基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測預警平臺的研究與實現(xiàn)

包拯民等

摘 要：該文闡釋了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)機柜小環(huán)境在線監(jiān)測以及提供預警平臺的技術(shù)研究與應用。通過研究供電企業(yè)在機房日常運維方面存在問題及隱患，并吸取缺乏小環(huán)境狀態(tài)在線監(jiān)測預警帶來的經(jīng)驗和教訓，以現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)小環(huán)境監(jiān)測安全的視角，運用先進的機柜小環(huán)境狀態(tài)安全理論和技術(shù)，提出供電公司機柜小環(huán)境狀態(tài)在線監(jiān)測預警平臺建設(shè)的目標。為供電企業(yè)機柜小環(huán)境狀態(tài)的在線監(jiān)測和預警機制，提出全面的溫、濕度監(jiān)測系統(tǒng)解決方案。打造一個包含溫度、濕度、能耗等相關(guān)信息的，能全面反應機柜小環(huán)境中各類環(huán)境指標的在線監(jiān)測和預警系統(tǒng)平臺。以保障供電企業(yè)機房小環(huán)境的安全，從而保證供電企業(yè)機房設(shè)施整體安全。使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能為機房提供先進、安全、高效的對應服務(wù)，體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)科技在機房小環(huán)境在線監(jiān)測預警技術(shù)方面的作用。

關(guān)鍵詞：機柜小環(huán)境 供電企業(yè) 機房安全 體系架構(gòu)

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（C）-0168-02

機柜小環(huán)境在線實時監(jiān)測預警及監(jiān)控，是對計算機性能的穩(wěn)定發(fā)揮，延長計算機使用壽命、確保數(shù)據(jù)安全性以及準確性的非常重要的保障機制。因為在計算機設(shè)備硬件中，使用了大批量的半導體器件、電容器等，在實際生產(chǎn)工作過程中，環(huán)境溫度的升高都會對它們的正常工作造成一定的影響，甚至可能會造成其中某些元器件的非正常工作，將進一步導致計算機硬件設(shè)備的故障發(fā)生。因此，必須嚴格按照各種設(shè)備的要求，把溫度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)，同時為了確保計算機安全可靠的運行，除嚴格控制溫度之外，還需要把濕度控制在規(guī)定范圍之內(nèi)，為此，為機柜小環(huán)境配備一個實時監(jiān)測預警的平臺有較大價值的現(xiàn)實意義。

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和成熟，公司在大樓內(nèi)部以及外部都擁有計算機機房。機房平時無人看守，只做定期巡視，因此無法實時監(jiān)控到機房的狀態(tài)變化，帶來一些不必要的損失，對供電公司的工作安全以及工作效率都有極大的影響，因此對計算機機柜小環(huán)境實時監(jiān)測預警有極大的現(xiàn)實意義?；诖祟愌芯空{(diào)查，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的機柜小環(huán)境在線監(jiān)測預警平臺應運而生。系統(tǒng)平臺采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的ZigBee技術(shù)傳輸相應的溫度、濕度、功耗等數(shù)據(jù)參數(shù)。這些參數(shù)由處理器采集通過ZigBee上傳服務(wù)器，用戶在通過訪問服務(wù)器來查看或控制相應的設(shè)備。在該系統(tǒng)中主要講解參數(shù)的采集和怎樣傳輸?shù)椒?wù)器。

1 基于ZigBee技術(shù)下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)構(gòu)架

機房設(shè)備復雜多樣，采用傳統(tǒng)的有線信號的傳輸方式，存在布線困難、維護工作量大、不可移動等缺點。而無線信號的傳輸則擺脫了線纜的束縛，具有安裝周期短、易于維護、擴容能力強等優(yōu)點，并且組網(wǎng)靈活，無需考慮為新添加的設(shè)備鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)，易于擴展設(shè)備后，即可實現(xiàn)遠程監(jiān)測。綜合上述基于實際情況將設(shè)計采用無線信號傳輸?shù)臋z測方案。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。

ZigBee可工作在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz3個頻段上，它的傳輸距離在10～75 m的范圍內(nèi)。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee設(shè)備非常省電，估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間；而模塊的成本在1.5～2.5美元左右，并且使用是免專利費的；在通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，搜索設(shè)備時延30 ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設(shè)備信道接入的時延為15 ms。因此此技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制應用；一個星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個此種網(wǎng)絡(luò)， 而且組網(wǎng)靈活，可靠性高，協(xié)議采取碰撞避免策略，同時為固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的沖突。它是一種基于IEEE 802.15.4規(guī)范的的短距離、低復雜度低功耗低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

