基于WSNs的機(jī)房溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

董惠良， 王正敏， 姜學(xué)峰， 劉 偉， 毛科技， 夏 明

(1.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 311200； 2.浙江工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310032)

基于WSNs的機(jī)房溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

董惠良1， 王正敏1， 姜學(xué)峰1， 劉 偉1， 毛科技2， 夏 明2

(1.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，浙江杭州311200；2.浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江杭州310032)

為了有效監(jiān)控機(jī)房?jī)?nèi)溫度情況，在機(jī)房?jī)?nèi)和設(shè)備內(nèi)部署一定數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)，采集并發(fā)送設(shè)備溫度和環(huán)境溫度信息至控制系統(tǒng)，利用Kriging算法模擬出機(jī)房?jī)?nèi)溫度的分布情況并直觀地展現(xiàn)在界面中，同時(shí)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度信息，當(dāng)機(jī)房溫度過高時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)通風(fēng)板和空調(diào)降溫，當(dāng)機(jī)房溫度異常高時(shí)，系統(tǒng)向管理人員發(fā)出警報(bào)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 機(jī)房溫控； Kriging算法； 控制系統(tǒng)

0 引 言

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)房逐漸成為一個(gè)企業(yè)的數(shù)據(jù)中心和業(yè)務(wù)中心，電子設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致機(jī)房?jī)?nèi)溫度不斷升高，造成安全隱患[1～4]。由于機(jī)房?jī)?nèi)的環(huán)境不適合機(jī)房管理者24h值守，因此,設(shè)計(jì)一種機(jī)房溫控系統(tǒng)至關(guān)重要。文獻(xiàn)[5～9]研究了利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)采集機(jī)房?jī)?nèi)溫度信息，解決了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)布線復(fù)雜的問題。在軟件方面，圖形化界面直觀地展示機(jī)房?jī)?nèi)的溫度情況[10]，便于更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)房安全管理。然而目前的研究成果大多數(shù)只關(guān)注機(jī)房?jī)?nèi)環(huán)境的溫度，并未考慮具體設(shè)備的溫度，而機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的負(fù)載不均衡，極易導(dǎo)致某些設(shè)備溫度過高而損壞，而溫度監(jiān)控系統(tǒng)無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于WSNs的機(jī)房溫控系統(tǒng)，在機(jī)房環(huán)境和設(shè)備內(nèi)部署溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，采集機(jī)房環(huán)境和設(shè)備內(nèi)的溫度，在核心應(yīng)用層利用Kriging算法插值預(yù)測(cè)整個(gè)機(jī)房環(huán)境的溫度分布情況，并利用顏色區(qū)分溫度的高低，方便機(jī)房管理者直觀觀察機(jī)房?jī)?nèi)溫度分布情況，當(dāng)機(jī)房溫度超過一定閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開啟空調(diào)和新風(fēng)機(jī)，降溫，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)撥打機(jī)房管理者電話，警報(bào)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩部分，硬件部分主要包括制冷設(shè)備(機(jī)房空調(diào)、新風(fēng)機(jī)等)、傳感器節(jié)點(diǎn)；軟件部分主要包括系統(tǒng)核心應(yīng)用層。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示，工作流程如圖2所示。

核心應(yīng)用層包括4大模塊，分別為數(shù)據(jù)接收與處理模塊、機(jī)房溫度分布預(yù)測(cè)模塊、溫度異常監(jiān)控模塊以及GPRS電話警報(bào)模塊，每個(gè)模塊的具體功能如下：

1)數(shù)據(jù)接收與處理模塊：通過與上位機(jī)相連接的Sink節(jié)點(diǎn)接收溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)，并通過串口方式發(fā)送至控制終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2)機(jī)房溫度分布預(yù)測(cè)模塊：利用已部署傳感器節(jié)點(diǎn)采集的溫度數(shù)據(jù)對(duì)未部署傳感器節(jié)點(diǎn)的位置溫度值進(jìn)行插值預(yù)測(cè)，并通過顏色直觀地在系統(tǒng)界面中顯示出機(jī)房?jī)?nèi)溫度的分布情況。

3)溫度異常監(jiān)控模塊：主要分析機(jī)房?jī)?nèi)的溫度是否超過正常范圍，如果監(jiān)測(cè)到溫度過高，則調(diào)動(dòng)制冷設(shè)備進(jìn)行降溫，如果溫度超過警戒線，則向GPRS模塊發(fā)送警報(bào)指令。

4)GPRS警報(bào)模塊：收到溫度異常監(jiān)控模塊的警報(bào)指令后自動(dòng)呼叫機(jī)房管理者手機(jī)，進(jìn)行預(yù)警。

1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的框架如圖3所示，主要包括四大模塊：Sht11溫度傳感器、Msp430主控、CC2420無線通信模塊和電池模塊。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)框架

Sht11數(shù)字溫度傳感器主要負(fù)責(zé)機(jī)房環(huán)境和設(shè)備的溫度采集，與主控之間通過I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；Msp430單片機(jī)是傳感器節(jié)點(diǎn)的主控，主要負(fù)責(zé)采集Sht11溫度傳感器的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至CC2420無線通信模塊；無線通信模塊CC2420為符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，工作于2.4GHz頻段，具有低功耗等特點(diǎn)；電池模塊采用電壓為5V的鋰電池，主要負(fù)責(zé)為硬件設(shè)備供電。

