基于WSN與Web3D的信息機房環境三維仿真監測

3D Simulated Telecommunication Room Environment Monitoring Based on WSN and Web3D

何　輝1　龔成瑩2　邢敬宏1

(蘭州工業學院信息中心1，甘肅 蘭州　730050；蘭州工業學院電子信息工程學院2，甘肅 蘭州　730050)

基于WSN與Web3D的信息機房環境三維仿真監測

3D Simulated Telecommunication Room Environment Monitoring Based on WSN and Web3D

何輝1龔成瑩2邢敬宏1

(蘭州工業學院信息中心1，甘肅 蘭州730050；蘭州工業學院電子信息工程學院2，甘肅 蘭州730050)

摘要：針對信息機房環境監測的需求，設計并實現了一種基于無線傳感網和Web3D的信息機房三維仿真監測系統。利用JN5148組成的無線傳感網進行數據的采集和通信，通過ARM11實現嵌入式數據網關，采用Web3D技術實現實景的三維仿真監測，解決了傳統方式不易擴展、互操作性差的缺點。實際應用表明，該系統適用于網絡的運維管理工作，便于擴展和管理。

關鍵詞：機房監測無線傳感網三維仿真Web3D嵌入式網關

Abstract：In accordance with the requirements of environment monitoring for telecommunication room, the 3D simulated telecommunication room environment monitoring system based on WSN and Web3D has been designed and implemented. In this system, data acquisition and communication are conducted by adopting the WSN consisting of JN5148; and embedded data gateway is implemented by ARM11; the 3D simulated environment monitoring is realized by using Web3D technology. Thus, the disadvantages of difficult to expand and poor interoperability in traditional method are overcome. The practical application shows that this expandable system is suitable for operation, maintenance and management of the network.

Keywords：Telecommunication room monitoringWireless sensor network3D simulationWeb3DEmbedded gateway

0引言

信息機房作為信息化設備的承載地點，其安全性不僅關系到信息化的正常運行，也關系到設備安全、財產安全以及人生安全。目前,許多單位都擁有不止一個信息機房，這些機房分布在不同的區域和樓宇，特別是一些機房常年無人職守。直觀并高效地對信息機房實施仿真監測就顯得十分必要。

信息機房的環境監測包括對環境溫度、濕度、煙霧、水侵、防盜等參數的監測，尤其對于一些無人職守的機房，當發生由于空調故障導致的室溫超高、設備溫度過高導致的火災、房間漏水等問題時無法及時處理。對于一些機房設備還有必要進行精細化的監測，如對不同的機柜狀態進行分別監測。除專業技術運維人員，非專業的領導者和其他使用者也希望了解信息機房的環境運行情況。這就要求打破傳統的監測方法，以更為直觀、友好的界面將機房環境運行狀態傳遞給用戶。

針對這些問題和需求，本文將無線傳感網(WSN)應用在機房環境的監測中，在Web上通過三維仿真的方式對信息機房環境狀態進行實時監測。相對于傳統的信息機房環境監測，基于無線傳感網的三維仿真環境監測具有更多的優點：①傳感節點之間使用無線通信，無需布線，不用改造原有的網絡線路，節點集成了傳感數據采集、數據處理和通信功能；②WSN具有自組織和大規模性的特點，可以對機房環境進行分布式處理，甚至可以對每個機柜進行監測，可以動態添加節點，有利于后期擴展，傳感節點具有較低的購買成本[1]；③在Web上用三維方式仿真信息機房實景環境狀態，界面直觀，便于觀察。

1系統設計

系統結構框圖如圖1所示。系統分為三個部分，即利用無線傳感網的機房環境監測部分、嵌入式網關部分、基于Web3D的三維仿真系統部分。機房環境監測部分利用各類傳感器件對機房及機柜的環境狀態進行采集，用無線傳感網進行數據通信；采集到的數據通過WSN協調器節點傳送到嵌入式網關，并由嵌入式網關處理后傳送到三維仿真系統服務器；在服務器端進行機房環境的三維仿真顯示。

圖1　系統結構框圖

1.1　機房環境狀態感知

根據信息機房的環境特點，利用各類傳感器進行環境狀態的感知(數據采集)。傳感器節點部署在機柜內部及機房的關鍵部位，以采集局部環境狀態信息。系統使用SHT10進行溫濕度采集，采用MQ-2進行煙霧狀態采集，其他傳感器根據實際需求進行配置。傳感器盡量選擇具備數字式接口的傳感器件，如Sensirion公司的SHT系列數字式溫濕度傳感器等。部分模擬傳感器需進行信號的處理后送入無線傳感節點，氣敏式煙霧傳感器MQ-2的信號還需電路調離。MQ-2信號處理電路如圖2所示，信號經過運放電路處理后送入JN5148無線節點。

