數(shù)據(jù)采集/執(zhí)行模塊基于MODBUS協(xié)議對(duì)電表參數(shù)進(jìn)行采集[4-5]，并都與協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊相連，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)將MODBUS總線采集的電表運(yùn)行參數(shù)格式裝換為ZigBee協(xié)議格式，以支持ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸。機(jī)房數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)通過(guò)ZigBee模塊將所有的數(shù)據(jù)采集/控制終端進(jìn)行無(wú)線連接，完成室內(nèi)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的傳輸。

機(jī)房數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)、指令的傳輸，中央控制端完成數(shù)據(jù)的收集、分發(fā)、存儲(chǔ)以及指令的生成、發(fā)送，采集/控制終端完成數(shù)據(jù)采集及指令的接收、執(zhí)行。

2.4 Web通信模塊

Web通信模塊主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶通過(guò)Web界面的形式實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備、電表的運(yùn)行狀態(tài)。Web通信模塊主要包括Web應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)磁盤(pán)、交換機(jī)等。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器通過(guò)交換機(jī)與中央控制平臺(tái)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，Web應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)以Web界面的形式呈現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文軟件設(shè)計(jì)可以分為兩部分：中央控制器部分和數(shù)據(jù)采集/控制終端平臺(tái)部分。主控平臺(tái)的軟件系統(tǒng)運(yùn)行在中央控制器上，接收數(shù)據(jù)采集/控制終端平臺(tái)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送的機(jī)房設(shè)備、配電柜電表參數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理操作，以web界面的形式將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)給遠(yuǎn)程用戶；遠(yuǎn)程用戶通過(guò)Internet可以實(shí)時(shí)監(jiān)控、查詢相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)，能耗情況等，并可以根據(jù)實(shí)際情況，下發(fā)相應(yīng)控制指令，如控制指定設(shè)備進(jìn)入待機(jī)或低功耗狀態(tài)，關(guān)閉指定設(shè)備等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房整體能耗的控制。如果某臺(tái)設(shè)備局部電流過(guò)大，超過(guò)閾值，用戶也可以遠(yuǎn)程處置，保證機(jī)房安全。

3.1 Web通信模塊應(yīng)用服務(wù)器的軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主程序流程如圖4所示，主程序運(yùn)行在中央控制器上，由許多實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的子程序組成，主要包括Web通信程序、ZigBee無(wú)線通信程序、數(shù)據(jù)采集處理程序、各模塊控制程序等。

系統(tǒng)初始化后，用戶遠(yuǎn)程登錄系統(tǒng)Web服務(wù)器，數(shù)據(jù)采集模塊采集的各個(gè)參數(shù)將以Web形式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，用戶可以通過(guò)查看設(shè)備狀態(tài)判斷設(shè)備是否運(yùn)行正常，通過(guò)查看配電柜參數(shù)了解各個(gè)設(shè)備的能耗情況及機(jī)房的整體能耗。如果發(fā)現(xiàn)用電異?；蚰承┰O(shè)備暫時(shí)不需運(yùn)行，用戶通過(guò)發(fā)送控制指令即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并獲取系統(tǒng)返回的結(jié)果。

3.2 數(shù)據(jù)采集/控制終端模塊的軟件實(shí)現(xiàn)流程

數(shù)據(jù)采集/控制終端模塊主要是采集機(jī)房設(shè)備、配電室電表等參數(shù)，經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換后通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至中央控制單元，同時(shí)接收中央控制單元下發(fā)的控制指令并執(zhí)行。數(shù)據(jù)采集/控制終端模塊的軟件流程圖如圖5所示。

系統(tǒng)上電后，各采集/控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，隨后采集模塊實(shí)時(shí)采集預(yù)設(shè)的設(shè)備、電表參數(shù)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中央控制單元；如果收到控制指令，首先解析此控制指令，判斷出是對(duì)哪臺(tái)設(shè)備進(jìn)行何種控制，然后執(zhí)行此指令，并把執(zhí)行結(jié)果反饋給主控單元，不斷循環(huán)返回。

4 總結(jié)與展望

本文提出了一種應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)數(shù)據(jù)機(jī)房的能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，給出了設(shè)計(jì)思路和系統(tǒng)框圖，從硬件實(shí)現(xiàn)和軟件流程兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)描述。本文旨在為控制機(jī)房能耗，降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，保障設(shè)備安全運(yùn)行提供一種技術(shù)思路和必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)房?jī)?nèi)的無(wú)線組網(wǎng)，以完成數(shù)據(jù)的收集和指令的傳輸，避免了綜合布線帶來(lái)的成本增加和其它不便；中央控制單元完成數(shù)據(jù)的處理和指令的生成，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將控制指令下發(fā)至控制終端模塊，對(duì)設(shè)備能耗進(jìn)行相應(yīng)的控制；利用Web通信模塊，用戶可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)查看設(shè)備的能耗、運(yùn)行狀態(tài)，下發(fā)相關(guān)指令，并可以查詢相關(guān)數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)房設(shè)備能耗狀況和運(yùn)行狀態(tài)的有效監(jiān)控，但仍有很多問(wèn)題需要解決，下一步的研究重點(diǎn)將集中在以下幾方面：（1）對(duì)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)全面、智能的監(jiān)控，保障安全運(yùn)行；（2）設(shè)備智能能耗控制，在保證設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，最大限度的降低設(shè)備的能耗，降低企業(yè)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]凌志浩，吳勤勤.ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].自動(dòng)化儀表，2005（06）.

[2]原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2004（06）.

[3]徐書(shū)芳，王金海.基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013（08）：80-83.

[4]盧文俊，冷杉，楊建軍.基于Modbus協(xié)議的控制器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2003（06）.

[5]曹時(shí)偉，朱青，劉宏立.智能電表的數(shù)據(jù)抄讀新方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013（05）.

作者簡(jiǎn)介：呂娟（1968-），女，高級(jí)工程師，畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)就職于國(guó)家計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心河北分中心，主要研究方向：網(wǎng)路信息安全、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)處理；劉紀(jì)偉（1986-），男，碩士研究生，現(xiàn)就職于國(guó)家計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心河北分中心，主要研究方向：移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。

作者單位：河北省通信管理局，石家莊 050021