1.2 核心應(yīng)用層設(shè)計(jì)

主要包括三大模塊：機(jī)房溫度分布顯示模塊、機(jī)房整體溫度變化模塊、設(shè)備溫度展示模塊。機(jī)房溫度分布顯示模塊利用顏色區(qū)分溫度高低，直觀顯示機(jī)房?jī)?nèi)溫度的分布情況。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在機(jī)房?jī)?nèi)的數(shù)量有限，因此，在未部署傳感器節(jié)點(diǎn)的位置，利用Kriging插值算法進(jìn)行插值預(yù)測(cè)，最終實(shí)現(xiàn)展示機(jī)房?jī)?nèi)全部位置的溫度情況。

機(jī)房整體溫度變化模塊用于記錄機(jī)房?jī)?nèi)整體溫度的變化情況，機(jī)房溫度的歷史數(shù)據(jù)保存在MySqL模塊中，管理者可通過該模塊觀察在最近一周內(nèi)機(jī)房平均溫度曲線。

設(shè)備溫度展示模塊主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)顯示功能，只需將鼠標(biāo)放到某個(gè)設(shè)備圖標(biāo)上，即可顯示當(dāng)前設(shè)備的溫度。

當(dāng)機(jī)房?jī)?nèi)某個(gè)設(shè)備的溫度超過警戒線或者機(jī)房?jī)?nèi)的整體溫度超過警戒線，則系統(tǒng)立即啟動(dòng)制冷設(shè)備降低機(jī)房溫度，同時(shí)向機(jī)房管理者撥打電話，通知機(jī)房?jī)?nèi)的異常情況，實(shí)現(xiàn)機(jī)房24h無人值守。

2 Kriging溫度預(yù)測(cè)

Kriging插值算法是一種光滑的內(nèi)插方法，通過已知的樣本點(diǎn)預(yù)測(cè)不同位置處的值[11～15]。插值過程如下：

1)構(gòu)建樣本間依存規(guī)則

利用已知的溫度值預(yù)測(cè)未布設(shè)傳感器的位置溫度值，首先進(jìn)行樣本點(diǎn)的配對(duì)，機(jī)房?jī)?nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行兩兩配對(duì)，建立節(jié)點(diǎn)間的歐氏距離di和節(jié)點(diǎn)采集的溫度Ti之間的關(guān)系對(duì)Pairi=(di,Ti)，如圖4所示，根據(jù)關(guān)系對(duì)Pair構(gòu)建空間模型。分析經(jīng)驗(yàn)半變異函數(shù)，如式(1)所示

(1)

式中z(xi)和z(xi+d)分別為配對(duì)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度值；d為節(jié)點(diǎn)間距離；n為關(guān)系對(duì)Pair的數(shù)量；r(d)為半變異值。

圖4 配對(duì)

根據(jù)關(guān)系對(duì)Pair的半變異值進(jìn)行預(yù)測(cè)模型擬合，預(yù)測(cè)模型擬合過程如圖5所示。根據(jù)擬合得到的函數(shù)與目前比較成熟的模型進(jìn)行匹配，選擇最接近的一個(gè)模型作為本文的預(yù)測(cè)模型。

圖5 模型擬合

2)插值預(yù)測(cè)過程

利用步驟(1)選擇的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)過程如圖6所示，圖中傳感器節(jié)點(diǎn)1，2，3，4為已部署在機(jī)房中的溫度傳感器節(jié)點(diǎn)，0表示未部署傳感器的節(jié)點(diǎn)，利用節(jié)點(diǎn)1，2，3，4，通過Kriging算法可預(yù)測(cè)得到位置0處的溫度值

(2)

式中z0為位置0處的溫度預(yù)測(cè)值；zi為樣本節(jié)點(diǎn)采集的溫度值；s為用于預(yù)測(cè)的樣本節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，本文采用4個(gè)已知樣本節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)；Wi為根據(jù)步驟(1)選擇的模型計(jì)算得到的權(quán)重值，計(jì)算過程為

(3)

式中γ(dij)為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j的半變異值；λ為常數(shù)，計(jì)算過程可消除；W1，W2，W3，W4為需要計(jì)算的權(quán)重值。

圖6 插值預(yù)測(cè)

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)應(yīng)用于浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司集團(tuán)的數(shù)據(jù)中心。圖7為系統(tǒng)通道內(nèi)的溫度分布，當(dāng)其中一個(gè)通道開啟制冷設(shè)備，該通道內(nèi)溫度立刻降低，而另一個(gè)通道內(nèi)未開啟制冷設(shè)備，溫度比較高，因此，系統(tǒng)界面中出現(xiàn)了熱通道和冷通道。界面所顯示的溫度分布情況為基于本文提出的Kriging插值算法,利用傳感器節(jié)點(diǎn)采集的溫度數(shù)據(jù)插值預(yù)測(cè)得到。