圖2　MQ-2信號處理電路

1.2　無線傳感網構建

WSN由部署在信息機房監測區域內諸多的傳感器節點組成，傳感節點通常包含傳感器、嵌入式處理器和無線收發模塊。WSN節點以自組織、多跳的方式構成無線傳感器網絡，無線傳感網通過節點間的協同工作來采集和處理網絡覆蓋區域中的狀態信息。WSN具有規模大、自組織性、動態性、可靠性和以數據為中心等特點[2]，其典型的網絡結構如圖3所示。

系統采用恩智浦公司的JN5148無線傳感節點進行設計。JN5148面向低功耗無線網絡應用，片內包含一個增強型32位RISC處理器和IEEE 802.15.4收發器；通過可變寬度指令實現高編碼效率，通過可編程時鐘速度和各種睡眠模式實現低功耗運行。JN5148包括128 kB的ROM、128 kB的RAM以及各種模擬和數字外設組合。JN5148可以同時運行ZigBee PRO網絡協議棧或恩智浦的專有JenNet網絡協議棧。JN5148的工作電流小于18 mA，允許直接使用鈕扣電池工作。JN5148附加上M04高功率模塊后可以實現可視距離1.6 km的數據傳輸范圍。另外，JN5148對2.4 Gbit/s傳輸網沒有干擾，采用DES128位加密[3]。

由傳感器采集到的數據經JN5148處理后形成數據包，數據包傳向自組網后(采用ZigBee PRO協議)的Router節點。Router路由節點同時采集自身傳感信息，并將所接收到的數據傳向上級Router節點或者Cordinate中心節點，Cordinate節點最終將數據送入嵌入式網關。

圖3　WSN典型結構

1.3　嵌入式網關

無線傳感網Cordinate中心節點與ARM11嵌入式網關(以S3C6410為基礎的ARM11構建)通過串口連接，以115 200 bit/s的高波特率交換數據；也可以使用JN5148的SPI接口進行通信。如果選擇使用SPI接口，須將Cordinate節點作為SPI從設備，ARM11作為SPI主設備，實現高速的數據傳輸。ARM11接收到數據后，以圖表或曲線的形式在LCD屏上顯示節點溫濕度。嵌入式網關與Web服務器建立Socket連接，通過IP網絡將數據發送到服務器端[4]。

1.4　服務器端設計

服務器端接收到嵌入式網關通過IP網絡送來的Socket數據后，進行數據處理、數據顯示和數據存儲。機房環境狀態數據最終以三維仿真的方式顯示在用戶瀏覽器端。

1.4.1Socket數據通信與處理

Web服務器端用C#語言實現負責進行Socket通信的DLL程序，運行時需要在IIS服務器中進行注冊。該DLL實現服務器與嵌入式網關的Socket通信，采用Modbus通信協議[5]。

Socket基本通信格式及每一部分所占字符數如表1所示。

表1　Socket通信數據格式

Modbus協議的ASCII模式，用符號“:”(ASCII值為3AH)指示信息開始，回車換行符CRLF(ASCII值為OD 和 OAH)表示信息結束。錯誤校驗碼為 2 個 ASCII 字符，校驗字符采用縱向冗余校驗(LRC)計算。

1.4.2Web3D三維仿真的實現

Web3D即網絡三維，在虛擬現實技術的基礎上，通過虛擬的三維立體展示及互動瀏覽操作對信息機房的環境進行展示。相比數據在Web上的其他展示方式而言，Web3D使用戶具有瀏覽的自主感，并能以自己的角度對信息機房環境進行觀察和互動操作。根據信息機房環境仿真檢測的需求和Web3D技術的開發資源，系統從眾多的Web3D技術中選擇Flash3D技術進行開發，開發框架采用TWaver3D[6]。

TWaver3D作為一種前臺三維UI解決方案，其簡化了3D模型的創建，處于MVC(其中M代表模型，V代表視圖，C代表控制器)開發模式的View(視圖)層(如圖4所示)。它提供了多種基本原型，包括立方體、圓錐體、球體、圓角立方體、多邊形體、平面、圓柱體、直線、合體場景、球形場景等，支持多種渲染方式，支持陰影效果和多種3D格式的導入；同時，提供了一套可視化的建模工具，通過編輯器可以快速創建出信息機房的3D實景圖[7]。

圖4　Web3D層次結構

① 3D場景

簡便起見，利用編輯器設計三維場景，仿照真實機房場景。設計好的3D場景保存在XML文件中，為每個對象建立ID標志屬性BID。3D場景中還包含了地板、墻壁、機柜和其他對象，場景XML文件中定義了對象的位置、大小、立體面貼圖(用來渲染機柜)等屬性。

