面向數(shù)據(jù)中心的實(shí)時溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

梁 波，宋 瑩，王 博，3，郭 建

(1.湘潭大學(xué)材料與光電物理學(xué)院，湖南 湘潭 411105;2.中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100190;3.西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，西安 710049)

1 概述

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模越來越大。當(dāng)前數(shù)據(jù)中心存在局部溫度過高和整體過度制冷的嚴(yán)重問題。局部溫度過高會造成該區(qū)域電路元器件易老化、易出故障等，從而給數(shù)據(jù)中心帶來不能穩(wěn)定、正常的工作等問題［1］。為了避免系統(tǒng)過熱，許多數(shù)據(jù)中心存在過度制冷的問題，給數(shù)據(jù)中心帶來巨大的能量消耗，造成浪費(fèi)，大幅度地提高數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行成本。綠色和平組織評估當(dāng)前全球數(shù)據(jù)中心的功率約310 ×108W［2］，并且功率隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)大而增加。Garter［3］數(shù)據(jù)中心消耗的電能中有1/3～1/2 的被用于制冷。于是設(shè)計通過降低制冷能耗來節(jié)能的作業(yè)或虛擬機(jī)調(diào)度算法成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一［4-5］。對大量服務(wù)器或機(jī)房中若干關(guān)鍵部位溫度的實(shí)時監(jiān)控，為避免數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)局部溫度過熱和過度制冷問題提供依據(jù)，是數(shù)據(jù)中心高效管理必不可少的工作。細(xì)粒度、高頻度的溫度監(jiān)控有利于提供準(zhǔn)確、及時的溫度信息，從而及時預(yù)測、發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心熱點(diǎn)，為數(shù)據(jù)中心進(jìn)行下一步避免由于系統(tǒng)過熱造成的故障和由于空調(diào)溫度設(shè)置過低造成的能耗浪費(fèi)提供支持。因此，設(shè)計多點(diǎn)溫度的高頻實(shí)時采集系統(tǒng)顯得尤為重要。

在溫度采集方面，文獻(xiàn)［6-7］利用熱電偶、熱敏電阻或鉑電阻等溫度傳感器作為溫度器件，再通過測量傳感器兩端的電勢差，間接測量出溫度值，用這種方法測溫占用控制器端口多，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于對多點(diǎn)溫度采集。文獻(xiàn)［8-9］利用總線接口實(shí)現(xiàn)對多點(diǎn)溫度的采集，但由于基于單總線協(xié)議，為了實(shí)現(xiàn)單總線上的可擴(kuò)展性，必須通過標(biāo)識每一個監(jiān)測點(diǎn)的身份，并在每一次通信中使用。各測量點(diǎn)身份的識別操作將會導(dǎo)致大量的通信時間開銷，然而，一方面一個DS18B20 將溫度轉(zhuǎn)換12 位數(shù)字最大轉(zhuǎn)換時間為750 ms，一個下位機(jī)如果連接10 個DS18B20全部采集一次需要7.5 s;另一方面，CPU 是服務(wù)器的主要熱貢獻(xiàn)點(diǎn)，CPU 的溫度又與CPU 的利用率直接關(guān)聯(lián)，在實(shí)際環(huán)境中，CPU 的利用率可以在瞬間上升到100%，測得某些服務(wù)器的出風(fēng)口溫度在1 s 時間間隔中上升的溫度超過1°C。因此，不利于多點(diǎn)的高頻實(shí)時采集。文獻(xiàn)［9-11］中采用一對一的無線傳輸(即一個無線接收端接收一個無線發(fā)送端數(shù)據(jù))，很浪費(fèi)資源，不便于管理。實(shí)際溫度采集中，溫度數(shù)據(jù)之間相關(guān)度高［12］，若不對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)傳輸效率低、無線模塊功耗大，大大縮減了采用移動電源供電時系統(tǒng)的使用壽命。

