基于物聯(lián)網(wǎng)的氣象云數(shù)據(jù)中心動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

◆趙冰 王旭 葉釩 劉驥超 王雙雙

基于物聯(lián)網(wǎng)的氣象云數(shù)據(jù)中心動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

◆趙冰1，2王旭1，2通訊作者葉釩1，2劉驥超1，2王雙雙1，2

（1.海南省氣象信息中心 海南 570203；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 海南 570203）

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，越來越多的應(yīng)用系統(tǒng)依靠計算設(shè)備的計算能力，氣象部門的數(shù)據(jù)量不斷增加，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模越來越龐大，設(shè)備也越來越多，機房管理變得越來越重要。傳統(tǒng)機房由管理人員使用手工記錄溫度、濕度、動力等方式來監(jiān)控，不能有效地滿足信息化發(fā)展的需求，也不能及時高質(zhì)量地排除故障。針對目前機房管理落后的現(xiàn)象，依托海南氣象云數(shù)據(jù)中心機房，本文提出利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)氣象云數(shù)據(jù)中心動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對機房環(huán)境系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、安防系統(tǒng)和消防系統(tǒng)等的實時監(jiān)控，并通過多種手段實現(xiàn)設(shè)備故障實時報警。該系統(tǒng)的建立，將大大減輕機房管理人員負擔(dān)，實現(xiàn)機房無人或者少人值守，提高系統(tǒng)保障質(zhì)量，降低保障成本，為機房管理人員提供安全、可靠、實時的設(shè)備監(jiān)控管理平臺，實現(xiàn)機房的科學(xué)管理。

數(shù)據(jù)中心；機房；物聯(lián)網(wǎng)；動環(huán)；監(jiān)控

隨著信息化建設(shè)的高速發(fā)展，氣象數(shù)據(jù)量不斷增加，歷史氣象數(shù)據(jù)總量達到PB級，數(shù)據(jù)中心的設(shè)施建設(shè)規(guī)模越來越大，設(shè)備密度越來越高，管理者對數(shù)據(jù)中心的監(jiān)控系統(tǒng)要求也越來越高。

然而，海南氣象機房管理只停留在對動力、環(huán)境、安保等傳統(tǒng)的監(jiān)控層面，內(nèi)容單一、頁面簡單、層次復(fù)雜，管理人員無法實時的監(jiān)控到機房環(huán)境狀態(tài)，也無法及時的發(fā)現(xiàn)異常，無法滿足管理者對數(shù)據(jù)中心“集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理”需求[1-6]。建設(shè)以各類監(jiān)控系統(tǒng)為數(shù)據(jù)來源，能夠全面展示機房各方面運行狀態(tài)的綜合運維管理平臺變得尤為必要。

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計并構(gòu)建了海南氣象云數(shù)據(jù)中心動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)對不同類型的設(shè)備實現(xiàn)集中監(jiān)控，包括對機房環(huán)境系統(tǒng)（溫濕度監(jiān)測、機房精密空調(diào)、非精密空調(diào)、漏水檢測、煙霧檢測等）、機房動力系統(tǒng)（包括ATS、配電柜和UPS等）、安防系統(tǒng)（門禁、紅外、消防等）和視頻系統(tǒng)的監(jiān)控，具有完善的監(jiān)測和控制功能。該系統(tǒng)融合了機房的管理措施，對發(fā)生的各種事件都可以結(jié)合機房的具體情況給出處理信息，以提示值班人員進行操作；該系統(tǒng)支持WEB瀏覽器，支持智能化實時語音電話報警，可實時記錄各類事件，清楚處理各事件間的關(guān)系，有效提高了維護人員的工作效率，極大減輕了機房維護人員的負擔(dān)，實現(xiàn)機房可靠的科學(xué)管理。

1 相關(guān)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)，即萬物相連的網(wǎng)絡(luò)，就是指通過射頻技術(shù)、傳感設(shè)備、紅外感應(yīng)器等各種設(shè)備和技術(shù)，把包含各種信息的物體，通過互聯(lián)網(wǎng)的接入，實現(xiàn)對物品和過程的識別和管理，其目的就是實現(xiàn)全球物品信息的互聯(lián)互通和共享[15-16]。借助于物聯(lián)網(wǎng)，可以很容易地建立起人與物之間的泛在連接，能夠?qū)崟r的獲取和交換設(shè)備信息、人員行為信息和角色信息等。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)的概念被廣泛應(yīng)用在機房監(jiān)控中，對機房動力、環(huán)境、和設(shè)備等運行進行全方位的實時運行監(jiān)測。

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入機房動環(huán)監(jiān)控管理，通過傳感設(shè)備來實時獲取機房環(huán)境、電力、安防等信息，管理人員不需要守著機房，節(jié)約人力資源，提高機房管理效率。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

