基于無線傳感網的機房環(huán)境監(jiān)測預警系統

陳雁冰， 華煒聰

(1.福建師范大學福清分校電子與信息工程學院， 福建福州 350300； 2.中國移動通信集團福建公司， 福建福州 350000)

基于無線傳感網的機房環(huán)境監(jiān)測預警系統

陳雁冰1， 華煒聰2

(1.福建師范大學福清分校電子與信息工程學院， 福建福州 350300； 2.中國移動通信集團福建公司， 福建福州 350000)

蜂窩移動通信網絡有大量的接入層機房. 與數據或核心機房相比， 其重要性不高、 面積小、 可替換性高， 甚至有些機房沒有完備的環(huán)境監(jiān)控系統. 但此類機房溫濕度等數值一旦超標， 將影響其中設備的運行和使用壽命. 筆者針對此問題設計了一套低成本、 易運維的環(huán)境監(jiān)測預警系統. 該系統中， 單個機房內采用ZigBee無線傳感網進行數據匯集， 之后通過NB-IoT或GSM網絡發(fā)送到監(jiān)控端. 監(jiān)控端通過對數據的處理， 實現機房環(huán)境的監(jiān)控和預警. 經驗證， 該無線傳感網可在無線環(huán)境復雜的機房內有效通信. 整個系統部署快、 維護簡單， 可有效監(jiān)測相應機房的溫濕度變化， 從而提高相關設備的運維質量， 改善網絡穩(wěn)定性.

ZigBee; 機房; 環(huán)境監(jiān)測; 無線傳感器網絡; 網絡運維

0 引言

隨著移動互聯網的高速發(fā)展， 社會對通信的要求越來越高. 伴隨著的是大量通信設備機房的建設和維護. 機房的密閉性很強， 其設備會產生大量的熱量， 所以需要相應的制冷設備進行冷卻. 冷卻所消耗的電力通常占了機房總消耗電能的35%～45%[1-2]. 對于核心設備機房、 數據中心等大型機房而言， 不但有專業(yè)的精密空調和風道組成完善的冷卻系統[3]， 而且通常有人值守. 但對于大多接入層、 匯聚層的中小機房， 由于成本、 設計、 樓宇承重、 租賃周期等多方面原因， 冷卻系統并非完善， 一般由幾臺民用空調組成， 其平均無故障時間(MTBF)通常為1～3萬小時， 與10～20萬小時MTBF的專業(yè)精密空調相比， 其穩(wěn)定性達不到全天候不間斷運行的需求[4-6]. 一個冷卻失效的中小通信設備機房， 其溫度將在1小時內上升至35攝氏度以上； 對于部分外墻被陽光直射的機房， 在極端條件下甚至將達到60攝氏度左右. 設備在高溫環(huán)境下運行， 將大大縮短其壽命， 并隨時會發(fā)生故障， 導致通信服務中斷.

為確保穩(wěn)定運行， 部分通信設備配有環(huán)境監(jiān)測模塊， 但由于設備接口有限， 僅能監(jiān)測少數設備， 其中門禁、 制冷等通常只有一個接口， 作用有限. 筆者曾在某運營商網絡部就職， 每年夏季頻繁發(fā)生機房制冷失效， 但因無法及時監(jiān)控， 直到影響設備性能時才發(fā)現情況. 此外， 南方地區(qū)濕度大， 門窗意外開啟、 制冷失效等還會導致機房內濕度增大， 進而影響電子設備壽命. 因此， 有必要引入低成本、 靈活、 較全面的溫度檢測系統， 以對原有測溫系統進行補充.

1 系統總體方案

1.1 技術方案

機房環(huán)境監(jiān)測主要針對溫濕度， 考慮到功耗、 成本和安裝空間， 本系統采用集成度高的半導體式傳感器方案. 由于機房屬于強電磁干擾環(huán)境， 監(jiān)控系統本應采用有線通信的方式進行數據的傳輸， 但機房布線施工、 取電等都有嚴格的管控， 且難以做到靈活布放監(jiān)測點， 因此本系統傳感網內通信采用低速的基于ZigBee的無線傳感網絡方案[7].

1.2 系統需求

據統計， 福建省有此類監(jiān)測需求的機房面積通常在50～200平米， 制冷的出風口數量通常有1～5個， 動力(電源)、 傳輸、 通信設備機柜總數有20～50個. 為了實現較好的監(jiān)測效果， 在制冷出風口附近、 不同類型的設備群四周及內部都進行監(jiān)測節(jié)點的布放， 外加部分冗余節(jié)點， 通常一個機房需要20～100個傳感節(jié)點.

