分布式機(jī)房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊維發(fā) 許瑋 張冰松 鮑淸

摘 要：隨著全國(guó)氣象信息化工作的推進(jìn)，湖北省氣象局機(jī)房的設(shè)備數(shù)量日益增長(zhǎng)，特別是虛擬基礎(chǔ)資源池的不斷擴(kuò)容，導(dǎo)致大功率、高密度的機(jī)柜散熱問題變得日益突出，嚴(yán)重威脅著業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無線技術(shù)的分布式機(jī)房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案和硬件電路，同時(shí)對(duì)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)Z-Stack協(xié)議棧、DS18B20數(shù)據(jù)讀取上位機(jī)顯示進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；機(jī)房；分布式；溫濕度監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）05-0015-02

大多數(shù)機(jī)房在建設(shè)過程中沒有經(jīng)過復(fù)雜的CFD分析，無法預(yù)測(cè)未來發(fā)展對(duì)功率密度的需求，在增加高功率設(shè)備的同時(shí)也增加了安全隱患。傳統(tǒng)的總線式機(jī)房溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)布線復(fù)雜，在部署新增監(jiān)測(cè)點(diǎn)位時(shí)會(huì)因走線設(shè)計(jì)不合理，產(chǎn)生新的高熱密度區(qū)域，影響設(shè)備運(yùn)行[1]。無線傳輸則擺脫了線纜的束縛，有安裝周期短，易于維護(hù)，擴(kuò)容能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且組網(wǎng)靈活，無需為新添加設(shè)備鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)，增加設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)?；诖吮驹O(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無線技術(shù)的分布式機(jī)房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）是由大量低成本、能耗低的微小傳感器節(jié)點(diǎn)（Sensor node）構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據(jù)機(jī)房設(shè)備分布情況，快速靈活地增加或改變監(jiān)測(cè)點(diǎn)。本系統(tǒng)還提供了語音和短信報(bào)警功能，減輕了崗位人員的工作負(fù)擔(dān)，又降低了因停電或空調(diào)故障導(dǎo)致機(jī)房事故的概率。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

ZigBee是一組基于批準(zhǔn)通過的無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是一種新興的近距離、低復(fù)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)，主要用于近距離無線連接。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有三種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，分別是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類型也分為三種，包括星型網(wǎng)路結(jié)構(gòu)、樹形網(wǎng)路結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀網(wǎng)路結(jié)構(gòu)三類。在星型結(jié)構(gòu)下，基于鏈的線狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)下，節(jié)點(diǎn)被串聯(lián)在一條或多條鏈路上，鏈尾與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連，只有末端節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn)。樹狀結(jié)構(gòu)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可接收多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，該子節(jié)點(diǎn)可以路由器節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有可傳輸靠性高、網(wǎng)絡(luò)伸縮性好的特點(diǎn)。在個(gè)別鏈路或節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，不會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)的分離。

1.2 系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的布式機(jī)房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、ZigBee模塊、短信報(bào)警模塊和傳感器四個(gè)模塊。上位機(jī)接通過USB轉(zhuǎn)RS232串口協(xié)議收到數(shù)據(jù)接收模塊（ZigBee協(xié)調(diào)器）的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)分析和顯示；ZigBee模塊分為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)兩類，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)從ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)并上傳給上位機(jī)，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)讀取傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去；上位機(jī)接收到溫濕度數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，如果超出用戶設(shè)置的閾值，會(huì)通過RS232接口向短信報(bào)警模塊發(fā)送報(bào)警命令；傳感器負(fù)責(zé)采集溫度和濕度信號(hào)[2]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器CC2530

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)都采用由德州儀器公司的生產(chǎn)的CC2530芯片，并按照需求增加相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其它強(qiáng)大的功能。CC2530多模式運(yùn)行的特點(diǎn)使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。CC2530芯片結(jié)合了一個(gè)高性能的2.4GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)增強(qiáng)型的8位8051微控制器，包含的外圍電路包括21個(gè)可編程I/O引腳、8路輸入和可配置分辨率的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，5通道的DMA，3個(gè)時(shí)鐘計(jì)時(shí)器、1個(gè)看門狗定時(shí)器、2路USART協(xié)議、32 kHz晶振的定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路等；CC2530采用6mm×6mmQFN40封裝，將數(shù)字基帶處理器、射頻模塊、模擬電路及存儲(chǔ)器集成在同一個(gè)硅晶片上[3]。