海南氣象云數(shù)據(jù)中心動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計采用三層結(jié)構(gòu)：設(shè)備采集層、傳輸層、管理層。采集層包括采集模塊、控制模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、傳感器等。采集模塊用于快速采集各傳感器[7]及各設(shè)備的輸出信號；控制模塊執(zhí)行監(jiān)控中心及現(xiàn)場采集中心發(fā)出的控制命令；協(xié)議轉(zhuǎn)換器用于將提供智能接口的設(shè)備接口轉(zhuǎn)換為監(jiān)控系統(tǒng)所需的RS485/RS232 接口，從而實現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)控；傳感器將現(xiàn)場檢測信號轉(zhuǎn)換為模擬量采集模塊、數(shù)字量采集模塊等設(shè)備所需的信號。傳輸層包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，負責(zé)將采集到的信息傳輸給系統(tǒng)管理主機。管理層包括系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等，完成動環(huán)監(jiān)控管理的所有功能，可通過電話、短信貓、音箱等設(shè)備實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的不同報警提示[8-11]。根據(jù)氣象云數(shù)據(jù)中心機房的建筑構(gòu)造特點，采集層分成三個區(qū)域分別是數(shù)據(jù)中心、UPS電池室和配電室，每個區(qū)域通過交換機連接到監(jiān)控系統(tǒng)中心服務(wù)器。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)拓撲圖

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)功能包括服務(wù)端功能和客戶端功能，系統(tǒng)支持WEB頁面瀏覽，系統(tǒng)功能框架如圖2所示。

服務(wù)端功能包括：服務(wù)端配置、添加設(shè)備、配置閾值參數(shù)、配置報警參數(shù)等功能。在服務(wù)端通過采集箱及設(shè)備通信接口獲取設(shè)備的各項運行指標信息，并上傳到中心端服務(wù)器，將收集到的信息與設(shè)置的正常閾值對比得出設(shè)備是否異常，包括溫濕度是否過高、空調(diào)是否正常、UPS是否正常等。如有設(shè)備異常，則通過短信、微信、語音等方式向管理人員進行報警。

圖2 系統(tǒng)功能框架

客戶端功能包括：機房環(huán)境監(jiān)測、動力監(jiān)測、報警管理、數(shù)據(jù)查詢、報表統(tǒng)計等功能。用戶可以通過客戶端或者WEB頁面實時查看機房的各項指標運行狀態(tài)，包括溫濕度、動力、安防狀況和視頻監(jiān)控信息等。另外可以根據(jù)不同的報警級別設(shè)置不同的通知，實現(xiàn)機房監(jiān)測的管理需求。

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計，整體的監(jiān)控流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)控流程圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)前端采集設(shè)備通信和用戶訪問均使用HTTP協(xié)議，可以滿足各類型的用戶操作系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)建在J2EE的中心服務(wù)器上，采用SQL Server 2008 R2 Express數(shù)據(jù)庫進行存儲，采用B/S架構(gòu)處理用戶人機界面請求，采用C/S架構(gòu)處理監(jiān)測數(shù)據(jù)采集和告警。采用apache-tomcat 提供穩(wěn)定的客戶端連接和Web訪問。

3.2 服務(wù)端功能實現(xiàn)

服務(wù)端功能包含服務(wù)端配置、添加設(shè)備、配置閾值參數(shù)、配置報警參數(shù)等四大模塊。服務(wù)端頁面見圖4。

圖4 服務(wù)端頁面

（1）服務(wù)端配置

服務(wù)端配置重點是配置好數(shù)據(jù)庫信息，設(shè)置傳感器采集數(shù)據(jù)上傳方式，管理用戶登錄后會默認推送數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)到客戶端。只要服務(wù)端沒有停止運行，客戶端就能實時查看到各設(shè)備信息和報警信息等。對應(yīng)采集層的三個機房區(qū)域數(shù)據(jù)中心、UPS電池室和配電室，分別配置對應(yīng)的機房編碼，并能選擇相應(yīng)的顯示菜單。

（2）添加設(shè)備

添加設(shè)備的流程首先是配置通訊。設(shè)備通訊方式分為串口服務(wù)器、SNMP、COM和OPC四種通訊，一般用得比較多的是串口服務(wù)器和COM口通訊。本文的設(shè)備通訊方式均采用串口服務(wù)器通訊，需要注意的是串口服務(wù)器定義生成的通訊事件ID是根據(jù)流水號生成的，新項目添加時會自動生成流水號，舊項目可能需要手動添加流水號，流水號不可重復(fù)。其次是添加設(shè)備，設(shè)備模板分為普通設(shè)備和門禁設(shè)備，可根據(jù)設(shè)備的類型來選擇相應(yīng)的設(shè)備模板進行添加。

（3）配置閾值參數(shù)