1.3 系統設計

ZigBee的組網方案由一個協調器(coordinator)， 若干個路由器(router)以及終端節(jié)點(end)組成， 節(jié)點間無障礙傳輸距離在100米以上[8]. 其中除了終端節(jié)點可進入休眠模式外， 協調器和路由器必須持續(xù)工作. 因此， 在長期無人值守的應用場景中， 協調器和路由器必須常電供電. 而設備機房的面積一般不大， 除設備和機架外， 內部很少有墻體. 因此， 該場景中， 可減少甚至取消路由器節(jié)點， 由協調器直接接收終端節(jié)點的數據， 并通過設備或蜂窩通信網絡將數據回傳給監(jiān)控中心. 該系統示意圖如圖1所示. 由于機房內僅一兩個節(jié)點(協調器和路由器)需外部取電， 終端均可采用電池供電并實現長續(xù)航， 這樣傳感節(jié)點的部署便十分靈活.

圖1 系統示意圖

2 硬件設計

在硬件設計上， 本系統采用了德州儀器(TI)公司的CC2530芯片作為無線傳感網(WSN)的核心. 這是一個片上系統， 集成了2.4GHz的射頻前端、 高效能8051微控制器等. 在射頻模塊工作時， 芯片輸入電流不超過30mA， 休眠狀態(tài)工作電流為1μA左右[8].

傳感網絡中的節(jié)點從硬件功能上可以分為兩類. 路由節(jié)點和終端節(jié)點除供電方式不同外， 其他一致. 協調器雖然更接近于路由器節(jié)點， 但在硬件上需要連接上位機， 因此需要增加額外的通信模塊. 無線傳感網節(jié)點硬件框圖如圖2所示. 其中圖2(a)為終端和路由器節(jié)點， 區(qū)別在于路由器采用外接電源， 終端節(jié)點用2節(jié)AA電池進行供電； 圖2(b)為協調器節(jié)點， 由外接電源供電， 并具有廣域網通信模塊. 協調器作為數據匯聚和回傳節(jié)點， 對本機房內所有無線節(jié)點進行管理， 匯總傳感數據， 并通過廣域通信模塊回傳給后臺監(jiān)控端. 出于小型化考慮， 無線節(jié)點的2.4GHz天線均采用PCB印刷天線的設計.

2.1 廣域通信模塊

由于蜂窩通信系統的網管有嚴格的準入要求， 未通過相應安全測試的設備不可直接接入， 因此本系統無法使用通信設備內部網絡的回傳數據. 目前， 面向廣域物聯網的NB-IoT技術適合用于數據的回傳， 但目前僅在國內部分城市核心區(qū)域試點部署， 尚未大范圍覆蓋， 因此本系統采用NB-IoT和GSM網絡兩套回傳數據方案. 采集的數據由匯聚節(jié)點通過相應的通信模塊回傳給后端監(jiān)控系統. GSM模塊采用安信可公司的GPRS A6模組， NB-IoT方案則采用上海移遠的BC95-B8模塊進行設計， 二者和CC2530之間都采用TTL電平和通過UART接口通信.

2.2 溫濕度傳感模塊

本系統中溫濕度信號采集采用TI公司的HDC1080芯片. 該芯片功耗極低， 以11位精度同時測量溫度和濕度時， 整體工作電流不超過1.5μA， 在休眠狀態(tài)時平均電流僅為100nA. 此外， 該傳感器的溫度和濕度測量精度分別為±0.2°C和±3%， 符合使用需求[9]. 為實現測溫節(jié)點的小型化， 測溫模塊和其他元器件設計在同一塊PCB電路板上. HDC1080與CC2530之間采用I2C接口進行數據通信.

圖2 無線傳感網節(jié)點硬件框圖

2.3 電源模塊

節(jié)點的供電方式有電池和外接穩(wěn)壓電源兩種. 輸入電源都需接入CC2530的模擬輸入模塊， 以便系統進行終端電源管理. 此外， 考慮到電池、 外接電壓都可能存在電壓波動， 因此對于溫濕度傳感器模塊、 CC2430片上系統的供電都需進行穩(wěn)壓. 本系統的數字電路采用3.3V的工作電壓， 而電池、 外接電源的電壓正常在2.5～5V之間. 因此， 本系統使用明和科技的MH5333超低功耗穩(wěn)壓芯片， 可將12V以內的輸入電壓穩(wěn)定為3.3V輸出.