為了達(dá)到多點(diǎn)高頻實(shí)時溫度采集的目的，本文提出的系統(tǒng)采用上、下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，將STC90C58RD作為系統(tǒng)的控制器、DS18B20 作為溫度采集傳感器、nRF24L01 作為無線通信芯片，從硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計2 個方面對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多點(diǎn)溫度的高頻實(shí)時采集。負(fù)責(zé)溫度的多點(diǎn)采集、采集數(shù)據(jù)的壓縮和發(fā)送，利用單片機(jī)多個I/O 端口，連接多個DS18B20［13］溫度傳感器進(jìn)行多點(diǎn)溫度采集，單片機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮后，由nRF24L01［14］無線收/發(fā)送芯片發(fā)送給上位機(jī);上位機(jī)面向多個下位機(jī)，負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)收集、還原、數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器管理節(jié)點(diǎn)，由單片機(jī)控制nRF24L01 無線收/發(fā)芯片依次接收各下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)還原處理，再由單片機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給服務(wù)器管理節(jié)點(diǎn);在Linux 系統(tǒng)上編寫串口驅(qū)動程序，用于溫度數(shù)據(jù)接收、顯示及將溫度數(shù)據(jù)寫入Mysql 數(shù)據(jù)庫，方便管理及溫度過高報警等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整個系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，控制可靠，管理方便，系統(tǒng)容量大，兼容Linux 系統(tǒng)，易于編程。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)總體框架

本文系統(tǒng)采用一個上位機(jī)對應(yīng)多個下位機(jī)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多點(diǎn)高頻實(shí)時溫度采集，其中下位機(jī)

該系統(tǒng)涉及軟、硬件部分的設(shè)計和開發(fā)，分別從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計角度闡述對于上述上位機(jī)和下位機(jī)部分的設(shè)計思路。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 溫度采集電路

溫度傳感器的選擇，直接決定了系統(tǒng)的溫度采集頻率、測量精度、可靠性和穩(wěn)定性等。由于單片機(jī)的I/O 端口資源有限，為了最大化利用I/O 資源，本系統(tǒng)采用的是美國DALLAS 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20。該傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，能直接讀出被測溫度，不需要進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換占用單片機(jī)的I/O 端口，并可以通過編程實(shí)現(xiàn)9 位～12位的數(shù)字值讀取，提供-55 ℃～125 ℃的測量范圍，分辨度在12 bit 時最高達(dá)到0.062 5°，最大轉(zhuǎn)換時間為75 0ms。在-10°～85°范圍內(nèi)，誤差±0.5°，供電3.3 V～5.5 V，使用微處理器作為控制機(jī)時，可以直接使用I/O 端口驅(qū)動傳感器芯片。但DS18B20 基于單總線協(xié)議，為了實(shí)現(xiàn)單總線上的可擴(kuò)展性，必須通過ROM ID 來標(biāo)識每一個監(jiān)測點(diǎn)的身份，而且對總線上的DS18B20 的操作只能依次進(jìn)行，大大增加了系統(tǒng)的采集周期，不利于多點(diǎn)溫度的高頻實(shí)時采集，但利用單片機(jī)的各I/O 口連接各DS18B20 的電路設(shè)計，比較容易就解決了該問題。

本文系統(tǒng)采用具有高速、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)的STC 單片機(jī)。其中，STC90C58RD［15］內(nèi)部集成了32 KB 閃存和1280BSRAM，比較適合需要存儲大量處理代碼的無線高頻溫度采集系統(tǒng)。用單片機(jī)的P0.0～P0.7，P1.0～P1.7 和P3.0～P3.7 引腳實(shí)現(xiàn)與24 個DS18B20 的連接，即一個I/O 端口分別連接一個DS18B20 溫度傳感器，直接使用單片機(jī)I/O 端口號標(biāo)識監(jiān)測點(diǎn)身份，通過軟件編寫跳過ROM 指令，提高溫度采集系統(tǒng)的采集頻率，溫度傳感器連接電路如圖2 所示。

圖2 溫度傳感器連接電路

另外，DS18B20 的供電方式采用外加電源方式，即DS18B20 的VCC 引腳需接入外部+5 V 電源，以保證I/O 線不需要強(qiáng)加上拉，這樣能提高采集溫度的精度。

