實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究及實(shí)現(xiàn)

李 浩

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究及實(shí)現(xiàn)

李 浩

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

介紹一種適用于分散在不同地點(diǎn)的眾多實(shí)驗(yàn)室（機(jī)房）的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并對(duì)該系統(tǒng)未來(lái)兩個(gè)可能的改進(jìn)方向作出探索。

環(huán)境監(jiān)控；SNMP協(xié)議；Cacti；樹莓派

1　研究背景

北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司作為一家集研發(fā)、設(shè)計(jì)、集成于一體的科技企業(yè)，擁有幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)室（機(jī)房）。這些實(shí)驗(yàn)室分布在9個(gè)樓層、34個(gè)房間，實(shí)驗(yàn)室都配備機(jī)房精密空調(diào)，但安全方面存在一定隱患，如電源、空調(diào)故障導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱。為了降低風(fēng)險(xiǎn)，測(cè)試中心每?jī)芍馨才乓淮稳珮茄矙z，物業(yè)公司每天安排兩次空調(diào)巡檢，受限于人力資源，無(wú)法提高巡檢頻率，安全性方面存在隱患。

為了解決這個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，測(cè)試中心在2013年獨(dú)立開展實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究。環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)定義非常寬泛，包括空調(diào)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、溫濕度監(jiān)控、門禁監(jiān)控、瓦斯監(jiān)控、電氣火災(zāi)監(jiān)控、水災(zāi)監(jiān)控和入侵監(jiān)控等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用特點(diǎn)，我們優(yōu)先實(shí)現(xiàn)溫濕度監(jiān)控功能，并預(yù)留接入其他各類傳感器的能力。測(cè)試中心在摸索中不斷完善設(shè)計(jì)，最終自主建設(shè)了該系統(tǒng)。從2014年初開始試運(yùn)行，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。經(jīng)過(guò)對(duì)4個(gè)實(shí)驗(yàn)室歷時(shí)兩年的試運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了多項(xiàng)改進(jìn)最終定型，即將規(guī)?；瘜?shí)施，覆蓋34個(gè)實(shí)驗(yàn)室上線運(yùn)行。

2　環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)

2.1常見環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

市場(chǎng)上傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，多采用封閉設(shè)計(jì)，即傳感器采用專用硬件、服務(wù)器采用專用軟件甚至硬件的方案。業(yè)內(nèi)主流傳感器絕大多數(shù)采用RS-485總線進(jìn)行傳輸，優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、產(chǎn)品選擇多、傳輸介質(zhì)成本低（總線型拓?fù)?，一?duì)雙絞線即可傳輸）；但總線型拓?fù)涓m合單個(gè)大開間機(jī)房或直線分布的多間機(jī)房，對(duì)實(shí)驗(yàn)樓這類地點(diǎn)分散的大量中小型實(shí)驗(yàn)室，超長(zhǎng)布線抵消了雙線傳輸?shù)牡统杀緝?yōu)勢(shì)。

2.2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在研究之初，力求選擇一種適合地點(diǎn)分散的大量實(shí)驗(yàn)室的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為此，該系統(tǒng)最早采用星形拓?fù)?，服?wù)器位于中心。為提高靈活性，希望進(jìn)一步降低系統(tǒng)對(duì)拓?fù)涞囊蕾?，做到“拓?fù)錈o(wú)關(guān)”。因?qū)嶒?yàn)樓已具備樓宇綜合布線系統(tǒng)，利用其資源能夠極大降低布線成本。

2.3接口協(xié)議

為了實(shí)現(xiàn)拓?fù)錈o(wú)關(guān)，系統(tǒng)采用IP協(xié)議。只要保證服務(wù)器到該傳感器之間IP可達(dá)，該系統(tǒng)的服務(wù)器或傳感器可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)VPN，部署在全球任意地點(diǎn)。

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的開放性和傳感器的通用性，選擇開放的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）進(jìn)行傳感器溫濕度數(shù)據(jù)的傳輸，這樣就能使服務(wù)器能夠適配多種品牌的溫濕度傳感器。

2.4傳感器

2.4.1傳感器選型

基于上述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接口協(xié)議的選擇，同時(shí)支持以太網(wǎng)接口、IP協(xié)議、SNMP協(xié)議的傳感器，能夠最大限度保證系統(tǒng)的開放性和靈活性。并且要求傳感器帶有液晶屏，供巡檢時(shí)查看。因此，選擇TH-5829型溫濕度傳感器，其指標(biāo)如表1所示。

表1　TH-5829傳感器指標(biāo)

從表1中可以看到，該傳感器支持2路外部模擬量/開關(guān)量的采集，今后可以利用這些接口增加門禁、水災(zāi)監(jiān)控等功能。

2.4.2溫濕度數(shù)據(jù)讀取方法的研究及試驗(yàn)