2.4 其他外圍元器件

無線傳感節(jié)點硬件設計中， 除了相關芯片的常規(guī)外圍電子元器件外， 本設計中還包括了一個3位撥碼開關， 用于標識傳感節(jié)點的安裝位置. 在節(jié)點安裝時， 由施工人員根據安裝位置和監(jiān)測對象， 將開關設置進行相應設置， 并由系統讀取發(fā)送給監(jiān)控端， 以進行自動登記. 開關狀態(tài)和安裝位置對應關系設置如表1所示. 其中對于較大的機房， 可將空調按相鄰關系分為兩組監(jiān)控制冷情況. 由于匯聚機房通常與接入網基站共站， 因此除了傳輸設備、 配電設備， 還加入了接入層設備標識. 此外， 機房的門窗附近也可部署傳感節(jié)點， 作為門窗開關狀態(tài)的輔助監(jiān)控手段.

表1 傳感節(jié)點的撥碼-安裝位置對應表

3 軟件設計

該系統的軟件設計分為上位機監(jiān)控端軟件設計和下位機無線節(jié)點軟件設計兩部分. 通過軟件設計， 需要實現的功能有：

1)節(jié)點開機后能在后臺監(jiān)控端自動注冊登記， 并根據撥碼開關的設定， 自動備注安裝位置.

2)傳感節(jié)點定期對溫濕度進行測量， 并最終匯總到后臺監(jiān)控端進行存儲. 若溫度滿足某個自定義的條件， 如有上升趨勢或高于某一門限， 監(jiān)控端還應產生告警.

3)監(jiān)控中心可下發(fā)指令給各機房的測溫網絡， 實現對部分機房溫濕度進行即時更新、 修改溫濕度檢測頻率等.

3.1 無線節(jié)點軟件設計

無線節(jié)點的軟件設計基于TI公司的開源 Zigbee協議棧 Z-Stack-CC2530， 該協議棧提供了可靠高效的 Zigbee 協議實現方法. 在此協議棧的基礎上， 通過IAR Embedded Workbench 開發(fā)工具對協議棧提供的操作系統編寫添加相關的任務. 由于協調器、 路由器、 終端節(jié)點的功能各不相同， 因此具體執(zhí)行的任務也有所區(qū)別.

協調器節(jié)點上電后將創(chuàng)建網絡， 而路由器和終端節(jié)點上電后則搜索可用網絡并加入. 由于節(jié)點還需要向后臺監(jiān)控端登記注冊， 因此在加入網絡后、 進入任務調度系統前， 需額外添加一個向后端發(fā)送注冊報文的初始化任務. 該報文須包含： 報文類型、 節(jié)點類型、 節(jié)點網絡地址、 安裝位置類別、 節(jié)點從屬關系和電池電壓值等信息. 其中安裝位置與前文提及的撥碼開關有關， 從CC2530相關接口讀取. 路由器和終端節(jié)點將各類報文發(fā)給所在網絡的協調器， 由其將報文重新封裝， 通過UART接口發(fā)送給廣域通信模塊.

終端節(jié)點的流程如圖3(a)所示， 加入網絡后， 每隔一定時間自我喚醒， 維護網絡并接收數據， 并根據需要執(zhí)行傳感器讀寫、 數據處理和發(fā)送等任務. 喚醒周期有兩個， 一個較短， 默認設為30秒， 用于接收并處理上位機下發(fā)的指令； 另一個周期較長， 是上一個周期的整數倍， 默認為180秒. 而路由器和協調器并無休眠功能， 它們的流程如圖3(b)所示， 不斷輪詢任務列表， 執(zhí)行溫濕度測量、 網絡維護、 節(jié)點管理、 數據分組轉發(fā)、 電源管理等任務. 其中協調器除了與無線傳感子節(jié)點通信外， 還不斷通過廣域通信模塊與后臺監(jiān)控端計算機通信， 將各類報文回傳.

3.2 監(jiān)控端軟件設計

監(jiān)控端軟件開發(fā)基于Visual Studio 2008和.net framework開發(fā)環(huán)境. 監(jiān)控端通過網路通信， 主要實現的功能包括： 注冊登記每個入網的傳感器節(jié)點、 存儲收到的溫濕度數據、 分析處理相應的數據和輸出必要的信息到界面上. 整個系統軟件結構框圖如圖4所示. 該系統通過互聯網傳輸數據， 監(jiān)控端需配置一主一備兩個固定的公網IP地址， 并固定收發(fā)端口， 用于接受各機房協調器通過互聯網發(fā)來的

圖3 無線測溫節(jié)點軟件流程簡圖

圖4 監(jiān)控端系統結構框圖

報文. 由于通信方式獨立于運營商設備的內部網管網絡， 且機房側的節(jié)點只有傳感器、 單片機等底層設備， 安全威脅的可能性很低， 因此只需在后端監(jiān)控的互聯網接口處部署防火墻， 以確保數據安全.