此項主要是對設(shè)備報警條件進行配置，常用配置字段有：報警上限值、上限解除值、報警下限值、下限解除值、報警最大值、最大解除值、報警最小值、最小解除值、波動限值、幅度、保存間隔等。用戶可根據(jù)實際要求來配置閾值參數(shù)，設(shè)定設(shè)備報警條件。

（4）配置報警參數(shù)

配置報警參數(shù)包括配置告警的報警次數(shù)、間隔時間、解除延遲、確認次數(shù)、關(guān)聯(lián)時段、關(guān)聯(lián)報警組、報警聯(lián)動、解除撥打電話、發(fā)短信、發(fā)郵件等，按照需求設(shè)定哪類報警發(fā)生時通知哪些人員組，支持關(guān)聯(lián)多個組。

3.3 客戶端功能實現(xiàn)

客戶端功能包含機房環(huán)境監(jiān)測、動力監(jiān)測、報警管理、數(shù)據(jù)查詢、報表統(tǒng)計等五大模塊，客戶端如圖5所示。

圖5 客戶端首頁

（1）機房環(huán)境監(jiān)測

機房環(huán)境監(jiān)測包括溫濕度監(jiān)測、漏水監(jiān)測、安防監(jiān)測、視頻監(jiān)測和空調(diào)監(jiān)測。

安裝在機房天花板和機柜內(nèi)部的溫濕度傳感器[12]將采集到的機房環(huán)境、機柜和冷通道的溫濕度數(shù)值，通過WEB 頁面以電子地圖的方式直觀地展示出來，設(shè)備管理人員可第一時間了解機柜是否有溫濕度異常。漏水監(jiān)測采用漏水檢測繩對機房內(nèi)易產(chǎn)生漏水的地方比如精密空調(diào)附件進行實時監(jiān)控，漏水感應(yīng)線檢測到有漏水痕跡時就會觸發(fā)漏水控制主機產(chǎn)生報警，并給出漏水的距離。安防監(jiān)測包括門禁系統(tǒng)管理和消防監(jiān)控兩部分。門禁系統(tǒng)管理提供門禁控制，能實現(xiàn)人臉識別、指紋、密碼、雙門及多門聯(lián)鎖功能，也可以設(shè)置不同級別機房管理人員的操作權(quán)限。消防監(jiān)控系統(tǒng)主要利用消防控制箱給出的報警信號，通過開關(guān)量數(shù)據(jù)采集模塊，將消防控制器上的干接點變化信號送到監(jiān)控主機，實時監(jiān)測機房內(nèi)的火災(zāi)情況，并及時告警，從而實現(xiàn)機房無人值守也能實時監(jiān)控消防的工作運行狀態(tài)。動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)完全集成視頻監(jiān)控，實現(xiàn)一體化監(jiān)控，可直接在WEB頁面實時查看視頻監(jiān)控畫面，并對視頻監(jiān)控進行管理?？照{(diào)監(jiān)測主要監(jiān)測精密空調(diào)的工作狀態(tài)和各項參數(shù)指標狀態(tài)。主要是通過精密空調(diào)的接口來獲取相關(guān)信息，當溫濕度出現(xiàn)超標時，可不依賴后臺系統(tǒng)就可以實現(xiàn)聯(lián)動空調(diào)的啟停，同時通過對空調(diào)的啟停狀態(tài)進行檢測，當檢測到空調(diào)的啟停失效則給出相應(yīng)的報警。

（2）機房動力監(jiān)測

機房動力監(jiān)測包括配電柜、UPS和電池組監(jiān)測。

該機房的電源是在低壓變配電房通過市電及油機自動切換后引入總輸入輸出配電柜，1路為動力及照明等供電，1路為UPS供電。配電柜監(jiān)測主要采用兩個電量儀來采集這兩個回路的電量狀態(tài)[13]，可以監(jiān)測到三相相電壓、三相線電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、視在功率等參數(shù)并展示出來。

UPS的通訊協(xié)議接口可以提供UPS當前的供電狀態(tài)、告警信息、和當前運行參數(shù)。動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)通過協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊連接通信接口來獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)?？梢詫崟r監(jiān)測到UPS的輸入輸出三相相電壓、輸入輸出三相線電壓、輸入輸出相電流、有功功率、負載率和報警狀態(tài)等參數(shù)。一旦監(jiān)測到有部件故障或異常時，系統(tǒng)頁面會彈出提示并報警。

該UPS采用160只電池串聯(lián)而成，動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)對每一只電池安裝傳感器模塊來實現(xiàn)電池的電壓、電流、溫度、內(nèi)阻等參數(shù)的實時監(jiān)視。當蓄電池相關(guān)參數(shù)，如蓄電池的單體電壓、單體內(nèi)阻、單體溫度以及蓄電池組的總電壓、單組電池充放電流等參數(shù)超過設(shè)置的閾值時，系統(tǒng)會輸出報警信息。