圖7 系統(tǒng)通道

圖8為機(jī)房的溫度分布情況，其中顏色較深處表示機(jī)房服務(wù)器，其發(fā)熱量較大，而機(jī)房的空余位置溫度相對(duì)較低，系統(tǒng)也可以查看每個(gè)設(shè)備的當(dāng)前溫度。

圖8 機(jī)房溫度分布

圖9為服務(wù)器后蓋溫度分布情況對(duì)比，圖9(a)為利用本文算法得到的溫度分布結(jié)果，圖9(b)為實(shí)際溫度熱學(xué)影像圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)在溫度分布方面與實(shí)際結(jié)果非常接近，誤差不超過3℃。

圖9 溫度分布對(duì)比

圖10為系統(tǒng)記錄的機(jī)房平均溫度歷史曲線，顯示機(jī)房整體平均溫度升高后，系統(tǒng)自動(dòng)開啟制冷設(shè)備，降溫，檢測(cè)結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠有效控制機(jī)房?jī)?nèi)溫度。

圖10 歷史溫度曲線

4 結(jié) 論

提出了一種基于WSNs的機(jī)房溫控系統(tǒng)，通過WSNs采集機(jī)房環(huán)境以及設(shè)備的溫度信息，并將溫度數(shù)據(jù)傳輸至核心應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，通過Kriging算法預(yù)測(cè)整個(gè)機(jī)房的溫度分布情況，于系統(tǒng)界面顯示，同時(shí)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)記錄等功能。該系統(tǒng)能夠滿足機(jī)房24h無人值守的要求，保證機(jī)房的安全運(yùn)行。

[1] 余建榮.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)研究[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016(11):17.

[2] 白興甫.Modbus設(shè)備在機(jī)房溫度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2016,12(8):193-194.

[3] 毛 剛,趙吉成.基于以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)射機(jī)房溫度監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2015(11):16-17.

[4] 王 勇,毛 帥,高雅亭.基于ARM的機(jī)房溫濕度智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,24(7):96-99.

[5] 鄭明智,孫麗萍.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)房溫度監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2009,28(2):46-49.

[6] 鐘九洲.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多處網(wǎng)絡(luò)機(jī)房溫濕度雙向監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2013,22(5):54-57.

[7] 寧 潔.基于ZigBee的通信機(jī)房溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].西安：西安電子科技大學(xué),2012.

[8] 趙志剛,屈劍鋒.基于WSNs和置信區(qū)間計(jì)算的轉(zhuǎn)播機(jī)房溫控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2011,47(30):219-223.

[9] 何 輝,龔成瑩,邢敬宏.基于WSNs與Web3D的信息機(jī)房環(huán)境三維仿真監(jiān)測(cè)[J].自動(dòng)化儀表,2015,36(8):49-52.

[10] 林惠貞.分布式機(jī)房溫濕度集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].汕頭：汕頭大學(xué),2011.

[11] Jeong S,Murayama M,Yamamoto K.Efficient optimization design method using kriging model[J].Journal of Aircraft,2015,42(42):413-420.

[12] Sparks L,Blanch J,Pandya N.Estimating ionospheric delay using kriging:1.Methodology[J].Radio Science,2016,46(6):1-13.

[13] 杜宇健,蕭德云.Kriging算法在溫度場(chǎng)計(jì)算中的應(yīng)用分析[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2004,16(8):1153-1158.

[14] 李 欣.基于徑向基函數(shù)的聲學(xué)法溫度場(chǎng)重建算法研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué),2014.

[15] Dey S,Mukhopadhyay T,Adhikari S.Stochastic free vibration analysis of composite shallow doubly curved shells—A Kriging model approach[J].Composites Part B：Engineering,2015,70(5):99-112.

DesignandimplementationofcomputerroomtemperaturecontrolsystembasedonWSNs*

DONG Hui-liang1, WANG Zheng-min1, JIANG Xue-feng1, LIU Wei1, MAO Ke-ji2, XIA Ming2

(1.ChinaTobaccoZhejiangIndustrialCoLtd,Hangzhou311200,China;2.CollegeofComputerScienceandTechnology,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China)

In order to effectively monitor temperature inside computer room,develop a WSNs-based computer room temperature control system.This system arranges a certain number of sensor nodes in computer room and insider of equipment,and sent the collected information such as equipment temperature and ambient temperature to the control system.The control system uses kriging algorithm to simulate the distribution of the temperature inside the computer room and intuitively show it on interface.Meanwhile,the control system real-time monitors temperature information: when the engine room temperature is too high,the system automatically starts ventilation plate and air conditioning to reduce the temperature inside the room,when the temperature is abnormally high,it alert the room manager.

wireless sensor networks(WSNs); computer room temperature control; kriging algorithm; control system

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0092—03

2017—08—08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61401397，61379023)；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015C31066)

TP 212

A

1000—9787(2017)10—0092—03

董惠良(1986-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)、微系統(tǒng)開發(fā)，E-mail:18868851449@163.com。毛科技(1979-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析，E-mail:maokeji@zjut.edu.cn。