盡管TH-5829傳感器采用IP協(xié)議和SNMP協(xié)議，但按照廠家的設(shè)計(jì)，需要使用專用的服務(wù)器端軟件，所以其SNMP的私有MIB庫(kù)（管理信息庫(kù)）不公開，傳感器并不真正具備開放性。所以，需要通過(guò)試驗(yàn)摸索，得到溫濕度等測(cè)量值在其MIB庫(kù)中位置，該位置使用對(duì)象標(biāo)識(shí)符（OID）來(lái)標(biāo)識(shí)。

在此介紹SNMP、MIB和OID的關(guān)系。在SNMP協(xié)議中，為了確保通用性，定義了唯一的樹狀結(jié)構(gòu)即MIB樹來(lái)組織數(shù)據(jù)。為此，ISO和國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)（CCITT，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的前身）共同規(guī)定MIB樹的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

除了基本結(jié)構(gòu)，協(xié)議還對(duì)一些常見、通用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式和在樹中的位置進(jìn)行規(guī)定，如接口、速率、吞吐率等。該位置使用OID這樣的以點(diǎn)劃分的多段數(shù)字來(lái)定位數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)位置，如接口（interface）節(jié)點(diǎn)在MIB樹中的位置（OID）就是.1.3.6.1.2.1.2，enterprises節(jié)點(diǎn)的OID是.1.3.6.1.4.1。

為了使用SNMP協(xié)議讀取TH-5829傳感器的溫濕度，需要通過(guò)試驗(yàn)找到溫濕度數(shù)據(jù)在MIB樹中的位置。首先按照傳感器說(shuō)明書配置其IP地址（本例中為192.168.1.2）。試驗(yàn)用PC機(jī)使用Linux系統(tǒng)，經(jīng)配置可ping通傳感器，安裝NET-SNMP軟件包。我們使用SNMPWALK（SNMP遍歷）命令讀取傳感器私有MIB庫(kù)中的數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)PC中執(zhí)行snmpwalk -c public -v 2c 192.168.1.2 .1（public是SNMP中常用community名，傳感器的IP地址后面的.1表示MIB樹的ISO分支），輸入和輸出結(jié)果（部分摘錄）如下：

[root@TEST~]# snmpwalk -c public -v 2c 192.168.1.2 .1

SNMPv2-MIB::sysDescr.0 = STRING: TH-JGPOES-LCD

SNMPv2-MIB::sysObjectID.0 = OID: SNMPv2-SMI::enterprises.34672

DISMAN-EVENT-MIB::sysUpTimeInstance = Timeticks: (8144) 0:01:21.44

SNMPv2-MIB::sysContact.0 = STRING: jamesyangbaron@hotmail.com

SNMPv2-MIB::sysName.0 = STRING: NetWork System

SNMPv2-MIB::sysLocation.0 = STRING: Temp/ Hum Series

SNMPv2-MIB::sysServices.0=INTEGER: 5

SNMPv2-SMI::enterprises.34672.1.0= STRING: "22.2"

SNMPv2-SMI::enterprises.34672.2.0= STRING: "43.9"

SNMPv2-SMI::enterprises.34672.3.0= STRING: "9.3"

SNMPv2-SMI::enterprises.34672.4.0= INTEGER: 0

SNMPv2-SMI::enterprises.34672.5.0= INTEGER: 0

…

End of MIB

輸出結(jié)果中的“22.2”、“43.9”分別與傳感器屏幕上顯示的溫度、濕度值相同，“9.3”、0、0分別是露點(diǎn)值（當(dāng)前絕對(duì)濕度下低于此溫度將結(jié)露）、外部采集1、外部采集2。這些OID中的“enterprises.34672.1.0”是相對(duì)地址，查詢圖1可知，其絕對(duì)地址是“.1.3.6.1.4.1.34672.1.0”。進(jìn)一步驗(yàn)證，執(zhí)行SNMPGET命令單獨(dú)讀取單獨(dú)OID里存放的數(shù)據(jù)，以溫度為例，輸入和輸出結(jié)果如下：

[root@TEST~]# snmpget -c public -v 2c 192.168.1.2 .1.3.6.1.4.1.34672.1.0

SNMPv2-SMI::enterprises.34672.1.0 = STRING: "22.2"

至此，獲得了TH-5829傳感器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置，使其具備了開放性。

2.5服務(wù)器端

受益于傳感器的開放性，服務(wù)器端只需要支持SNMP協(xié)議采集數(shù)據(jù)即可。但僅讀取溫濕度數(shù)值還不能成為溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，還需要圖形化展現(xiàn)、分組管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、閾值報(bào)警、賬戶分級(jí)等功能，另外需要B-S結(jié)構(gòu)以方便用戶在不同操作系統(tǒng)下的訪問(wèn)，這樣才算是比較完整、易用的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。為此，選擇了Cacti網(wǎng)管系統(tǒng)作為服務(wù)器端軟件。

