基于ZigBee的網絡機房無線數據采集系統(tǒng)設計

朱維娜 滕華 蘇智華

摘 要：傳統(tǒng)的網絡機房有線數據采集系統(tǒng)存在一定的局限性，不適應在大規(guī)模機房的應用。以ZigBee技術為依托，設計網絡機房無線數據采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括通信模塊、直/交流數據采集模塊、溫濕度數據采集模塊以及主控單元模塊，利用ZigBee網絡低能耗、低成本、容量大等特點，收集各個模塊的數據并上報，實現了對網絡機房環(huán)境的全方面監(jiān)控，為快速發(fā)展的計算機網絡系統(tǒng)保駕護航。

關鍵詞：ZigBee技術; 網絡機房; 無線傳輸; 數據采集

中圖分類號： TG409

文獻標志碼： A

Abstract：The traditional wired data acquisition system of network computer room has some limitations， hence， it is not suitable for the development of large-scale computer room. Based on ZigBee technology， this paper designs a wireless data acquisition system for the network computer room. The system includes communication module， DC/AC data acquisition module， temperature and humidity data acquisition module and main control unit module. Using ZigBee network features of low energy consumption， low cost and large capacity， the system collects and reports the data of each module， realizes all-round monitoring of network room environment， and escorts the rapid development of computer network system.

Key words：ZigBee technology; Network machine room; Wireless transmission; Data collection

0 引言

隨著通信技術的發(fā)展，大量的通信設備和計算機系統(tǒng)投入應用，導致網絡機房的規(guī)模日益增大。通信網絡、計算機系統(tǒng)以及中心機房成為各個通信企業(yè)的核心管理單元。良好的網絡機房環(huán)境是計算機系統(tǒng)運行的可靠保障，其設備的運行情況也直接關系到機房環(huán)境的優(yōu)劣，如安保系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、UPS電源系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)等。如果網絡機房環(huán)境設備出現故障，則會影響大面積的通信故障，甚至導致計算機系統(tǒng)癱瘓。傳統(tǒng)的有線數據采集系統(tǒng)布線繁瑣，難以檢查和維修，一旦遇到機房設備需要重新布局時，環(huán)境設備也需要從新布線。因此，本文采用ZigBee技術設計了網絡機房無線數據采集系統(tǒng)，彌補了有線數據采集系統(tǒng)的不足。

1 硬件系統(tǒng)整體設計

1.1 系統(tǒng)組成

本文設計的網絡機房無線數據采集系統(tǒng)采用集中式數據采集設計思路，每臺監(jiān)測設備能完成兩路遙控、八路遙信和八路遙測。該系統(tǒng)能夠完成網絡機房的煙霧、水浸、紅外傳感、溫度、濕度、直交流電源等數據的采集。系統(tǒng)分為溫濕度采集模塊、交流采集模塊、主控單元模塊和直流采集模塊。如圖1所示。

按照ZigBee協(xié)議?？蓪⒐δ軇澐譃榻K端和協(xié)調器兩部分，其中終端為溫濕度采集模塊、交流采集模塊、直流采集模塊，協(xié)調器為主控單元模塊。每個采集模塊通過無線組網方式與主控單元模塊連接，構成無線數據采集網絡。每個模塊按照時間設定參數，定時向主控單元輸送采集的信息，最終利用RTDB方式與機房總監(jiān)控室相連。

1.2 系統(tǒng)功能設計

（1）無線通信模塊

該模塊采用ZigBee技術，主要實現各個數據采集模塊與主控模塊只記得通信。協(xié)調器短地址為0x00，程序升級串口為UART0，數據交互串口為UART1，兩個串口波特率均為115 200 bps?？蛇x擇0x00～0x03作為無線信道，設置完成后保存在EEPROM中。

（2）無線交流采集模塊

該模塊包含交流數據采集模塊和ZigBee無線模塊兩個單元。其中，交流數據采集模塊共有六個遙測量，分別為A、B、C三相電流和電壓，按照定時器的設定，向協(xié)調器定時上報監(jiān)測數據幀?？蛇x擇0x00～0x03作為無線信道。該模塊指示燈分為模式，即啟動掃描、發(fā)送數據和正常運行，對應的燈況分別為慢閃、快閃和常亮。此外，該模塊斷電后會迅速上報采集的數據;ZigBee無線模塊即為無線數據采集系統(tǒng)ZigBee網絡的終端。

（3）無線直流采集模塊

該模塊包含直流數據采集模塊和ZigBee無線模塊兩個單元。直流數據采集模塊共有四個遙測量，分別為兩路直流的電流和電壓，按照定時器的設定，向協(xié)調器定時上報監(jiān)測數據幀，ZigBee無線模塊即為ZigBee網絡的終端。通信信道與指示燈模式與無線交流采集模塊相同。

（4）無線溫濕度采集模塊

該模塊包含溫濕度數據采集模塊和ZigBee無線模塊兩個單元，ZigBee無線模塊即為ZigBee網絡的終端。該模塊由兩個開關量和兩個遙測量，遙測量分別實現溫度和濕度的測量，開關量分別實現溫度和濕度的測量開關。數據上報模式、指示燈設定與無線直流采集模塊結構相同。

2 關鍵功能設計

2.1 無線通信功能設計

本文設計的無線數據采集系統(tǒng)由終端節(jié)點和協(xié)調器階段兩種設備組成，ZigBee網絡代碼包括終端節(jié)點代碼和協(xié)調器代碼兩部分。在同一個軟件工程中建立兩部分代碼，而且具有通用性，通過不同條件的編譯方式分開這兩種代碼，使其實現不同的功能。節(jié)省了內存空間，提高了數據采集系統(tǒng)的運行效率。

