基于NB-IoT的機房監控系統設計與研究

聞明 師濤 崔永明

(北京科技大學天津學院 天津 301830)

1 系統總體設計

隨著科技的發展，機房的監控變得越來越重要。使用通信信道進行數據傳輸，首先要決定數據通信的方式，對環境特點進行了解，結合當地的技術水平和企業的規模綜合考慮[7]。監控系統由系統總體設計，傳感器硬件設計，服務端軟件設計，實驗測試結果與結果分析幾部分組成。

該系統模型大致如圖1所示。

1.1 系統總體結構框架

圖1 監控系統的模塊示意圖

圖2 NB-loT模塊的功能示意圖

本系統可分為兩個大塊，硬件的部分和軟件的部分。硬件的部分部署在機房，程序部署在單片機上。硬件的部分又有兩類，一類僅采集原始數據（例如溫度、濕度、氣體濃度等），并以 UDP 協議上傳；另一類則是與圖像監控相關，它先從攝像頭讀取數據，然后使用 FPU 運行機器學習的預訓練模型推理，分析出攝像頭捕捉到的圖像中的物體名稱、位置、大小，再將數據以UDP協議上傳到云平臺上。

云平臺上的程序分為這么幾部分。一個程序監聽UDP協議的指定端口，等待硬件發送的數據報。接收到數據報后，進行合法性校驗、鑒權校驗，將數據存入數據庫中。日志分析程序從兩方面分析數據，一方面是根據管理員人工配置的監控數據合理范圍，判斷監控數據是否已經超標，另一方面是由算法判斷監控數據是否出現了持續的異常，數據的變化是否出現了異常的模式。分析完成后，將日志標記上預警等級，存入數據庫，將高危日志發送到消息隊列。控制臺則可以配置程序的參數，進而改變程序的行為。預警程序則監聽消息隊列，如果接收到高危日志消息，以短信或者電子郵件的方式通知監控平臺的管理員，提醒管理員及時處理。

1.2 系統功能概述

圖3 使用模塊作為主控芯片集成應用的開發方案

圖4 客戶端與服務端私有通信協議報文格式

表1 溫度測試表

表2 濕度測試表

表3 監控系統測試響應延遲

系統的主要功能是監控弱電機房的環境數據，提供機器自動判斷數據異常對監控數據進行處理，提供時間區間監控數據展示方便監控平臺管理員回溯監控數據。控制臺有三大功能，一是監控數據的展示，二是監控平臺配置，三是日志分析結果的展示。在控制臺上，管理員可以在網頁上設置一段時間區間，控制臺上會以曲線圖的形式展示指定時間內數據的化情況。在監控平臺配置頁面，管理員可以配置溫度、濕度、氣體濃度的合理變化范圍。如果所監控的數據超出了合理變化范圍，系統會通過短信、電子郵件的方式向管理員的通信方式發送預警。管理員可以在監控平臺配置頁面錄入自己的聯系方式。這種方式可以大大降低系統管理員的盯盤負擔，因為如果是以往，管理員必須盯著數據變化的曲線才可以有效地監控環境指標。

而硬件的主要功能則是采集原始數據或對數據進行一定的分析后以UDP協議發送到云平臺。微控制器先采集溫度、濕度、氣體濃度數據，然后以UART協議與BC260型號的NB-IoT通信模塊與遠端通信。該模塊會將數據發送到中國移動onenet物聯網云平臺。

2 系統軟硬件設計

2.1 NB-IoT模塊選型

NB-IoT[3]通信模塊常見的型號有移遠的BC-26, BC-28, BC-35。其中只有 BC-26 支持 OpenCPU 模式。換句話說，BC-26 不僅可以作為一個通信模塊（從機）使用，也可以作為一個獨立的主機來操控別的元件。因為將它作為主機就不需要額外的主機，例如STM32，整個系統的功耗會更小。我開發了基于移遠NB模組BC26的NB核心板，也可稱作NB最小系統，2.54間距雙排針，引出BC26全部可用GPIO，支持OpenCPU二次開發方案，即插即用。

BC-26支持低功耗模式，最小功耗P SM模式下僅40uA，其中BC26自身功耗5uA，BC-26板載LDO降壓芯片靜態功耗35uA。

2.2 微控制器的選型

考慮到功耗，需要推理機器學習模型的微控制器我選擇了Maix Bit的K210。STM32 的計算性能比較孱弱，更為適合整數運算[5]，因此沒有采用這種更為流行的方案。

