基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫卓晟　彭來(lái)湖　倪利明　胡旭東

摘? 要：由于目前C/S架構(gòu)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)模塊之間耦合度高，開發(fā)調(diào)試工作量大。針對(duì)這種情況，提出一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)3dsMax進(jìn)行設(shè)備建模，并用Photoshop構(gòu)建貼圖;在Unity3D上導(dǎo)入模型和貼圖搭建虛擬機(jī)房場(chǎng)景;使用Qt開發(fā)客戶端與服務(wù)器端程序，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景與客戶端控制界面的交互;最終完成整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)。經(jīng)測(cè)試表明：設(shè)計(jì)方案能夠降低系統(tǒng)各部分的耦合度，減少開發(fā)調(diào)試的工作量。為基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)提供了一些參考。

關(guān)鍵詞：C/S架構(gòu);虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng);Qt

中圖分類號(hào)：TP311.5? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Due to the high degree of coupling between the modules of the virtual reality technology-based power environment monitoring system of the current C/S architecture，the development and debugging workload is large.Aiming at this situation，a design scheme of the engine room dynamic environment monitoring system based on virtual reality technology is proposed.This paper makes model for devices with 3dsMax and builds textures with Photoshop;imports models and textures on Unity3D to build virtual room scenarios;uses Qt to develop client and server programs，and achieve interaction between virtual client and client control interfaces via TCP/IP protocol.Thus the final development of the entire system was achieved.Tests show that the design scheme can reduce the coupling degree of each part in the system and reduce the workload of development and debugging.This paper provides some references for the development of a dynamic environment monitoring system based on virtual reality technology.

Keywords：C/S architecture;virtual reality technology;power and environment monitoring system;Qt

1? ?引 言（Introduction）

機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一種對(duì)機(jī)房動(dòng)力、環(huán)境、消防等設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)集中監(jiān)控管理的系統(tǒng)。機(jī)房工作人員可以通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看機(jī)房設(shè)備的運(yùn)行情況，同時(shí)也能通過(guò)短信、語(yǔ)音、郵件等方式告知機(jī)房管理人員設(shè)備報(bào)警情況以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。目前，二維機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)仍然占有主要市場(chǎng)。其設(shè)備數(shù)據(jù)大多是以圖表的方式展現(xiàn)給用戶。雖然能直觀地展現(xiàn)參數(shù)趨勢(shì)，但是發(fā)生設(shè)備報(bào)警或者需要對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整時(shí)則很難馬上確定設(shè)備的具體位置，給機(jī)房管理人員帶來(lái)極大的不便。

虛擬現(xiàn)實(shí)通過(guò)各種感官作用于用戶，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逐漸成熟，二維機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)紛紛向虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)房動(dòng)力環(huán)境管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。虛擬機(jī)房場(chǎng)景可以將多源信息融合在一起，直觀地向用戶展示各種機(jī)房設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，同時(shí)交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和設(shè)備的實(shí)體行為系統(tǒng)仿真也能使用戶更加高效地對(duì)機(jī)房設(shè)備進(jìn)行管理[1-4]。文獻(xiàn)[4]中指出C/S架構(gòu)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)成本較高，過(guò)程復(fù)雜，需要重新配置整個(gè)系統(tǒng)，并且調(diào)試工作量較大。因此，本文針對(duì)此問(wèn)題提出了一個(gè)設(shè)計(jì)方案。用于降低虛擬場(chǎng)景界面與客戶端、客戶端與服務(wù)器端之間的耦合度，減少程序的調(diào)試量并加快系統(tǒng)的開發(fā)速度。

2? ?系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)（System design）

2.1? ?系統(tǒng)需求分析

機(jī)房負(fù)責(zé)大量的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與處理，并且365（天）×24（小時(shí)）不間斷運(yùn)行，所以對(duì)于數(shù)據(jù)中心機(jī)房動(dòng)力與環(huán)境設(shè)備的監(jiān)控就顯得至關(guān)重要。機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能有：

（1）動(dòng)力設(shè)備監(jiān)控（如：UPS、配電柜等）;

（2）環(huán)境設(shè)備監(jiān)控（如：空調(diào)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、溫濕度、漏水、新風(fēng)機(jī)等）;

（3）消防監(jiān)控（如：消防控制器、煙感探測(cè)器等）;

（4）安防監(jiān)控（如：門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等）;

（5）人員管理。

虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)房場(chǎng)景需要根據(jù)實(shí)際機(jī)房結(jié)構(gòu)以及設(shè)備的具體位置制作。其主要功能有設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示、當(dāng)前設(shè)備報(bào)警的顯示，以及一些人機(jī)交互的功能（如：視角切換、設(shè)備類數(shù)據(jù)顯示切換、自動(dòng)巡檢等）。