該系統(tǒng)中，協(xié)調器第一個啟動，作為中心節(jié)點負責整個ZigBee網絡的維護和組件，并建立各個模塊的通信信道。無線數據采集系統(tǒng)上電復位后，軟件結構功能模塊和硬件模塊首先要進行初始化，通過掃描信道選擇合適的信道并建立通信，該過程中模塊會選擇一個網絡ID并與信道一起進行廣播。然后，協(xié)調器節(jié)點會接收到子節(jié)點的鏈接申請，并作出相應。如果允許子節(jié)點鏈接，則協(xié)調器會為子節(jié)點分配十六位短地址，并進行與子節(jié)點的鏈接。協(xié)調器不用設定休眠模式，會一直接受終端節(jié)點的數據信息，并利用串口向主控單元發(fā)送，獲得每個終端節(jié)點的地址編號及信息。流程如圖2所示。

2.2 溫濕度采集功能設計

在ZigBee網絡中，溫濕度數據采集模塊作為終端采集設備，負責網絡機房的溫度/濕度數據采集、定時休眠喚醒、鏈接ZigBee網絡以及向主控單元上報數據等功能。具體功能詳細設計如下：

（1）初始化外設：包括初始化串口1、初始化喂狗、初始化Flash（EEOROM）、初始化撥碼開關、初始化LED顯示、初始化數據采集模塊的驅動程序。

（2）網絡初始化：設定設備類型及廠家ID、讀取Flash中的終端/路由設備數據，并根據設備類型啟動ZigBee網絡鏈接、根據初始化后的撥動開關選擇相應的信道、初始化網絡硬件設備。該功能還能進行網絡加密，代碼如下：

netSecurityKey.u32Key Val_1=0x1010101C;

netSecurityKey.u32Key Val_2=0x1010101D;

netSecurityKey.u32Key Val_3=0x1010101E;

netSecurityKey.u32Key Val_4=0x1010101F;

（3）初始化Mid：包括Mid注冊、變量聲明、回調聲明，還包括上報采集的溫濕度數據結構，關鍵的實現代碼如下：

uint8 u8ModuleID; //模塊ID（1～31）

MAC_ExtAddr_s tsModuleMAC; //模塊MAC

uint8 u8ModuleType; //模塊類型

uint8 u8ModuleAppVer[3]; //模塊APP版本

unsigned char cModuleBuildTime[21]; //模塊APP編譯日期

unsigned char cModuleAlarm; //0x00：非告警; 0x01： 告警數

uint32 u32ModuleRunTime; //模塊已運行時間（單位：秒）

uint8 u8YCCount; //遙測采樣值個數

int16 i16YCValue[YC_MAX_COUNT]; //遙測當前采樣值

uint8 u8YXCount; //遙信采樣值個數

（4）控制LED顯示燈（定時器）：LED顯示等分為三種狀態(tài)，由定時器控制。間隔1 s閃爍——ZigBee無線網絡斷開1 s;間隔400 ms閃爍三次——溫濕度數據采集模塊向ZigBee無線網絡發(fā)送數據;常亮——ZigBee無線網絡已連接。

（5）看門狗（reload）

（6）休眠：包括中央處理器休眠、溫濕度采集模塊斷電休眠以及協(xié)議棧休眠。

（7）喚醒：包括中央處理器休眠喚醒、協(xié)議棧休眠喚醒并恢復現場、溫濕度采集模塊加電。

（8）數據采集：中央處理器、協(xié)議棧以及溫濕度采集模塊喚醒后1s，開始采集網絡機房溫濕度數據。

溫濕度采集功能程序流程如圖3所示。

2.3 主控單元軟件實現

主動單元軟件包括BOOT程序和APP程序。BOOT程序是首先啟動的，在運行過程中可接受到APP程序發(fā)開的升級指令，并自動跳轉至APP。BOOT程序的主要功能設計為：3秒的喂狗（reload），查看Flash起始地址并自動向APP程序跳轉，BOOT啟動顯示以及指示燈啟動快閃。程序流程如圖4所示。

APP程序與總監(jiān)控室軟件的交互，負責指示燈控制、鍵盤控制、液晶顯示控制、Shell、串口服務、數據采集模塊管理、上報的數據采集等。

3 系統(tǒng)關鍵功能測試

接通系統(tǒng)電源，測量V33的電壓為3.3 V，V50的電壓為5 V，輸出電壓為12 V，然后向溫濕度采集模塊寫入APP程序。利用總監(jiān)控室設備的串口，得到如圖5所示。

網絡機房溫度和濕度的數據，經過實際測量，該結果誤差很小，可忽略。

ZigBee無線網絡測試過程中，將網絡機房布置的每個數據采集模塊連接到串口服務器上，在總監(jiān)控室中利用超級終端獲取每個串口shell中的傳輸數據，如圖6所示。

通過主控制單元的串口shell輸出的調試信息與每個單元模塊的調試信息對比，可得到ZigBee無線網絡數據傳輸狀態(tài)。經過測試，ZigBee無線網絡連接完好。

4 總結

ZigBee技術應用到網絡機房環(huán)境無線數據采集中，具有

諸多優(yōu)點。本文設計的無線數據采集系統(tǒng)能夠對網絡機房

的直流、交流、溫濕度等情況進行實時的采集，并通過ZigBee無線網絡收集并上報數據。經過測試，數據采集功能良好，與現場對比誤差較小，ZigBee網絡連接通暢，該系統(tǒng)可用于各種大型網絡機房環(huán)境數據的采集，具有一定的先進性。

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（收稿日期： 2019.11.06）