微控制器在監控硬件中扮演的角色是實現監控環境與外部網絡交互的核心要素。被監控環境的現場信息被微控制器采集后發送到網關上的協調器，在機器視覺上被監控環境的現場信息被微控制器采集后發送到在機器視覺上被監控環境的現場信息被微控制器采集后發送到網關上的協調器，采用有線或無線的方式發送到云端的服務器軟件上[6]。主控芯片K210與BC-26的通信方式是通過UART接口完成通信[4]。

而沒有大的計算需求的場景，我使用 BC-2 6 的 OpenCPU 方案。在傳統方案中，需要一個MCU作為主控制器，控制硬件外設，例如控制路燈的亮或滅，然后使用MCU的UART接口與標準模塊進行AT指令通信，上報當前路燈狀態，或接收來自遠程服務器的開關燈命令。而OpenCPU方案，可以直接在模塊中編寫程序控制路燈，節約硬件成本，加速應用開發。

2.3 系統主控軟件設計

系統軟件主要有兩部分，在用戶的瀏覽器上運行的web端展示軟件和運行在云服務器上的服務端程序[8]。Web端展示軟件的部署方面，我們可以充分發揮云技術的優勢，將展示程序部署在云廠商的CDN網盤平臺上[9]。瀏覽器根據基礎骨架頁面上的資源URL訪問云廠商的服務器動態加載展示軟件。運行在服務端的程序 則以UDP協議監聽1314端口上傳入的UDP數據報。數據報的格式如圖所示。服務端程序以2進制形式分析數據報，連續的16個0表示數據的結尾。

接收到數據后，服務端程序將程序存入關系型數據庫等待數據分析程序自動抓取。自動分析程序根據預設的配置對數據進行分析，若發現超出預設范圍的環境數據，或者顯著的離群點，則轉發至自動報警信息服務。

2.4 自動報警信息服務

自動報警信息服務是該系統的核心功能之一，對弱電機房自動監控平臺的自動化效率產生直接影響。自動報警信息服務使用了一套算法來自動監控是否監控數據出現異常。如果出現異常，根據管理員的設置的聯系方式，自動生成短信或郵件，全天候向管理員自動報警。通過自動報警方式，管理員可以及時發現問題，并在第一時間進行解決。

簡單地說，有一部分數據不需要與其他數據綜合考慮是否異常，我們可以將這些數據在硬件端進行計算和分析，計算平均值、方差等數據，這樣可以降低帶寬壓力。

算法方面，我們使用孤立森林算法。數據在數據庫或消息隊列等數據倉庫中沉淀后，先用算法進行分析，是否存在局部的異常點。如果發現，再根據短信模板生成短信，或者根據 Markdown 模板生成郵件，發送到管理員的聯系方式上。我們對生成的分析報告進行一定的封裝，比如我們同機房的數據，同等級的告警信息封裝在一起，在經過這樣的封裝處理之后，管理員翻閱這些數據和分析報告時不會出現混亂的情況。可以很方便地歸因隱患和問題的源頭。

3 系統調試和結果

我們的核心板調試用的 UART 端口是 RDX_DBG 和 TXD_DBG。為了對該弱電機房監控系統的實時性、可靠性、功能進行驗證和分析，我們在同等環境下，對弱電機房監控系統進行了實驗，對溫度、濕度、氣體濃度的準確性、響應時間進行了測試。結果如表1, 表2，表3所示。

通過監控系統測試響應延遲表表格 3的數據可以看出，平均響應延遲0.98s，響應十分迅速。保證了系統的可靠性和實時性。

通過表格1的數據可以看出，該系統的測量誤差在1.5℃以內。符合DHT11的正負3℃誤差范圍內。

4 結語

設計了一種基于NB-IoT 窄帶物聯網的弱電機房實時監測系統，該系統使用勘智K210和移遠的BC26 物聯網模塊，接入中國移動的 onenet 物聯網云平臺。通過 BC26 將數據傳輸到自主研發的數據分析和監控平臺上。在數據展示平臺上，你可以看到硬件實時監控的機房溫度、濕度、煙霧濃度等數據。出現數據異常時，可以在第一時間告警管理員。

該系統的功耗較低，所需維護頻率低，安裝成本低廉。提高了我校的經濟效益，推動了我校的電子化、數字化進程。NB-IoT技術優勢將極大地促進此技術未來的大規模商用，其方案特性也完全符合中國未來發展“創造性、科學性、前瞻性”的要求[2]。