（3）報警管理

報警管理包括報警等級管理、閾值設(shè)置和報警用戶設(shè)置三大功能。系統(tǒng)具有報警級別管理功能，可區(qū)分多級報警，當系統(tǒng)出現(xiàn)報警時，可根據(jù)不同監(jiān)控對象報警事件而劃分不同的報警等級，包括一般報警、主要報警、次要報警、嚴重報警和緊急報警；閾值設(shè)置可以根據(jù)用戶需求調(diào)節(jié)監(jiān)控設(shè)備的報警上限值和下限值；報警用戶設(shè)置可以把不同人員放在不同的用戶組，這樣不同的報警等級就可以設(shè)置發(fā)給不同的用戶組。

（4）數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢包括歷史記錄、報警記錄和操作記錄。歷史記錄可以查詢到所有安裝傳感器的設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)，包括通過通信接口獲取的設(shè)備的數(shù)據(jù)；系統(tǒng)對所有操作者進行的系統(tǒng)操作均作詳細的操作記錄，包括操作人名稱、所操作的設(shè)備、操作內(nèi)容、操作時間及操作者登錄、退出系統(tǒng)的時間等信息，操作記錄可以以流水號形式進行記錄以便日后查詢，操作過程的記錄讓該系統(tǒng)具有更高的安全性。

（5）報表統(tǒng)計

報表統(tǒng)計包括報表配置、報表查看和報警統(tǒng)計三部分功能。報表配置可以選擇添加某項設(shè)備來配置報表，比如可以單獨選擇溫/濕度或者某臺空調(diào)來做報表；報表查看可以根據(jù)報表配置選擇的報表類型來生成所選時間的報表；報警統(tǒng)計可以看到等級報警統(tǒng)計表、設(shè)備報警統(tǒng)計表和日期統(tǒng)計表等，可根據(jù)需要進行查詢并導(dǎo)出。

4 關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

良好的數(shù)據(jù)庫設(shè)計能給系統(tǒng)帶來安全穩(wěn)定的運行，同時可以面向第三方提供簡單明了的數(shù)據(jù)接口。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫表包括設(shè)備參數(shù)表、事件參數(shù)表、設(shè)備參數(shù)歷史數(shù)據(jù)表、門禁進出表。設(shè)備參數(shù)表中每個設(shè)備參數(shù)都有唯一的參數(shù)ID，每個設(shè)備都是由一系列參數(shù)組成；事件參數(shù)表中每個報警事件參數(shù)都有唯一的事件ID，每個設(shè)備可定義0個到多個事件ID，通過讀取事件參數(shù)表可獲取事件的當前狀態(tài)，是正常還是報警；每個設(shè)備都有一個表用于存儲該設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)，表名由兩部分組成“hisdata”+“設(shè)備ID”，假如溫濕度的設(shè)備ID為K2001，則對應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)庫表名為hisdata_K2001；門禁進出表儲存門禁的各種動作和進出時間。

4.2 網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換

機房內(nèi)的有些設(shè)備，比如UPS和精密空調(diào)可以通過通訊協(xié)議與接口來現(xiàn)實設(shè)備各個工作參數(shù)的實時監(jiān)控，根據(jù)這些設(shè)備廠家提供的通訊協(xié)議，采用RS485 或RS232 作為物理接口接入系統(tǒng)服務(wù)器，并經(jīng)過服務(wù)端的協(xié)議解析來實現(xiàn)信息的采集。UPS 型號不同，通訊協(xié)議也不同，例如OVERTOP UPS采用MODBUS 協(xié)議[14]，用二進制來表示數(shù)據(jù)。協(xié)議幀分為RTU傳輸模式和ASCII傳輸模式，RTU格式字節(jié)包含：1 起始位，8 數(shù)據(jù)位，無校驗位，2 位停止位，總共 11 位。1 起始位，87數(shù)據(jù)位，無校驗位，2 位停止位，總共 10位。

5 結(jié)束語

海南氣象云數(shù)據(jù)中心動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，實現(xiàn)了機房環(huán)境、動力設(shè)備、消防系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控，并能對出現(xiàn)的異常情況進行實時報警。該系統(tǒng)通過傳感器采集數(shù)據(jù)和智能設(shè)備接口協(xié)議轉(zhuǎn)換傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)中心的全面監(jiān)控，不但加強機房設(shè)備安穩(wěn)運行，保障機房安全，還減輕機房管理人員負擔(dān)，降低維護成本，實現(xiàn)了機房無人值守，極大提高了機房管理效率，推動機房管理的智能化、科學(xué)化。

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國家科技支撐計劃課題（2013BAK05B03）；國家自然科學(xué)基金（41365004）；海南省自然科學(xué)基金（2017CXTD014）