基于物聯網的環境狀態監測預警平臺的研究與實現

包拯民等

摘 要：該文闡釋了基于物聯網技術實現機柜小環境在線監測以及提供預警平臺的技術研究與應用。通過研究供電企業在機房日常運維方面存在問題及隱患，并吸取缺乏小環境狀態在線監測預警帶來的經驗和教訓，以現代物聯網技術小環境監測安全的視角，運用先進的機柜小環境狀態安全理論和技術，提出供電公司機柜小環境狀態在線監測預警平臺建設的目標。為供電企業機柜小環境狀態的在線監測和預警機制，提出全面的溫、濕度監測系統解決方案。打造一個包含溫度、濕度、能耗等相關信息的，能全面反應機柜小環境中各類環境指標的在線監測和預警系統平臺。以保障供電企業機房小環境的安全，從而保證供電企業機房設施整體安全。使得物聯網技術能為機房提供先進、安全、高效的對應服務，體現物聯網科技在機房小環境在線監測預警技術方面的作用。

關鍵詞：機柜小環境 供電企業 機房安全 體系架構

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（C）-0168-02

機柜小環境在線實時監測預警及監控，是對計算機性能的穩定發揮，延長計算機使用壽命、確保數據安全性以及準確性的非常重要的保障機制。因為在計算機設備硬件中，使用了大批量的半導體器件、電容器等，在實際生產工作過程中，環境溫度的升高都會對它們的正常工作造成一定的影響，甚至可能會造成其中某些元器件的非正常工作，將進一步導致計算機硬件設備的故障發生。因此，必須嚴格按照各種設備的要求，把溫度控制在設定的范圍之內，同時為了確保計算機安全可靠的運行，除嚴格控制溫度之外，還需要把濕度控制在規定范圍之內，為此，為機柜小環境配備一個實時監測預警的平臺有較大價值的現實意義。

近年來，隨著網絡技術的發展和成熟，公司在大樓內部以及外部都擁有計算機機房。機房平時無人看守，只做定期巡視，因此無法實時監控到機房的狀態變化，帶來一些不必要的損失，對供電公司的工作安全以及工作效率都有極大的影響，因此對計算機機柜小環境實時監測預警有極大的現實意義。基于此類研究調查，基于物聯網技術的機柜小環境在線監測預警平臺應運而生。系統平臺采用物聯網技術中的ZigBee技術傳輸相應的溫度、濕度、功耗等數據參數。這些參數由處理器采集通過ZigBee上傳服務器，用戶在通過訪問服務器來查看或控制相應的設備。在該系統中主要講解參數的采集和怎樣傳輸到服務器。

1 基于ZigBee技術下的無線傳感器網絡及系統構架

機房設備復雜多樣，采用傳統的有線信號的傳輸方式，存在布線困難、維護工作量大、不可移動等缺點。而無線信號的傳輸則擺脫了線纜的束縛，具有安裝周期短、易于維護、擴容能力強等優點，并且組網靈活，無需考慮為新添加的設備鋪設網絡，易于擴展設備后，即可實現遠程監測。綜合上述基于實際情況將設計采用無線信號傳輸的檢測方案。

無線傳感器網絡就是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。

ZigBee可工作在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz3個頻段上，它的傳輸距離在10～75 m的范圍內。作為一種無線通信技術，ZigBee設備非常省電，估算，ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間；而模塊的成本在1.5～2.5美元左右，并且使用是免專利費的；在通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，搜索設備時延30 ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設備信道接入的時延為15 ms。因此此技術適用于對時延要求苛刻的無線控制應用；一個星型結構的網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在最多100個此種網絡， 而且組網靈活，可靠性高，協議采取碰撞避免策略，同時為固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避開了發送數據的沖突。它是一種基于IEEE 802.15.4規范的的短距離、低復雜度低功耗低數據速率、低成本的無線網絡技術。

機房機柜小環境在線實時監測預警系統平臺由一個ZigBee協調器和若干個外接傳感器的終端節點組成。連接溫濕度傳感器的終端節點置于機房各種設備附近，依據程序設定時間定時采集，數據采集結束后，將數據以約定格式打包并通過無線收發模塊發送數到協調器，協調器將接收到的數據通過串口傳輸到客戶管理PC機通過PC機上的基于CVI圖形界面顯示各類設備附近環境的的溫濕度。

2 系統軟件

軟件實施關鍵技術：

（1）串口通信：從傳感器中采集數據，主要是傳感器與基站的相互通信。

（2）MongoDb數據存儲：將串口通信中獲取的數據，經過一定的處理，存儲在MongoDb中，主要采用的是”事件觸發模式”。

（3）Monitor（監聽）：主要功能是實時觀察串口數據，并且還有作為驗證自身程序是否崩潰的”心跳函數”功能。

（4）網頁數據傳輸（WebSocket）：主要功能是pc機器和服務器之間的數據通信方式，這里由于WebSocket相對比較安全，可以不加數據的安全校驗。

（5）定義統一的數據格式：網頁jason數據格式。

主要實現原理：首先部署硬件，這個不需要多說，然后針對每個傳感器的類型，預先為值分配固定數量的條目；其次基站安裝溫濕度監測軟件；當傳感器的數值發生改變時，觸發主動上報功能；再次將傳感器采集的數據，推送給基站；最后基站通過串口通信的方式傳遞到服務器中，然后服務器將獲取到的值存入MongoDB中。

這里為什么要選用MongoDb作為存儲，主要原因有以下方面。

（1）高效的fire-and-forget模式就是只管向數據庫服務器提交數據不等數據庫服務器的回應。

（2）日志功能是幫助在系統Down機的時候恢復數據完整性做的，默認情況下Mongodb是開啟日志功能的。每一個數據庫操作都會先記錄日志，所以當down機重啟動服務器的時候數據庫服務器能夠通過日志文件恢復之前未完成的操作。

（3）Mongodb采用了最新的低成本的橫向擴展模式，相對于傳統的單結點縱向擴展，可以節約成功，而且有更好的可靠性，更好的數據處理性能。

（4）同時pc網頁端和服務器的通信則通過WebSocket來實現（網頁端發送獲取數據的request，基站服務器端則通過數據庫操作來獲取所需的數據，然后進行一定的格式轉化，我們這里將其轉化成了jason格式，然后網頁端獲取response消息，進行網頁的刷新。）這種方式的話可以做到數據正常通信，不過從客戶端來說這種方式效率比較低，因為你不知道什么時候數據更新，所以需要定時去向服務器端發送請求，這樣會降低獲取數據的效率，所以我們這里采用html5的新特性，在基站通過串口向服務器發送信息時，服務器主動向客戶端推送數據請求信息，這樣就大大提高了客戶端的刷新速率。

這里存儲數據庫和推送網頁信息可以同步進行，這樣將大大提高整個工程的運行效率。

3 結語

針對機房機柜小環境在線實時監測預警系統的發展趨勢以及當前機房小環境監測系統的不足，提出了一種全新的基于計算機監控的無線傳感器網絡的無線監測系統。縱觀現代物聯網技術領域，其實有線通信和無線通信都有各自的優勢和局限性，不同的無線通信網絡技術使用場合、環境各異，如何應地制宜選擇合適的系統來解決實際需要的問題是一個重點問題。ZigBee 這種嶄新的無線網絡通信技術的出現，為機房環境無線監測搭建了一個全新的技術平臺。相信它能夠在未來供電公司乃至其他行業發揮其獨有的科技魅力，為社會、國家做出更好的貢獻。

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