② 3D對象的引用

利用DIB屬性為建立好的三維場景添加引用，將被監控信息映射到3D場景，以便在程序中進行調用，并可以改變三維對象的外觀顏色、告警狀態等特征。

③ 場景控制與鼠標交互

場景控制包括對象的相對位置、觀察視角、比例縮放等。鼠標交互指3D場景和3D對象對鼠標事件(單擊、雙擊、拖動等)的偵聽。這些功能都可以利用Twaver3D的系統函數或自定義函數實現。

④ 后臺數據的獲取

系統的前臺使用Flex(Flash)開發，Flex與后臺.NET中編寫的DLL要進行數據通信，這樣才能將環境狀態信息反映到三維場景上。當環境狀態發生變化或者告警時，改變3D對象的外觀狀態(如顏色)，鼠標點擊3D對象可以觀察到環境狀態的具體數據。常見的通信方式有WebService、HTTPService、URLLoader、FluorineFx等方式，這里采用FluorineFx的AMF協議。該協議比基于HTTP、WebService的SOAP通信方式效率更高。

⑤ 利用Twaver3D實現的機房三維環境

在三維場景中仿真出信息機房的機柜，用三維對象外觀顏色的變化反映機柜的當前溫度。鼠標拖動場景，轉動場景，改變觀察視角，進行全方位的觀察。雙擊三維對象可以拉近、放大；單擊三維對象,可打開該對象上無線傳感節點采集到的環境狀態。

1.4.3機房環境對象狀態顯示

利用Web組態實時顯示被測對象的狀態值和變化曲線。有兩種方案可供選擇，一種是定時從后臺獲取傳感器數據，另一種是后臺收到數據后直接向瀏覽器端推送數據。前者是傳統的B/S模式中Request請求和Response響應方式，需要不斷刷新頁面；后者無需刷新頁面即可顯示數據，用戶友好度較好。系統采用了后者，利用支持Flex的實時消息傳送協議(real-time message protocol,RTMP)[8]。運行界面狀態曲線如圖5所示。

圖5　狀態曲線

2結束語

本文針對信息機房管理的需求，利用無線傳感網(WSN)節點實現機房環境狀態的采集，構建可以自組網、多跳、便于擴展的傳感數據通信網絡，解決了機房內多點狀態采集和數據處理的問題。采用ARM11設計無線傳感網的嵌入式網關，處理高效，接口豐富；利用Web3D技術實現信息機房實景環境的三維仿真，解決了傳統機房監測手段不夠直觀和互操作性差的問題。

限于篇幅，短信告警等一些功能在文中未予介紹。另外，利用Web3D還可以進一步將機柜內部的設備狀態(如接口狀態、流量狀態)進行三維仿真顯示，做到機房環境和網絡設備的同時仿真監測，這也是下一步將要研究的重點。

參考文獻

[1] 胡愛娜,蔡曉艷.WSN在配電房環境安全健康中的應用[J].山東輕工業學院學報:自然科學版,2011,25(4):81-84.

[2] 黃緒勇,苗世紅,劉沛.基于無線傳感器網絡的配電線故障監測的可行性研究[J].繼電器，2008,36(8):11-15.

[3] 甘志強,楊志勇,王科.基于JN5148組建無線傳感器網絡的研究與實現[J].氣象水文海洋儀器，2013(1):28-31,35.

[4] 趙雙萍,邢敬宏,何輝.多路通道無線傳感網絡測控系統的研究[J].自動化儀表，2012(5):35-37.

[5] 郭少華,李曉林,李麗宏.基于Modbus/TCP協議和ASP.NET技術的遠程網絡監控系統[J].電子設計工程，2011,19(3):21-24.

[6] ServaSoftware.TWaver3D[EB/OL].[2014-08-02].http://www.servasoftware.com/.

[7] 柴清,何輝,龔成瑩.基于Web3D的IT運維三維仿真監測系統[J].自動化與儀器儀表，2013(5):143-144.

[8] 何輝,龔成瑩,邢敬宏.一種新型家用遠程健康監測系統的設計[J].工業儀表與自動化裝置，2012(3):34-36.

中圖分類號：TH81;TP393

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508013

甘肅省科技支撐計劃資助項目(編號：1204GKCA043)；

甘肅省高等學校研究生導師科研計劃資助項目(編號：2013B-097)。

修改稿收到日期：2015-01-08。

第一作者何輝(1978-)，男，2010年畢業于蘭州交通大學交通信息工程及控制專業，獲碩士學位，副教授；主要從事計算機測控領域的研究。