基于物联网的环境状态监测预警平台的研究与实现

包拯民等

摘 要：该文阐释了基于物联网技术实现机柜小环境在线监测以及提供预警平台的技术研究与应用。通过研究供电企业在机房日常运维方面存在问题及隐患，并吸取缺乏小环境状态在线监测预警带来的经验和教训，以现代物联网技术小环境监测安全的视角，运用先进的机柜小环境状态安全理论和技术，提出供电公司机柜小环境状态在线监测预警平台建设的目标。为供电企业机柜小环境状态的在线监测和预警机制，提出全面的温、湿度监测系统解决方案。打造一个包含温度、湿度、能耗等相关信息的，能全面反应机柜小环境中各类环境指标的在线监测和预警系统平台。以保障供电企业机房小环境的安全，从而保证供电企业机房设施整体安全。使得物联网技术能为机房提供先进、安全、高效的对应服务，体现物联网科技在机房小环境在线监测预警技术方面的作用。

关键词：机柜小环境 供电企业 机房安全 体系架构

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（C）-0168-02

机柜小环境在线实时监测预警及监控，是对计算机性能的稳定发挥，延长计算机使用寿命、确保数据安全性以及准确性的非常重要的保障机制。因为在计算机设备硬件中，使用了大批量的半导体器件、电容器等，在实际生产工作过程中，环境温度的升高都会对它们的正常工作造成一定的影响，甚至可能会造成其中某些元器件的非正常工作，将进一步导致计算机硬件设备的故障发生。因此，必须严格按照各种设备的要求，把温度控制在设定的范围之内，同时为了确保计算机安全可靠的运行，除严格控制温度之外，还需要把湿度控制在规定范围之内，为此，为机柜小环境配备一个实时监测预警的平台有较大价值的现实意义。

近年来，随着网络技术的发展和成熟，公司在大楼内部以及外部都拥有计算机机房。机房平时无人看守，只做定期巡视，因此无法实时监控到机房的状态变化，带来一些不必要的损失，对供电公司的工作安全以及工作效率都有极大的影响，因此对计算机机柜小环境实时监测预警有极大的现实意义。基于此类研究调查，基于物联网技术的机柜小环境在线监测预警平台应运而生。系统平台采用物联网技术中的ZigBee技术传输相应的温度、湿度、功耗等数据参数。这些参数由处理器采集通过ZigBee上传服务器，用户在通过访问服务器来查看或控制相应的设备。在该系统中主要讲解参数的采集和怎样传输到服务器。

1 基于ZigBee技术下的无线传感器网络及系统构架

机房设备复杂多样，采用传统的有线信号的传输方式，存在布线困难、维护工作量大、不可移动等缺点。而无线信号的传输则摆脱了线缆的束缚，具有安装周期短、易于维护、扩容能力强等优点，并且组网灵活，无需考虑为新添加的设备铺设网络，易于扩展设备后，即可实现远程监测。综合上述基于实际情况将设计采用无线信号传输的检测方案。

无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。

ZigBee可工作在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz3个频段上，它的传输距离在10～75 m的范围内。作为一种无线通信技术，ZigBee设备非常省电，估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间；而模块的成本在1.5～2.5美元左右，并且使用是免专利费的；在通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，搜索设备时延30 ms，休眠激活的时延是15 ms，活动设备信道接入的时延为15 ms。因此此技术适用于对时延要求苛刻的无线控制应用；一个星型结构的网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个此种网络， 而且组网灵活，可靠性高，协议采取碰撞避免策略，同时为固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的冲突。它是一种基于IEEE 802.15.4规范的的短距离、低复杂度低功耗低数据速率、低成本的无线网络技术。

机房机柜小环境在线实时监测预警系统平台由一个ZigBee协调器和若干个外接传感器的终端节点组成。连接温湿度传感器的终端节点置于机房各种设备附近，依据程序设定时间定时采集，数据采集结束后，将数据以约定格式打包并通过无线收发模块发送数到协调器，协调器将接收到的数据通过串口传输到客户管理PC机通过PC机上的基于CVI图形界面显示各类设备附近环境的的温湿度。

2 系统软件

软件实施关键技术：

（1）串口通信：从传感器中采集数据，主要是传感器与基站的相互通信。

（2）MongoDb数据存储：将串口通信中获取的数据，经过一定的处理，存储在MongoDb中，主要采用的是”事件触发模式”。

（3）Monitor（监听）：主要功能是实时观察串口数据，并且还有作为验证自身程序是否崩溃的”心跳函数”功能。

（4）网页数据传输（WebSocket）：主要功能是pc机器和服务器之间的数据通信方式，这里由于WebSocket相对比较安全，可以不加数据的安全校验。

（5）定义统一的数据格式：网页jason数据格式。

主要实现原理：首先部署硬件，这个不需要多说，然后针对每个传感器的类型，预先为值分配固定数量的条目；其次基站安装温湿度监测软件；当传感器的数值发生改变时，触发主动上报功能；再次将传感器采集的数据，推送给基站；最后基站通过串口通信的方式传递到服务器中，然后服务器将获取到的值存入MongoDB中。

这里为什么要选用MongoDb作为存储，主要原因有以下方面。

（1）高效的fire-and-forget模式就是只管向数据库服务器提交数据不等数据库服务器的回应。

（2）日志功能是帮助在系统Down机的时候恢复数据完整性做的，默认情况下Mongodb是开启日志功能的。每一个数据库操作都会先记录日志，所以当down机重启动服务器的时候数据库服务器能够通过日志文件恢复之前未完成的操作。

（3）Mongodb采用了最新的低成本的横向扩展模式，相对于传统的单结点纵向扩展，可以节约成功，而且有更好的可靠性，更好的数据处理性能。

（4）同时pc网页端和服务器的通信则通过WebSocket来实现（网页端发送获取数据的request，基站服务器端则通过数据库操作来获取所需的数据，然后进行一定的格式转化，我们这里将其转化成了jason格式，然后网页端获取response消息，进行网页的刷新。）这种方式的话可以做到数据正常通信，不过从客户端来说这种方式效率比较低，因为你不知道什么时候数据更新，所以需要定时去向服务器端发送请求，这样会降低获取数据的效率，所以我们这里采用html5的新特性，在基站通过串口向服务器发送信息时，服务器主动向客户端推送数据请求信息，这样就大大提高了客户端的刷新速率。

这里存储数据库和推送网页信息可以同步进行，这样将大大提高整个工程的运行效率。

3 结语

针对机房机柜小环境在线实时监测预警系统的发展趋势以及当前机房小环境监测系统的不足，提出了一种全新的基于计算机监控的无线传感器网络的无线监测系统。纵观现代物联网技术领域，其实有线通信和无线通信都有各自的优势和局限性，不同的无线通信网络技术使用场合、环境各异，如何应地制宜选择合适的系统来解决实际需要的问题是一个重点问题。ZigBee 这种崭新的无线网络通信技术的出现，为机房环境无线监测搭建了一个全新的技术平台。相信它能够在未来供电公司乃至其他行业发挥其独有的科技魅力，为社会、国家做出更好的贡献。

参考文献

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