3.2 無線接收與發(fā)送電路

為了不占用更多的串口，及便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一收集與管理，本系統(tǒng)采用Nordic 公司推出的高集成的單片無線收發(fā)芯片nRF24L01，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。nRF24L01 為單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4 GHz全球開放的ISM 頻段，最高工作速率為2 Mb/s，片內(nèi)集成了頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，采用高效的QFSK 調(diào)制，抗干擾能力非常強(qiáng)［15-16］。具有126 個頻道，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信的需要，內(nèi)置硬件CRC 校驗和點(diǎn)對多點(diǎn)通信地址控制，只需用少量的外圍器件就能完成無線通信模塊的搭建，同時簡化了射頻電路的設(shè)計。

時鐘晶振采用16 MHz 無源晶振，nRF24L01 可以采用單邊天線或環(huán)形天線，天線的頻率和阻抗必須與射頻芯片匹配，以獲得最大的傳輸功率，減少無效的功率損耗。通常情況下，天線的阻抗為50 Ω 左右，與射頻芯片不匹配，因此，外圍電路接入了電感L1，L2，L3 和電容C5，C6 等器件作為網(wǎng)絡(luò)匹配，并抑制高頻噪聲，nRF24L01 芯片外圍接口電路如圖3所示。

圖3 nRF24L01 芯片外圍接口電路

nRF24L01 芯片與單片機(jī)的接口可以采用I/O直接連接，這樣可以非常方便地與各種高低速單片機(jī)進(jìn)行通信，同時也有利于單片機(jī)與其他端口的通信。本文中nRF24L01 芯片與STC90C58RD 的連接圖如圖4 所示。

圖4 STC89C58RD 與nRF24L01 的連接圖

3.3 串口通信電路

STC90C58RD 單片機(jī)有一個全雙工的串行通信口，單片機(jī)和服務(wù)器之間進(jìn)行串行通信時必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，因為服務(wù)器的串口是RS232 電平，而單片機(jī)的串口是TTL 或CMOS 電平，這里采用MAX232 等系列芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.4 系統(tǒng)供電電路

為簡化電路設(shè)計，統(tǒng)一供電電源，設(shè)計中選用USB 提供5 V;由于nRF24L01 的工作電壓為1.9 V～3.6 V，選用AMS 公司生產(chǎn)的AMS1117-3.3 電源芯片，該芯片將5 V 電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V 電壓輸出、精度在±1%以內(nèi)、穩(wěn)定性高，而且有限制電流和熱保護(hù)的功能。為了防止干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在ASM117-3.3V 芯片的電壓輸入輸出端口并聯(lián)了消噪電容器，nRF24L01 供電電路如圖5 所示，其中C13 和C15 采用10 μF 的膽電解電容器，C14 和C16選用0.1 μF 的陶瓷電容器。

圖5 nRF24L01 供電電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 DS18B20 溫度值的讀取

DS18B20 溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成12 位數(shù)字的最大轉(zhuǎn)換時間為750 ms。為了提高系統(tǒng)對多點(diǎn)溫度的采樣頻率，本設(shè)計中，利用I/O 端口號和下位機(jī)編號的組合唯一地確定監(jiān)測點(diǎn)身份，在對DS18B20 進(jìn)行溫度讀取前，單片機(jī)依次對各溫度傳感器ROM 操作時直接發(fā)送“CCH”跳過指令，無需進(jìn)行器件的身份識別，從而節(jié)省了對每個DS18B20 身份識別的時間;對DS18B20 操作時需要嚴(yán)格遵循其讀寫時序，即對DS18B20 操作時需要保證命令的執(zhí)行時間，可以通過單片機(jī)I/O 端口依次操作各傳感器，即只需要一個延遲時間，就可滿足各個傳感器操作所需的延遲時間，從而節(jié)省采集所需的時間，如溫度傳感器進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換時12 位溫度轉(zhuǎn)換的最大轉(zhuǎn)換時間為750 ms，由于向多個DS18B20 芯片寫入指令是由下位機(jī)MCU 通過一次發(fā)送操作實(shí)現(xiàn)的，因此各個DS18B20 芯片能夠大致在同一時間內(nèi)并行地執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令，所以下位機(jī)MCU 只需要等待一個溫度轉(zhuǎn)換時間750 ms 即可;各I/O 口可以同時控制各DS18B20 的溫度采集操作，而采用“一總線”連接時，對各DS18B20 的操作需依次進(jìn)行，從而將系統(tǒng)的采樣頻率提高到1 Hz。下位機(jī)對溫度采集的流程如圖6 所示。