2.2 ZigBee模塊電路設(shè)計(jì)

ZigBee模塊電路主要包括電源設(shè)計(jì)、RF電路、傳感器信號(hào)調(diào)理電路等。電源采用外接5V電源，通過一片HT7533電源芯片降壓至3.3V為CC2530提供電源。由于CC2530將8051內(nèi)核與無線收發(fā)模塊集成到一個(gè)芯片當(dāng)中，因而簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)過程，省去了對(duì)單片機(jī)與無線收發(fā)芯片之間接口電路的設(shè)計(jì)，縮短了研發(fā)周期[4]。ZigBee模塊電路設(shè)計(jì)主要包括接口電路、電源濾波電路、芯片晶振電路、巴倫電路、入網(wǎng)指示電路及復(fù)位電路部分。設(shè)計(jì)采用50Ω單極子天線，由于CC2530的差分射頻端口具有兩個(gè)端口，而天線是單端口，因此需采用巴倫電路（平衡/非平衡轉(zhuǎn)換電路）完成雙端口到單端口的轉(zhuǎn)換。巴倫電路由電感（L2、L3，L4）和電容（C11、C12、C15）構(gòu)成。

2.3 溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用的溫度傳感器為數(shù)字溫度傳感器，型號(hào)為DS18B20，其電壓工作范圍為3.0V～5.5V，DS18B20采用獨(dú)特的“單總線”通信接口方式，通過總線直接輸出數(shù)字溫度值，可配置輸出CRC校驗(yàn)碼。該傳感器檢測(cè)到的最低溫度為-55℃，最高溫度為125℃，在-10～+85℃時(shí)的精度為±0.5℃。濕度檢測(cè)模塊選用的是濕敏電容濕度傳感器HS1101，該傳感器采用獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)，具有全互換性，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正，長(zhǎng)時(shí)間飽和下快速脫濕，可以自動(dòng)化焊接，包括波峰焊，高可靠性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性，專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，可用于線性電壓或頻率輸出回路，快速反應(yīng)時(shí)間快。同時(shí)具有高精度、寬量程、抗靜電、防灰塵，有效抵抗各種腐蝕性氣體的特點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 Z-Stack協(xié)議棧

ZigBee模塊設(shè)計(jì)基于通用性及便于開發(fā)的考慮，移植了TI公司的Z-Stack協(xié)議棧，其主要特點(diǎn)就是其兼容性，完全支持IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2530片上系統(tǒng)解決方案。Z-Stack協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)由稱為層的各模塊組成。每一層為其上層提供特定的服務(wù)：即由數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；管理實(shí)體提供所有的其他管理服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過相應(yīng)的服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）為其上層提供一個(gè)接口，每個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)通過服務(wù)原語來完成所對(duì)應(yīng)的功能。Z-Stack協(xié)議棧根據(jù)IEEE 802.15.4和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)分為物理層，介質(zhì)接入控制層，網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層。物理層提供了基礎(chǔ)的服務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸和接收，網(wǎng)絡(luò)層提供了各個(gè)節(jié)點(diǎn)連入的服務(wù)，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵，應(yīng)用層是用戶關(guān)注的重點(diǎn)，為用戶提供了應(yīng)用的框架。

3.2 DS18B20數(shù)據(jù)讀取

DS18B20采用單總線通信方式，因?yàn)榭刂坪蛿?shù)據(jù)都在一根總線上，因此其數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序邏輯有著非常嚴(yán)格的要求。DS18B20數(shù)據(jù)讀取軟件流程如圖2所示。單片機(jī)首先通過一個(gè)復(fù)位脈沖喚醒DB18B20，然后DB18B20給單片機(jī)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答脈沖。單片機(jī)發(fā)的復(fù)位脈沖的低電平應(yīng)該保持在480μs至960μs之間，然后單片機(jī)釋放總線，等待DS18B20應(yīng)答[5]。接收到應(yīng)答信號(hào)后，單片機(jī)開始啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換并開始等待溫度轉(zhuǎn)換結(jié)束，檢測(cè)到DB18B20轉(zhuǎn)換完成后，單片機(jī)讀取溫度數(shù)據(jù)。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用C#語言開發(fā)，數(shù)據(jù)通過USB轉(zhuǎn)RS232協(xié)議不斷接收數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)的地址碼識(shí)別是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并與用戶設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)顯示界面進(jìn)行更新。

4 結(jié)語

分布式機(jī)房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)針對(duì)機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的和發(fā)展趨勢(shì)以及當(dāng)前機(jī)房溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，提出了一種全新的基于ZigBee無線技術(shù)的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)以及正式投入使用，為應(yīng)對(duì)武漢持續(xù)高溫天氣對(duì)機(jī)房影響又提供了一道防線，并可廣泛的應(yīng)用于雷達(dá)機(jī)房、大型計(jì)算機(jī)、檔案及庫房的環(huán)境監(jiān)控。

參考文獻(xiàn)

[1]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，（5）：54-57.

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

[3]盧明喬.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的LED智能照明系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].南京信息工程大學(xué)，2014.

[4]龔賢創(chuàng)，楊維發(fā)，楊代才，等.基于ZigBee技術(shù)的無線氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].氣象科技，2015，（4）：608-612.

[5]呂建波.基于單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)在電子技術(shù)，2012，（19）：117-119.