2.2? ?系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境管理系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)（即客戶端/服務(wù)器端架構(gòu)），系統(tǒng)具體可分為：用戶層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層，如圖1所示。

用戶層表現(xiàn)為可交互的虛擬機(jī)房場(chǎng)景，通過(guò)TCP/IP協(xié)議向業(yè)務(wù)邏輯層傳遞用戶的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，如設(shè)備參數(shù)修改、歷史信息查詢等;當(dāng)接收到業(yè)務(wù)層返回的數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在虛擬機(jī)房的實(shí)際位置上。

業(yè)務(wù)邏輯層表現(xiàn)為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中樞并且連接著用戶層與數(shù)據(jù)層。業(yè)務(wù)邏輯層包含了：服務(wù)器、系統(tǒng)功能模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊。該層的主要功能是根據(jù)用戶層返回的業(yè)務(wù)請(qǐng)求調(diào)取數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)并處理成用戶層需要顯示的數(shù)據(jù)形式返回給用戶層以實(shí)現(xiàn)不同的場(chǎng)景功能（查詢歷史數(shù)據(jù)、顯示機(jī)房設(shè)備參數(shù)狀態(tài)等），以及處理數(shù)據(jù)采集模塊采集上來(lái)的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)層的需要處理后存入到數(shù)據(jù)層中。

數(shù)據(jù)層主要包含了機(jī)房設(shè)備的配置信息、虛擬機(jī)房模型信息、用戶管理信息、歷史數(shù)據(jù)信息等。數(shù)據(jù)層采用了流行的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)能大大降低開發(fā)的難度，提高系統(tǒng)的兼容性，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[5，6]。數(shù)據(jù)層通過(guò)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)與業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行交互。并根據(jù)業(yè)務(wù)層的不同業(yè)務(wù)請(qǐng)求，返回指定的數(shù)據(jù)參數(shù)。

客戶端顯示界面和數(shù)據(jù)采集模塊由Qt開發(fā)平臺(tái)（跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架）開發(fā)，由于Qt擁有直觀、強(qiáng)大的API[7]，所以對(duì)于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的操作便捷，開發(fā)方便。虛擬機(jī)房場(chǎng)景界面不直接向數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)，而是通過(guò)TCP/IP協(xié)議與客戶端顯示界面交互，通過(guò)這種方式減少虛擬機(jī)房場(chǎng)景需要獲取及處理的設(shè)備數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化虛擬機(jī)房場(chǎng)景界面程序，提高虛擬場(chǎng)景界面的顯示效果和操作體驗(yàn)。

2.3? ?開發(fā)流程設(shè)計(jì)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境管理系統(tǒng)可分為兩部分分別是客戶端（虛擬機(jī)房場(chǎng)景界面和客戶端控制界面）和服務(wù)器端（數(shù)據(jù)采集模塊）。具體開發(fā)流程如圖2所示。

（1）客戶端開發(fā)流程

①采集各種機(jī)房設(shè)備的實(shí)物圖和實(shí)際尺寸。

②利用3dsMax建模軟件對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房墻體、機(jī)柜、門體、精密空調(diào)、溫濕度、電量?jī)x等設(shè)備進(jìn)行建模。根據(jù)建好的設(shè)備模型的UV圖，用Photoshop制作模型貼圖。

③將制作好的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D游戲引擎中，貼上制作好的貼圖。根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)中心機(jī)房構(gòu)造搭建虛擬機(jī)房場(chǎng)景。

④編寫與模型對(duì)應(yīng)的C#腳本以實(shí)現(xiàn)界面人機(jī)交互、數(shù)據(jù)顯示以及報(bào)警信息顯示等功能。

⑤根據(jù)與虛擬場(chǎng)景之間的通訊，用Qt開發(fā)客戶端控制界面程序，并測(cè)試客戶端運(yùn)行情況。

（2）服務(wù)器端程序開發(fā)流程

①根據(jù)整體系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。

②根據(jù)設(shè)備的通訊協(xié)議使用Qt開發(fā)服務(wù)器端程序（數(shù)據(jù)采集模塊）。

最后，測(cè)試客戶端與服務(wù)器端整體系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并完善人機(jī)交互與數(shù)據(jù)顯示功能，最終完成基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，打包發(fā)布系統(tǒng)。

3? 動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（Power environment monitoring system implementation）

3.1? ?機(jī)房場(chǎng)景虛擬實(shí)現(xiàn)