圖6 下位機(jī)溫度采集流程

4.2 數(shù)據(jù)壓縮

由于數(shù)據(jù)中心的各個關(guān)鍵部件的溫度變化相對比較緩慢，相鄰時刻溫度值的相關(guān)性高，因此可以采用數(shù)據(jù)壓縮處理來減少無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從而提高無線傳輸?shù)男剩瑫r也降低無線發(fā)送/接收模塊的功耗。

在下位機(jī)中，將溫度數(shù)據(jù)用二維數(shù)組根據(jù)溫度傳感器的順序依次保存在下位機(jī)的單片機(jī)緩存中，對于任一個溫度傳感器所采集的數(shù)據(jù)，只需對本次溫度采集中該溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)與預(yù)存的該溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如A 溫度傳感器的溫度采集值與預(yù)存的A 溫度傳感器采集溫度值進(jìn)行比較，如果每對溫度的差值小于所設(shè)定的閾值，則不需要將采集的溫度數(shù)據(jù)傳輸給無線發(fā)送模塊，如果某一對或某幾對溫度的差值大于所設(shè)定的閾值，則把相應(yīng)用此次溫度變化后的溫度值取代原來存儲在緩存對應(yīng)位置中的溫度值，并將變化后的溫度值傳輸給無線發(fā)送模塊，由無線發(fā)送模塊傳輸給上位機(jī)。

在上位機(jī)中，同樣將溫度數(shù)據(jù)用二維數(shù)組根據(jù)溫度傳感器的順序依次保存在上位機(jī)的單片機(jī)緩存中。如果該時刻沒有接收到某下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，用上一次該下位機(jī)傳來的溫度數(shù)據(jù)代替本次的溫度數(shù)據(jù)并傳給服務(wù)器管理節(jié)點(diǎn);如果接收到了某下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，對上一次該下位機(jī)傳來的溫度數(shù)據(jù)更新、上傳給服務(wù)器管理節(jié)點(diǎn)，并重新保存該溫度數(shù)據(jù)。

4.3 無線發(fā)送與接收

本文選用增強(qiáng)型的ShockBurstTM模式。該模式可以使得雙向鏈接協(xié)議執(zhí)行起來更為容易、高效，即發(fā)送方要求終端設(shè)備在接收到數(shù)據(jù)后又答應(yīng)信號，以便于發(fā)送方檢測有無數(shù)據(jù)丟失，一旦數(shù)據(jù)丟失，則通過重新發(fā)送功能將丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù)。增強(qiáng)型的ShockBurstTM模式可以同時控制應(yīng)答機(jī)重發(fā)功能而無需增加MCU 工作量。

增強(qiáng)型ShockBurstTM下的數(shù)據(jù)格式如圖7 所示，在發(fā)射數(shù)據(jù)時自動添加前導(dǎo)碼和CRC 效驗碼，再接收數(shù)據(jù)時自動移去前導(dǎo)碼和CRC 效驗碼。由于節(jié)點(diǎn)一次發(fā)送的有效數(shù)據(jù)寬度最大為32 Byte，而從DS18B20讀出的十六進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)，需要占2 Byte，所以一次最多只能發(fā)送16 個十六進(jìn)制表示的溫度值。下位機(jī)一次對24 個傳感器采集溫度后，通過前后0.5 s的2 次數(shù)據(jù)的傳輸來完成24 個溫度數(shù)據(jù)的傳輸。

