基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)房環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李 慶

（中博信息技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

在近些年來環(huán)境監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，以數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)的相關(guān)研究也開始受到了越來越多的關(guān)注[1-2]。從總體角度對數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展情況進(jìn)行分析。傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)是通過人工監(jiān)測的方式監(jiān)測機(jī)房環(huán)境，設(shè)置專人值班的模式，定期檢測機(jī)房的環(huán)境信息。受數(shù)據(jù)中心規(guī)模越來越龐大化的發(fā)展趨勢影響，在機(jī)房內(nèi)部的需要進(jìn)行監(jiān)測的電子設(shè)備也逐漸增多[3]。此時，單純依靠人力巡檢已經(jīng)無法滿足機(jī)房環(huán)境的管理需求，由此開啟了以單片機(jī)和傳感器為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究。該階段，系統(tǒng)可以自動進(jìn)行機(jī)房整體環(huán)境的溫度、濕度等參數(shù)的檢測，并且當(dāng)檢測到的溫濕度存在異常時，可以作出相應(yīng)的報警反饋，克服了人工巡檢在實時性方面存在的不足[4-5]。在此基礎(chǔ)上，嵌入式實時操作系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境監(jiān)測中開始受到廣泛應(yīng)用，不僅進(jìn)一步提高監(jiān)測系統(tǒng)實時性，也進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)中心機(jī)房環(huán)境異常的預(yù)警能力[6]。但是，在實際的應(yīng)用階段，監(jiān)測系統(tǒng)的反饋延時仍然是有待進(jìn)一步優(yōu)化的問題。文章提出基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)房環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究，并通過對比測試的方式，直觀分析驗證了設(shè)計方法的應(yīng)用效果。

1 硬件設(shè)計

對于機(jī)房環(huán)境而言，需要監(jiān)測的狀態(tài)數(shù)據(jù)具有種類多，更新快的特點，為了保障設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)的性能能夠滿足實際的應(yīng)用需求，文章從控制器的角度開展了設(shè)計。其中，具體的芯片為一款基于Arm Cortex-M0+的低成本32位微控制單元（Micro Controller Unit，MCU），專為工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計LPC860控制器。在實際運行階段，LPC860控制器工作頻率高達(dá)60 MHz，同時提供了64 kB Flash存儲器和8 kB SRAM。此外，LPC860配備功耗優(yōu)化的內(nèi)核，采用流行的小規(guī)格封裝，單獨的電源軌可支持電平移動。在結(jié)構(gòu)設(shè)置上，LPC860的配套外設(shè)如表1所示。

表1 LPC860結(jié)構(gòu)配置

在配置方面，LPC860得到了MCUXpresso生態(tài)系統(tǒng)的支持，其中包括軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK）、集成開發(fā)環(huán)境（Integrated Development Environment，IDE）選項以及安全配置和配置工具，有助于加快開發(fā)速度。基于此，統(tǒng)計LPC860功能及對應(yīng)配置情況，具體如表2所示。

表2 LPC860功能及對應(yīng)配置情況統(tǒng)計

借助表2所示的功能及配置，最大限度滿足機(jī)房環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)在不同應(yīng)用環(huán)境下的需求，實現(xiàn)對待監(jiān)測指標(biāo)參數(shù)狀態(tài)的綜合分析。

2 軟件設(shè)計

2.1 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制設(shè)計

在監(jiān)測機(jī)房環(huán)境狀態(tài)時，時效性是影響監(jiān)測效果和監(jiān)測系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。因此，文章設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的過程中，引入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。首先，對采集的機(jī)房環(huán)境數(shù)據(jù)信息，將其與數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送至LPC860控制器總線接口對應(yīng)的傳輸信道。在該階段，信道的實際傳輸任務(wù)執(zhí)行情況對具體的傳輸效率產(chǎn)生直接影響。當(dāng)信道實際執(zhí)行的傳輸任務(wù)處于較高的負(fù)載狀態(tài)，甚至是存在等待隊列時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間開銷勢必會增加，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果存在不同程度的延時。針對該問題，文章利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)選擇具體的傳輸路徑，具體的選擇方式可以表示為

式中：f(x)表示x機(jī)房環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)信息的傳輸路徑；k表示對機(jī)房環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)信息的壓縮系數(shù)；s(x)表示原始機(jī)房環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)信息的大小；表示機(jī)房環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)信息實際傳輸?shù)拇笮。籰表示傳輸信道的總距離長度，其主要是指端口到LPC860控制器中心的距離；p(x)表示傳輸機(jī)房環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)信息階段對于信道的占用率；t表示信道的單位傳輸時間。

按照式（1）方式，結(jié)合具體機(jī)房環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)信息大小以及不同傳輸信道的實際狀態(tài)，選擇具體傳輸路徑，最大限度降低傳輸階段的時間開銷，保障監(jiān)測的時效性。