Cacti是遵循GPL協(xié)議的自由軟件。作為一個(gè)網(wǎng)管系統(tǒng)，Cacti可通過(guò)SNMP協(xié)議獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)RRDtool(Round Robin Database Tool)存入RRD數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)用戶訪問(wèn)時(shí)，RRDtool從RRD數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)繪圖，再由Cacti調(diào)用PHP語(yǔ)言動(dòng)態(tài)生成網(wǎng)頁(yè)。RRD數(shù)據(jù)庫(kù)使用循環(huán)隊(duì)列存儲(chǔ)，文件大小不隨時(shí)間增長(zhǎng)，不會(huì)耗盡硬盤空間，但最早的數(shù)據(jù)，會(huì)被新數(shù)據(jù)覆蓋。

Cacti基于PHP語(yǔ)言開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)無(wú)關(guān)。試驗(yàn)了Linux（Linux＋Apache＋MySQL＋PHP，簡(jiǎn)稱LAMP）環(huán)境和Windows（Win Server2003＋I(xiàn)IS＋MySQL＋PHP）環(huán)境下的架設(shè)。除了x86硬件平臺(tái)，還試驗(yàn)了ARM硬件平臺(tái)下的LAMP環(huán)境，也可正常運(yùn)行。

3　環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1服務(wù)器端的安裝

首先試驗(yàn)手動(dòng)分步安裝配置LAMP環(huán)境和Cacti并獲成功，為簡(jiǎn)化部署過(guò)程，最終選用Cacti的快速部署方案CactiEZ中文版v10.1。這是一套基于CentOS 6.0（一種基于Redhat源代碼的Linux發(fā)行版本）的LAMP集成環(huán)境，特點(diǎn)是全自動(dòng)安裝、配置。在試驗(yàn)中，為降低成本，服務(wù)器安裝在ESXi虛擬機(jī)中。物理機(jī)配置：CPU Xeon E7-4807@1.87 GHz×12核；內(nèi)存16 GB；硬盤800 GB。該虛擬機(jī)配置：CPU使用2核；內(nèi)存2 GB；硬盤60 GB，可見Cacti對(duì)硬件資源的要求較低。CactiEZ套件安裝后，LAMP和Cacti已配置好。最后，在客戶機(jī)瀏覽器中輸入服務(wù)器地址開始使用Cacti。

3.2溫濕度數(shù)據(jù)的讀取

在Cacti中，繪圖需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)讀取和圖形繪制這兩個(gè)步驟，所以需要編制數(shù)據(jù)模板和圖形模板。

3.2.1數(shù)據(jù)模板的編制

在Cacti控制臺(tái)中，選擇“模板”—“數(shù)據(jù)模板”—“添加”進(jìn)入添加數(shù)據(jù)模板的界面。為溫度和濕度自行定義不重復(fù)的模板名稱和數(shù)據(jù)源內(nèi)部名稱并記錄好，編制圖形模板和閾值模板時(shí)還會(huì)用到。OID欄填入2.4.2節(jié)得到溫度和濕度的OID值。

3.2.2圖形模板的編制

在Cacti控制臺(tái)中，選擇“模板”—“圖形模板”—“添加”進(jìn)入添加圖形模板的界面。創(chuàng)建一個(gè)溫濕度合一的圖形模板，將3.2.1節(jié)中創(chuàng)建的溫度和濕度的數(shù)據(jù)源加入，以CF類型“AVERAGE”就可以繪制溫濕度折線圖。為了使折線圖更加直觀，還可為其增加文字標(biāo)簽，圖形對(duì)象類型選擇“GPRINT”，CF類型中“LAST”、“MAX”、“MIN”、“AVERAGE”，分別在圖形下方顯示溫度或濕度的最新值、最高值、最低值、平均值。

3.2.3將傳感器加入監(jiān)控系統(tǒng)

在Cacti控制臺(tái)中選擇“管理”—“主機(jī)”—“添加”進(jìn)入添加主機(jī)的界面。主機(jī)段：描述填入“5-1_設(shè)備區(qū)_配線柜”（例子），主機(jī)名填入傳感器的IP地址192.168.67.240（例子），保存。點(diǎn)擊上方“為這個(gè)主機(jī)添加圖形”，在圖形模板段：圖形模板名稱中選擇3.2.2節(jié)中創(chuàng)建的圖形模板，添加，保存。按此方法將全部傳感器加入系統(tǒng)，還可以用圖形樹功能將多臺(tái)設(shè)備或一臺(tái)設(shè)備的多張圖編入樹形結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)更清晰。按上述方法生成的實(shí)驗(yàn)室溫濕度折線圖，如圖2所示。