圖7 增強(qiáng)型ShockBurstTM模式下的數(shù)據(jù)包格式

nRF24L01 在接收模式下可以接收6 路不同通道的數(shù)據(jù)，每一個數(shù)據(jù)通道使用不同的地址，但是共用相同的頻道。即6 個不同的nRF24L01 設(shè)置為發(fā)送模式后可以與同一個設(shè)置為接收模式的nRF24L01 進(jìn)行通信，而設(shè)置為接收模式的nRF24L01 可以對這6 個發(fā)送端進(jìn)行識別。因此，在代碼中設(shè)置上下位機(jī)數(shù)據(jù)通道的發(fā)送端及接收端的地址，其中發(fā)送端的地址各不相同，接收模塊通過依次匹配各下位機(jī)的地址來建立通信，從而保證了每個下位機(jī)實(shí)時監(jiān)測的情況可以及時地上傳給上位機(jī)。

4.4 上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控

用C 語言編寫Linux 系統(tǒng)下的串口驅(qū)動程序，用于接收單片機(jī)通過RS232 傳來的數(shù)據(jù)，實(shí)時顯示及將數(shù)據(jù)傳遞給Mysql 數(shù)據(jù)庫。溫度顯示部分用不同顏色來標(biāo)識各溫度區(qū)間的溫度值，如對溫度值小于30 ℃的溫度值用綠色顯示，溫度值在30 ℃～40 ℃的溫度值用粉紅色顯示，溫度值高于40 ℃的溫度值用紅色顯示，便于管理人員一目了然地了解各服務(wù)器的實(shí)時溫度監(jiān)控。

5 應(yīng)用實(shí)例

針對實(shí)驗環(huán)境，該系統(tǒng)由1 個上位機(jī)與3 個下位機(jī)組成，通過對硬件電路和軟件的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了同時監(jiān)測多個溫度點(diǎn)、室內(nèi)50 m 范圍內(nèi)、以1 Hz 為采集頻率的溫度采集、無線傳輸、匯總及顯示等功能，具有體積小、精度高、實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高、拓展性好等優(yōu)點(diǎn)。可對服務(wù)器機(jī)箱中關(guān)鍵部位的溫度進(jìn)行實(shí)時測量，從而為基于數(shù)據(jù)中心熱交換效率或能量最小化等綠色計算提供有力的溫度測量工具。

測量溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度計測的真實(shí)溫度的對比如表1 所示，誤差小于0.5℃，滿足高精度的要求。1 個上位機(jī)與6 個下位機(jī)系統(tǒng)，且每個下位機(jī)接24 個溫度傳感器，沒有對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理時的丟包測試如表2所示，其中每次測試時間為10 min，每秒應(yīng)該接收312 Byte 的數(shù)據(jù)，理論接收為187 200 Byte。由表可知10 min 中內(nèi)丟包率小于5%;加入數(shù)據(jù)壓縮，并將閾值設(shè)為0.5 ℃時，減少60%數(shù)據(jù)量的傳輸，極大提高了無線通信的傳輸效率，同時也降低了無線模塊的能耗，延長了系統(tǒng)選用移動電源供電時的使用壽命。

表1 測量溫度與真實(shí)溫度的對比 ℃

表2 丟包測試結(jié)果

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于nRF24L01 的無線多點(diǎn)高頻實(shí)時溫度采集系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)電路進(jìn)行改進(jìn)和對軟件進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)溫度以1 Hz 采集速率的實(shí)時采集與統(tǒng)一收集，同時系統(tǒng)丟包率小于5%，無線傳輸部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸量減少60%。該系統(tǒng)滿足實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)中心溫度的要求，相比其他溫度采集系統(tǒng)，克服了采集溫度點(diǎn)數(shù)目少、采樣及傳輸頻率低、復(fù)雜環(huán)境下布線復(fù)雜、功耗高、不便于監(jiān)控等問題，具有較大的實(shí)際推廣和應(yīng)用價值。

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