（1）機(jī)房設(shè)備三維建模

機(jī)房設(shè)備模型的建立使用的是3dsMax建模軟件。3dsMax是一種以三維動(dòng)畫技術(shù)作為基礎(chǔ)的圖像渲染和制作軟件。當(dāng)前，虛擬場(chǎng)景建模中3dsMax的使用最為廣泛，例如在游戲制作、動(dòng)漫制作、建筑設(shè)計(jì)等廣泛領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用[8]。

由于3dsMax中的單位長(zhǎng)度與Unity3D中的單位長(zhǎng)度不同，所以在用3dsMax搭建機(jī)房設(shè)備與環(huán)境模型時(shí)需要注意尺寸轉(zhuǎn)換的比例。這里3dsMax在建模時(shí)需要選擇厘米（cm）為單位，這樣模型在Unity3D中尺寸長(zhǎng)度1就為1厘米。考慮到數(shù)據(jù)中心機(jī)房虛擬場(chǎng)景在加載時(shí)需要加載的設(shè)備和環(huán)境的數(shù)量，若模型的細(xì)節(jié)制作的比較細(xì)致，那么每個(gè)模型的大小會(huì)相對(duì)比較大，界面加載的時(shí)間相應(yīng)的也會(huì)變得很長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的CPU和顯卡的負(fù)擔(dān)也會(huì)比較大，在做界面操作的時(shí)候很容易出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象，用戶體驗(yàn)就大打折扣。因此，在界面中有動(dòng)畫動(dòng)作的設(shè)備（如：機(jī)柜、冷通道移門等），按照實(shí)際尺寸用長(zhǎng)方體等多面體來(lái)表示，盡量減少模型的細(xì)節(jié)，如圖3（a）所示;部分不需要在界面有動(dòng)畫動(dòng)作的設(shè)備（如：UPS、精密空調(diào)、服務(wù)器、工控機(jī)等）按照實(shí)際尺寸采用長(zhǎng)方體代替表示，同時(shí)也盡量減少模型的細(xì)節(jié)，如圖3（b）所示。

（2）機(jī)房設(shè)備真實(shí)化立體呈現(xiàn)

機(jī)房設(shè)備建模完成以后，模型外表并不美觀，同時(shí)有些形狀類似的模型甚至無(wú)法僅從外表做區(qū)分。所以機(jī)房設(shè)備模型貼圖的制作就顯得很重要。

首先將建立的模型通過(guò)UV展開，展開模型時(shí)需要注意不破壞模型結(jié)構(gòu)的同時(shí)要利于貼圖的繪制，還要最大限度利用UV坐標(biāo)格，尤其注意要在模型隱蔽的地方進(jìn)行UV接縫的拆分[9]。如圖4所示。拆分完之后需要用棋盤格來(lái)檢測(cè)UV縮放比例是否正確，即判斷棋盤格的形狀是否有太大的扭曲[10]。

然后在Photoshop中根據(jù)導(dǎo)出的UV位圖繪制設(shè)備模型的貼圖。在Photoshop中導(dǎo)入U(xiǎn)V位圖后將實(shí)物圖片拆分填入，注意接縫處的紋理銜接。貼圖繪制如圖5所示。

（3）虛擬機(jī)房場(chǎng)景搭建

數(shù)據(jù)中心機(jī)房虛擬場(chǎng)景的搭建使用的是Unity3D游戲引擎。Unity3D具有強(qiáng)大的跨平臺(tái)開發(fā)能力與絢麗的3D渲染效果。目前Unity3D已經(jīng)可以橫跨25個(gè)主流游戲平臺(tái)，并且應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，在建筑、醫(yī)療、工業(yè)、娛樂(lè)、虛擬現(xiàn)實(shí)、動(dòng)畫、電影和藝術(shù)等行業(yè)都可以看到Unity的身影[11]。

搭建虛擬機(jī)房場(chǎng)景時(shí)，首先Unity3D場(chǎng)景中先根據(jù)機(jī)房的平面圖繪制機(jī)房地板和墻體，地板和墻體也同樣使用貼圖的形式;然后需要將3dsMax導(dǎo)出的FBX文件格式的模型，以及模型對(duì)應(yīng)的貼圖導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D項(xiàng)目中;然后將貼圖制作成材質(zhì)球加載到模型;然后將設(shè)置好的模型創(chuàng)建預(yù)設(shè)，這樣就簡(jiǎn)化了模型的使用;最后根據(jù)機(jī)房設(shè)計(jì)圖紙將模型放置到相應(yīng)位置就完成了虛擬機(jī)房的場(chǎng)景搭建。如圖6所示。