4 部署與測試

通過進行相關的方案優(yōu)化， 該系統安裝難度較低， 機房管理人員只需登記協調器MAC地址與放置機房的對應關系并記錄到后臺， 而現場安裝人員只需將節(jié)點安裝位置類別準確地通過撥碼開關進行設定即可. 在各節(jié)點開機后， 后端將根據回傳的報文， 自動注冊所安裝機房全部無線節(jié)點相關信息. 相關管理主界面如圖5所示， 其中左側顯示了三個測試機房節(jié)點的樹狀列表； 中間區(qū)域是當前選中節(jié)點的信息； 右側區(qū)域是該機房下屬傳感節(jié)點的列表信息.

圖5 監(jiān)控端管理主界面

注： 涉及移動通信網絡內部信息部分已做模糊處理

該系統易于維護. 據實驗測算， 兩節(jié)AA電池供電的終端測溫節(jié)點可正常待機1.3～2年， 后臺也可監(jiān)控供電電壓情況. 在維護時若斷電更換電池， 重新開機后會通過檢測電池工作電壓并上報， 后端可根據電壓的前后變化判斷出是否更換電池， 并進行自動記錄， 無需手動記錄.

由于接入、 匯聚層機房設備多樣， 如射頻單元、 基帶處理單元、 傳輸設備等， 都有工作在1GHz～3GHz左右的頻率上， 其泄漏出來的信號， 以及其諧波造成的三階互調干擾有可能會落在WSN工作所在的2.4GHz頻率附近. 通過系統驗證發(fā)現， 在機房中WSN通信的丟包率確有所略微上升， 但實際影響并不明顯， 系統仍可正常通信.

5 結論

針對移動通信網絡中的中小型非核心機房， 本文設計了一套環(huán)境溫濕度WSN監(jiān)測系統， 利用運營商的NB-IoT網絡和GSM網絡進行數據回傳. 系統具有部署維護簡便、 成本低廉、 擴展性較強等特點. 之后通過實驗性部署驗證， 實現了對機房的有效環(huán)境監(jiān)測， 提高了網絡設備維護效率， 更好地保障了移動互聯網的用戶體驗. 此外， 經過一些改動， 該系統還可廣泛應用于高校的設備機房、 倉庫等區(qū)域.

[1] 鄭躍波. 精密機房空調機冬季制冷節(jié)能運行的探討[J]. 流體機械, 2016, 44(4): 80-82.

[2] 楊嵐欽. 中國互聯網數據中心市場2013-2017年預測與分析[DB/OL]. (2013-08-29)[2017-5-28], https://www.idc.com.cn.

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[9] Texas Instruments. HDC1050 Low Power, High Accuracy Digital Humidity Sensor with Temperature Sensor[DB/OL].(2015-12-06)[2017-5-28]. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/hdc1050.pdf.

The Environmental Monitoring and Alarming System of Server Room Based on WSN

CHEN Yan-bing1, HUA Wei-cong2

(1. College of Electronic and Information Engineering, Fuqing Branch of Fujian Normal University, Fuzhou 350300, China; 2. CMCC Fujian Branch, Fuzhou 350000, China)

Cellular mobile communication networks have a large number of access layer server rooms. Compared with the data or the core room, it’s less important, smaller, more often relocated, and some have no complete environmental monitoring system. Such room’s temperature control once is abnormal, which will affect the operation and life of the device. A low-cost, easy-to-use environmental monitoring and warning system is designed to solve this problem. In this system, a server room using ZigBee WSN for data collection, and then through the NB-IoT or GSM network sent to the monitoring side. By data processing, the terminal can monitor and alert the server room environment. It is verified that the WSN in the system can communicate effectively in the environment with wireless interference. The whole system is fast to deploy, easy to maintain, can effectively monitor the corresponding rooms’ temperature and humidity changes, thereby improving the maintenance efficiency of related equipment as well as network stability.

ZigBee; server room; environmental monitoring; WSN; network operation and maintenance

TP274+.2

A

1009-4970(2017)11-0047-05

2017-06-05

福建省教育廳中青年教師教育科研項目(JAT170681)

陳雁冰(1984—)， 男， 福建福清人， 碩士， 助教. 研究方向： 無線通信、 網絡架構、 數據處理.

[責任編輯 徐 剛]