機房機柜小環(huán)境在線實時監(jiān)測預警系統(tǒng)平臺由一個ZigBee協(xié)調(diào)器和若干個外接傳感器的終端節(jié)點組成。連接溫濕度傳感器的終端節(jié)點置于機房各種設(shè)備附近，依據(jù)程序設(shè)定時間定時采集，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，將數(shù)據(jù)以約定格式打包并通過無線收發(fā)模塊發(fā)送數(shù)到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)娇蛻艄芾鞵C機通過PC機上的基于CVI圖形界面顯示各類設(shè)備附近環(huán)境的的溫濕度。

2 系統(tǒng)軟件

軟件實施關(guān)鍵技術(shù)：

（1）串口通信：從傳感器中采集數(shù)據(jù)，主要是傳感器與基站的相互通信。

（2）MongoDb數(shù)據(jù)存儲：將串口通信中獲取的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定的處理，存儲在MongoDb中，主要采用的是”事件觸發(fā)模式”。

（3）Monitor（監(jiān)聽）：主要功能是實時觀察串口數(shù)據(jù)，并且還有作為驗證自身程序是否崩潰的”心跳函數(shù)”功能。

（4）網(wǎng)頁數(shù)據(jù)傳輸（WebSocket）：主要功能是pc機器和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信方式，這里由于WebSocket相對比較安全，可以不加數(shù)據(jù)的安全校驗。

（5）定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式：網(wǎng)頁jason數(shù)據(jù)格式。

主要實現(xiàn)原理：首先部署硬件，這個不需要多說，然后針對每個傳感器的類型，預先為值分配固定數(shù)量的條目；其次基站安裝溫濕度監(jiān)測軟件；當傳感器的數(shù)值發(fā)生改變時，觸發(fā)主動上報功能；再次將傳感器采集的數(shù)據(jù)，推送給基站；最后基站通過串口通信的方式傳遞到服務(wù)器中，然后服務(wù)器將獲取到的值存入MongoDB中。

這里為什么要選用MongoDb作為存儲，主要原因有以下方面。

（1）高效的fire-and-forget模式就是只管向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器提交數(shù)據(jù)不等數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的回應。

（2）日志功能是幫助在系統(tǒng)Down機的時候恢復數(shù)據(jù)完整性做的，默認情況下Mongodb是開啟日志功能的。每一個數(shù)據(jù)庫操作都會先記錄日志，所以當down機重啟動服務(wù)器的時候數(shù)據(jù)庫服務(wù)器能夠通過日志文件恢復之前未完成的操作。

（3）Mongodb采用了最新的低成本的橫向擴展模式，相對于傳統(tǒng)的單結(jié)點縱向擴展，可以節(jié)約成功，而且有更好的可靠性，更好的數(shù)據(jù)處理性能。

（4）同時pc網(wǎng)頁端和服務(wù)器的通信則通過WebSocket來實現(xiàn)（網(wǎng)頁端發(fā)送獲取數(shù)據(jù)的request，基站服務(wù)器端則通過數(shù)據(jù)庫操作來獲取所需的數(shù)據(jù)，然后進行一定的格式轉(zhuǎn)化，我們這里將其轉(zhuǎn)化成了jason格式，然后網(wǎng)頁端獲取response消息，進行網(wǎng)頁的刷新。）這種方式的話可以做到數(shù)據(jù)正常通信，不過從客戶端來說這種方式效率比較低，因為你不知道什么時候數(shù)據(jù)更新，所以需要定時去向服務(wù)器端發(fā)送請求，這樣會降低獲取數(shù)據(jù)的效率，所以我們這里采用html5的新特性，在基站通過串口向服務(wù)器發(fā)送信息時，服務(wù)器主動向客戶端推送數(shù)據(jù)請求信息，這樣就大大提高了客戶端的刷新速率。

這里存儲數(shù)據(jù)庫和推送網(wǎng)頁信息可以同步進行，這樣將大大提高整個工程的運行效率。

3 結(jié)語

針對機房機柜小環(huán)境在線實時監(jiān)測預警系統(tǒng)的發(fā)展趨勢以及當前機房小環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的不足，提出了一種全新的基于計算機監(jiān)控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線監(jiān)測系統(tǒng)?？v觀現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，其實有線通信和無線通信都有各自的優(yōu)勢和局限性，不同的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用場合、環(huán)境各異，如何應地制宜選擇合適的系統(tǒng)來解決實際需要的問題是一個重點問題。ZigBee 這種嶄新的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的出現(xiàn)，為機房環(huán)境無線監(jiān)測搭建了一個全新的技術(shù)平臺。相信它能夠在未來供電公司乃至其他行業(yè)發(fā)揮其獨有的科技魅力，為社會、國家做出更好的貢獻。

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