3.3閾值告警功能

按照GB50174-2008對(duì)C類機(jī)房的溫度要求，機(jī)房溫度應(yīng)在18 ℃～28 ℃范圍內(nèi)。而出于實(shí)驗(yàn)室安全考慮，溫度超出10 ℃～40 ℃范圍時(shí)，應(yīng)有緊急告警。為此，需要在Cacti系統(tǒng)中增加兩個(gè)閾值模板。在Cacti控制臺(tái)中選擇“模板”—“閾值模板”—“添加”進(jìn)入添加閾值模板的界面。數(shù)據(jù)模板和數(shù)據(jù)源選擇之前編制好的溫度模板，兩組模板中的下限、上限值分別設(shè)置為18、28 ℃和10、40 ℃。在控制臺(tái)中設(shè)置系統(tǒng)發(fā)送郵件時(shí)使用的郵箱賬號(hào)后，可以在閾值模板中設(shè)置告警接收人郵箱。有了閾值模板，可以很方便地為每臺(tái)設(shè)備按需增加不同的閾值，當(dāng)溫度超限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向預(yù)定的接收人發(fā)送告警郵件。

4　系統(tǒng)試運(yùn)行

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)兩年的試運(yùn)行，穩(wěn)定性良好未發(fā)生宕機(jī)，數(shù)據(jù)記錄連續(xù)可靠。在試運(yùn)行中，發(fā)生過(guò)4次空調(diào)故障導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)室溫度超限、以及1次實(shí)驗(yàn)室意外停電，系統(tǒng)均立即發(fā)出告警郵件，經(jīng)及時(shí)處置避免了設(shè)備損失和安全事故的發(fā)生。

5　系統(tǒng)改進(jìn)的方向

本系統(tǒng)采用全I(xiàn)P化的服務(wù)器-傳感器結(jié)構(gòu)，相比市場(chǎng)同類產(chǎn)品，成本更低，開放性和靈活性領(lǐng)先?？紤]繼續(xù)降低成本、增強(qiáng)其靈活性。本文分別提出兩種改進(jìn)思路，即：服務(wù)器低成本化方案、增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性的分布化方案。

5.1服務(wù)器低成本化方案

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)成本分為兩部分，服務(wù)器和傳感器。當(dāng)傳感器數(shù)量較少時(shí)，服務(wù)器在總成本中占比較高。在傳感器大于等于100臺(tái)時(shí)，建議使用物理機(jī)作為服務(wù)器；當(dāng)傳感器大于10臺(tái)小于100臺(tái)時(shí)，可以采用虛擬機(jī)作為服務(wù)器；當(dāng)傳感器小于等于10臺(tái)時(shí)，可以采用樹莓派主機(jī)作為系統(tǒng)服務(wù)器。高中低3種方案的服務(wù)器硬件成本約為6萬(wàn)元、1萬(wàn)元、400元；TH-5829傳感器硬件成本約1 200元。

樹莓派2 model B型ARM主機(jī)配置：CPU博通BCM2836@1 GHz×4核；內(nèi)存1 GB；硬盤32 GB（MicroSD閃存卡）。操作系統(tǒng)選用Raspbian，使用APT工具安裝LAMP和Cacti，由于版本的關(guān)系，Raspbian上的Cacti只有英文版，且需手動(dòng)安裝配置LAMP環(huán)境。安裝、設(shè)置過(guò)程和功能與x86平臺(tái)CentOS系統(tǒng)下幾乎完全相同。在4個(gè)傳感器的環(huán)境中經(jīng)6個(gè)月測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定，CPU占用率峰值60%、平均15%；內(nèi)存使用400 MB、空閑600 MB；硬盤已用3 GB、空閑29 GB。樹莓派系統(tǒng)下生成的溫濕度折線如圖3所示。

5.2分布化方案

對(duì)于5臺(tái)以下傳感器的小規(guī)模應(yīng)用，還可以使用樹莓派作為傳感器以降低成本。樹莓派作為嵌入式主機(jī)，提供GPIO口。在Raspbian中可通過(guò)Python或C程序直接讀取GPIO口上連接的DHT-11溫濕度傳感模塊，讀取的溫濕度數(shù)據(jù)直接上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，繪制出溫濕度折線圖。在此方案下，不再需要采購(gòu)服務(wù)器（使用免費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)），每臺(tái)傳感器的硬件成本約600元。

[1] The Cacti Group. The Cacti Manual [EB/OL].[2015-12-28] http://docs.cacti.net/wiki:documentation.

[2] Raspberry Pi Foundation. Raspberry Pi Documentation [EB/ OL]. [2015-12-28] https://www.raspberrypi.org/documentation/.

The paper introduces the research, design and implementation of an environment monitoring system applicable to labs (computer rooms) separated atdifferent locations, and discusses two possible ways of improving the system.

environment monitoring; SNMP protocol; Cacti; Raspberry Pi

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.03.012

2015-12-29）