基于WSNs的機房溫控系統設計與實現*

董惠良， 王正敏， 姜學峰， 劉 偉， 毛科技， 夏 明

(1.浙江中煙工業有限責任公司，浙江 杭州 311200； 2.浙江工業大學 計算機科學與技術學院，浙江 杭州 310032)

基于WSNs的機房溫控系統設計與實現*

董惠良1， 王正敏1， 姜學峰1， 劉 偉1， 毛科技2， 夏 明2

(1.浙江中煙工業有限責任公司，浙江杭州311200；2.浙江工業大學計算機科學與技術學院，浙江杭州310032)

為了有效監控機房內溫度情況，在機房內和設備內部署一定數量的傳感器節點，采集并發送設備溫度和環境溫度信息至控制系統，利用Kriging算法模擬出機房內溫度的分布情況并直觀地展現在界面中，同時控制系統實時監測溫度信息，當機房溫度過高時，系統自動啟動通風板和空調降溫，當機房溫度異常高時，系統向管理人員發出警報。

無線傳感器網絡； 機房溫控； Kriging算法； 控制系統

0 引 言

隨著信息化技術的不斷發展，機房逐漸成為一個企業的數據中心和業務中心，電子設備長時間的運行會導致機房內溫度不斷升高，造成安全隱患[1～4]。由于機房內的環境不適合機房管理者24h值守，因此,設計一種機房溫控系統至關重要。文獻[5～9]研究了利用無線傳感器網絡(wireless sensor networks,WSNs)采集機房內溫度信息，解決了傳統監控系統布線復雜的問題。在軟件方面，圖形化界面直觀地展示機房內的溫度情況[10]，便于更好地實現機房安全管理。然而目前的研究成果大多數只關注機房內環境的溫度，并未考慮具體設備的溫度，而機房內設備的負載不均衡，極易導致某些設備溫度過高而損壞，而溫度監控系統無法及時發現。

本文設計了一種基于WSNs的機房溫控系統，在機房環境和設備內部署溫度傳感器節點，采集機房環境和設備內的溫度，在核心應用層利用Kriging算法插值預測整個機房環境的溫度分布情況，并利用顏色區分溫度的高低，方便機房管理者直觀觀察機房內溫度分布情況，當機房溫度超過一定閾值時，系統自動開啟空調和新風機，降溫，當出現異常情況時，系統自動撥打機房管理者電話，警報。

1 系統設計

系統主要分為硬件和軟件兩部分，硬件部分主要包括制冷設備(機房空調、新風機等)、傳感器節點；軟件部分主要包括系統核心應用層。系統的總體框架如圖1所示，工作流程如圖2所示。

核心應用層包括4大模塊，分別為數據接收與處理模塊、機房溫度分布預測模塊、溫度異常監控模塊以及GPRS電話警報模塊，每個模塊的具體功能如下：

1)數據接收與處理模塊：通過與上位機相連接的Sink節點接收溫度傳感器采集的數據，并通過串口方式發送至控制終端進行數據處理。

2)機房溫度分布預測模塊：利用已部署傳感器節點采集的溫度數據對未部署傳感器節點的位置溫度值進行插值預測，并通過顏色直觀地在系統界面中顯示出機房內溫度的分布情況。

3)溫度異常監控模塊：主要分析機房內的溫度是否超過正常范圍，如果監測到溫度過高，則調動制冷設備進行降溫，如果溫度超過警戒線，則向GPRS模塊發送警報指令。

4)GPRS警報模塊：收到溫度異常監控模塊的警報指令后自動呼叫機房管理者手機，進行預警。

1.1 傳感器節點設計

傳感器節點的框架如圖3所示，主要包括四大模塊：Sht11溫度傳感器、Msp430主控、CC2420無線通信模塊和電池模塊。

圖3 傳感器節點框架

Sht11數字溫度傳感器主要負責機房環境和設備的溫度采集，與主控之間通過I2C總線進行數據交換；Msp430單片機是傳感器節點的主控，主要負責采集Sht11溫度傳感器的數據并將數據通過串口發送至CC2420無線通信模塊；無線通信模塊CC2420為符合IEEE802.15.4標準的射頻收發器，工作于2.4GHz頻段，具有低功耗等特點；電池模塊采用電壓為5V的鋰電池，主要負責為硬件設備供電。

1.2 核心應用層設計

主要包括三大模塊：機房溫度分布顯示模塊、機房整體溫度變化模塊、設備溫度展示模塊。機房溫度分布顯示模塊利用顏色區分溫度高低，直觀顯示機房內溫度的分布情況。由于傳感器網絡部署在機房內的數量有限，因此，在未部署傳感器節點的位置，利用Kriging插值算法進行插值預測，最終實現展示機房內全部位置的溫度情況。

機房整體溫度變化模塊用于記錄機房內整體溫度的變化情況，機房溫度的歷史數據保存在MySqL模塊中，管理者可通過該模塊觀察在最近一周內機房平均溫度曲線。

設備溫度展示模塊主要實現設備溫度的實時顯示功能，只需將鼠標放到某個設備圖標上，即可顯示當前設備的溫度。

當機房內某個設備的溫度超過警戒線或者機房內的整體溫度超過警戒線，則系統立即啟動制冷設備降低機房溫度，同時向機房管理者撥打電話，通知機房內的異常情況，實現機房24h無人值守。