2.2 機(jī)房環(huán)境異常狀態(tài)報警機(jī)制設(shè)計

反饋機(jī)房環(huán)境狀態(tài)時，文章主要實現(xiàn)依據(jù)是LPC860控制器中心接收到的數(shù)據(jù)與環(huán)境允許狀態(tài)數(shù)據(jù)波動范圍之間的關(guān)系。具體可以表示為

式中：xmin表示機(jī)房環(huán)境狀態(tài)參數(shù)的允許范圍下限；xmax表示機(jī)房環(huán)境狀態(tài)參數(shù)的允許范圍上限。

按照式（2）所示的方式，如果LPC860控制器中心接收到的數(shù)據(jù)在機(jī)房環(huán)境狀態(tài)參數(shù)允許區(qū)間范圍內(nèi)時，則默認(rèn)環(huán)境處于正常狀態(tài)，不進(jìn)行報警處理；如果LPC860控制器中心接收到的數(shù)據(jù)大于機(jī)房環(huán)境狀態(tài)參數(shù)允許范圍上限，或小于機(jī)房環(huán)境狀態(tài)參數(shù)允許范圍下限時，則表示環(huán)境處于異常狀態(tài)，進(jìn)行報警處理。其中，具體的機(jī)房環(huán)境狀態(tài)參數(shù)允許區(qū)間范圍以實際的管理標(biāo)準(zhǔn)要求為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)置。

3 測試與分析

3.1 測試環(huán)境

在分析測試文章設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)房環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)運行性能時，選擇對比測試方法。其中，文章設(shè)計系統(tǒng)為實驗組，對照組分別為文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]提出的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

文章以某學(xué)校的機(jī)房為具體的測試環(huán)境。其中，允許溫度范圍為12.0～26.0 ℃，允許相對濕度范圍為35.0%～48.0%。在具體的測試過程中，分別采用3個系統(tǒng)對測試環(huán)境開展為期3 d的監(jiān)測，通過分析不同方法監(jiān)測結(jié)果與實際環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，對文章設(shè)計系統(tǒng)的性能作出客觀評價。

在對測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計的過程中，將監(jiān)測系統(tǒng)反饋結(jié)果中超出允許參數(shù)范圍的報警數(shù)據(jù)與實際情況進(jìn)行比較，確定其可靠性；將監(jiān)測系統(tǒng)反饋結(jié)果中允許參數(shù)范圍的數(shù)據(jù)與實際異常情況進(jìn)行比較，確定其全面性。

3.2 測試結(jié)果與分析

文章分別統(tǒng)計3個監(jiān)測系統(tǒng)對于測試機(jī)房環(huán)境溫度異常情況和濕度異常情況的監(jiān)測效果。其中，不同監(jiān)測系統(tǒng)對于測試環(huán)境溫度的監(jiān)測結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同系統(tǒng)溫度監(jiān)測結(jié)果

由圖1所示的測試結(jié)果可知，在3種不同系統(tǒng)下，對于溫度異常狀態(tài)的漏檢次數(shù)和誤檢次數(shù)表現(xiàn)出了較為明顯的差異。其中，文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的漏檢次數(shù)和誤檢次數(shù)最高，分別達(dá)到了4次和6次，文獻(xiàn)[6]設(shè)計系統(tǒng)的測試結(jié)果與文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)相比有一定提升，但是漏檢次數(shù)和誤檢次數(shù)也分別達(dá)到了3次和4次。相比之下，在文章設(shè)計方法的測試結(jié)果中，對于測試機(jī)房環(huán)境溫度異常值的漏檢次數(shù)和誤檢次數(shù)均僅為1次，具有較高的可靠性。

不同測試系統(tǒng)對于測試環(huán)境濕度的監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同系統(tǒng)濕度監(jiān)測結(jié)果對比

由圖2可知，在文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)中，對于濕度異常值的漏檢次數(shù)相對較多，達(dá)到了5次，但是對于異常值的誤檢測次數(shù)處于較低水平，僅為2次。在文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)的測試結(jié)果中，漏檢次數(shù)和誤檢次數(shù)均為4次，處于較高水平。相比之下，在文章設(shè)計系統(tǒng)的測試結(jié)果中，并未出現(xiàn)異常濕度值漏檢的情況，對應(yīng)的誤檢次數(shù)也僅為1次。由此可知，文章設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)房環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對環(huán)境濕度狀態(tài)的有效檢測。

4 結(jié) 論

文章提出基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)房環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計研究，在硬件方面重點對控制器進(jìn)行設(shè)計，在軟件設(shè)計方面主要對監(jiān)測機(jī)制和反饋機(jī)制進(jìn)行設(shè)計，切實實現(xiàn)對機(jī)房環(huán)境異常狀態(tài)的有效監(jiān)測，大大降低了環(huán)境狀態(tài)參數(shù)異常值的漏檢和誤檢次數(shù)。以期文章的設(shè)計與研究，能夠為實際的機(jī)房環(huán)境管理和安全保障提供有價值的參考。