3.2? ?服務(wù)器端設(shè)計(jì)

服務(wù)器端程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房動(dòng)力設(shè)備、環(huán)境設(shè)備、消防設(shè)備、安防設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，根據(jù)設(shè)備通訊協(xié)議解析采集的數(shù)據(jù)，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中指定的數(shù)據(jù)表中，等待被客戶端程序查詢。

服務(wù)器端程序的開發(fā)方式為主程序加動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的功能是解析各種設(shè)備返回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并分析處理成所需的數(shù)據(jù)形式，再存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)只需根據(jù)不同設(shè)備協(xié)議進(jìn)行修改就能處理不同設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。這樣的開發(fā)方式加快了程序的開發(fā)速度。

3.3? ?客戶端設(shè)計(jì)

客戶端由兩部分組成分別是虛擬機(jī)房場(chǎng)景和客戶端控制界面。客戶端控制界面主要實(shí)現(xiàn)的功能為用戶管理、報(bào)警設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)以及與虛擬場(chǎng)景界面的交互功能。虛擬場(chǎng)景交互的功能主要有場(chǎng)景視角切換、設(shè)備數(shù)據(jù)顯示切換、報(bào)警顯示等。客戶端界面如圖7所示。

客戶端控制界面通過(guò)TCP/IP協(xié)議與虛擬機(jī)房場(chǎng)景做數(shù)據(jù)通訊。根據(jù)用戶的選擇將需要顯示的設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給虛擬機(jī)房場(chǎng)景，虛擬機(jī)房場(chǎng)景就能根據(jù)指令以特定視角展示設(shè)備數(shù)據(jù)。如圖8所示客戶端控制界面向虛擬機(jī)房場(chǎng)景發(fā)送了查看溫濕度設(shè)備數(shù)據(jù)指令，虛擬場(chǎng)景界面則將接收到的溫濕度數(shù)據(jù)以特定的視角實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

同樣，虛擬機(jī)房場(chǎng)景中對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，虛擬機(jī)房場(chǎng)景也能通過(guò)TCP/IP協(xié)議向客戶端控制界面獲取相應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù)。如圖9所示在虛擬機(jī)房場(chǎng)景中點(diǎn)擊UPS設(shè)備并顯示設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4? ?運(yùn)行調(diào)試分析（Running debug analysis）

運(yùn)行調(diào)試測(cè)試了虛擬機(jī)房交互功能、客戶端控制界面與虛擬機(jī)房的通訊，以及設(shè)備數(shù)據(jù)獲取情況。

虛擬機(jī)房交互功能測(cè)試是通過(guò)鼠標(biāo)左鍵右鍵調(diào)整不同的視角查看機(jī)房的各種設(shè)備，通過(guò)點(diǎn)擊設(shè)備來(lái)查看設(shè)備的運(yùn)行情況;客戶端控制界面通訊測(cè)試是通過(guò)點(diǎn)擊客戶端控制界面上的功能按鈕控制虛擬機(jī)房場(chǎng)景顯示各種設(shè)備的位置、運(yùn)行狀態(tài)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);設(shè)備數(shù)據(jù)獲取則是通過(guò)比對(duì)采集到的數(shù)據(jù)是否與實(shí)際設(shè)備的數(shù)據(jù)相同，并測(cè)試數(shù)據(jù)獲取的成功率。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

5? ?結(jié)論（Conclusion）

借助Unity3D游戲引擎、3dsMax、Photoshop構(gòu)建了虛擬數(shù)據(jù)中心機(jī)房場(chǎng)景。通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與客戶端控制界面的數(shù)據(jù)交互，減少了虛擬機(jī)房場(chǎng)景需要處理的數(shù)據(jù)量。通過(guò)模塊化的方式開發(fā)服務(wù)器端程序，加快了程序開發(fā)的速度。因此降低了虛擬場(chǎng)景界面與客戶端、客戶端與服務(wù)器端之間的耦合度，減少了系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試的工作量。這種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案為虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)力環(huán)境管理系統(tǒng)的開發(fā)提供了一種參考。

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作者簡(jiǎn)介：

孫卓晟（1994-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：機(jī)械電子工程.

彭來(lái)湖（1980-），男，博士，講師.研究領(lǐng)域：智能裝備與嵌入式控制技術(shù)，智能傳感器與儀器儀表，智能制造與車間信息化技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通信.

倪利明（1995-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：機(jī)械電子工程.

胡旭東（1959-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：現(xiàn)代紡織裝備及控制技術(shù)，機(jī)電控制及其自動(dòng)化.