2 Kriging溫度預測

Kriging插值算法是一種光滑的內插方法，通過已知的樣本點預測不同位置處的值[11～15]。插值過程如下：

1)構建樣本間依存規則

利用已知的溫度值預測未布設傳感器的位置溫度值，首先進行樣本點的配對，機房內所有傳感器節點進行兩兩配對，建立節點間的歐氏距離di和節點采集的溫度Ti之間的關系對Pairi=(di,Ti)，如圖4所示，根據關系對Pair構建空間模型。分析經驗半變異函數，如式(1)所示

(1)

式中z(xi)和z(xi+d)分別為配對的兩個節點的溫度值；d為節點間距離；n為關系對Pair的數量；r(d)為半變異值。

圖4 配對

根據關系對Pair的半變異值進行預測模型擬合，預測模型擬合過程如圖5所示。根據擬合得到的函數與目前比較成熟的模型進行匹配，選擇最接近的一個模型作為本文的預測模型。

圖5 模型擬合

2)插值預測過程

利用步驟(1)選擇的模型進行預測，預測過程如圖6所示，圖中傳感器節點1，2，3，4為已部署在機房中的溫度傳感器節點，0表示未部署傳感器的節點，利用節點1，2，3，4，通過Kriging算法可預測得到位置0處的溫度值

(2)

式中z0為位置0處的溫度預測值；zi為樣本節點采集的溫度值；s為用于預測的樣本節點的數量，本文采用4個已知樣本節點進行預測；Wi為根據步驟(1)選擇的模型計算得到的權重值，計算過程為

(3)

式中γ(dij)為節點i與節點j的半變異值；λ為常數，計算過程可消除；W1，W2，W3，W4為需要計算的權重值。

圖6 插值預測

3 系統測試

系統應用于浙江中煙工業有限責任公司集團的數據中心。圖7為系統通道內的溫度分布，當其中一個通道開啟制冷設備，該通道內溫度立刻降低，而另一個通道內未開啟制冷設備，溫度比較高，因此，系統界面中出現了熱通道和冷通道。界面所顯示的溫度分布情況為基于本文提出的Kriging插值算法,利用傳感器節點采集的溫度數據插值預測得到。

圖7 系統通道

圖8為機房的溫度分布情況，其中顏色較深處表示機房服務器，其發熱量較大，而機房的空余位置溫度相對較低，系統也可以查看每個設備的當前溫度。

圖8 機房溫度分布

圖9為服務器后蓋溫度分布情況對比，圖9(a)為利用本文算法得到的溫度分布結果，圖9(b)為實際溫度熱學影像圖，實驗結果表明：系統在溫度分布方面與實際結果非常接近，誤差不超過3℃。

圖9 溫度分布對比

圖10為系統記錄的機房平均溫度歷史曲線，顯示機房整體平均溫度升高后，系統自動開啟制冷設備，降溫，檢測結果表明:系統能夠有效控制機房內溫度。

圖10 歷史溫度曲線

4 結 論

提出了一種基于WSNs的機房溫控系統，通過WSNs采集機房環境以及設備的溫度信息，并將溫度數據傳輸至核心應用層進行數據處理與分析，通過Kriging算法預測整個機房的溫度分布情況，于系統界面顯示，同時系統能夠實現溫度報警和歷史數據記錄等功能。該系統能夠滿足機房24h無人值守的要求，保證機房的安全運行。

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DesignandimplementationofcomputerroomtemperaturecontrolsystembasedonWSNs*

DONG Hui-liang1, WANG Zheng-min1, JIANG Xue-feng1, LIU Wei1, MAO Ke-ji2, XIA Ming2

(1.ChinaTobaccoZhejiangIndustrialCoLtd,Hangzhou311200,China;2.CollegeofComputerScienceandTechnology,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China)

In order to effectively monitor temperature inside computer room,develop a WSNs-based computer room temperature control system.This system arranges a certain number of sensor nodes in computer room and insider of equipment,and sent the collected information such as equipment temperature and ambient temperature to the control system.The control system uses kriging algorithm to simulate the distribution of the temperature inside the computer room and intuitively show it on interface.Meanwhile,the control system real-time monitors temperature information: when the engine room temperature is too high,the system automatically starts ventilation plate and air conditioning to reduce the temperature inside the room,when the temperature is abnormally high,it alert the room manager.

wireless sensor networks(WSNs); computer room temperature control; kriging algorithm; control system

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0092—03

2017—08—08

國家自然科學基金資助項目(61401397，61379023)；浙江省公益性技術應用研究計劃項目(2015C31066)

TP 212

A

1000—9787(2017)10—0092—03

董惠良(1986-)，男，工程師，主要研究方向為無線傳感器網絡、微系統開發，E-mail:18868851449@163.com。毛科技(1979-)，男，博士，副教授，研究方向為物聯網技術、大數據分析，E-mail:maokeji@zjut.edu.cn。