基于ZigBee的网络机房无线数据采集系统设计

朱维娜 滕华 苏智华

摘 要：传统的网络机房有线数据采集系统存在一定的局限性，不适应在大规模机房的应用。以ZigBee技术为依托，设计网络机房无线数据采集系统。该系统包括通信模块、直/交流数据采集模块、温湿度数据采集模块以及主控单元模块，利用ZigBee网络低能耗、低成本、容量大等特点，收集各个模块的数据并上报，实现了对网络机房环境的全方面监控，为快速发展的计算机网络系统保驾护航。

关键词：ZigBee技术; 网络机房; 无线传输; 数据采集

中图分类号： TG409

文献标志码： A

Abstract：The traditional wired data acquisition system of network computer room has some limitations， hence， it is not suitable for the development of large-scale computer room. Based on ZigBee technology， this paper designs a wireless data acquisition system for the network computer room. The system includes communication module， DC/AC data acquisition module， temperature and humidity data acquisition module and main control unit module. Using ZigBee network features of low energy consumption， low cost and large capacity， the system collects and reports the data of each module， realizes all-round monitoring of network room environment， and escorts the rapid development of computer network system.

Key words：ZigBee technology; Network machine room; Wireless transmission; Data collection

0 引言

隨着通信技术的发展，大量的通信设备和计算机系统投入应用，导致网络机房的规模日益增大。通信网络、计算机系统以及中心机房成为各个通信企业的核心管理单元。良好的网络机房环境是计算机系统运行的可靠保障，其设备的运行情况也直接关系到机房环境的优劣，如安保系统、消防系统、空调系统、UPS电源系统、供配电系统等。如果网络机房环境设备出现故障，则会影响大面积的通信故障，甚至导致计算机系统瘫痪。传统的有线数据采集系统布线繁琐，难以检查和维修，一旦遇到机房设备需要重新布局时，环境设备也需要从新布线。因此，本文采用ZigBee技术设计了网络机房无线数据采集系统，弥补了有线数据采集系统的不足。

1 硬件系统整体设计

1.1 系统组成

本文设计的网络机房无线数据采集系统采用集中式数据采集设计思路，每台监测设备能完成两路遥控、八路遥信和八路遥测。该系统能够完成网络机房的烟雾、水浸、红外传感、温度、湿度、直交流电源等数据的采集。系统分为温湿度采集模块、交流采集模块、主控单元模块和直流采集模块。如图1所示。

按照ZigBee协议栈可将功能划分为终端和协调器两部分，其中终端为温湿度采集模块、交流采集模块、直流采集模块，协调器为主控单元模块。每个采集模块通过无线组网方式与主控单元模块连接，构成无线数据采集网络。每个模块按照时间设定参数，定时向主控单元输送采集的信息，最终利用RTDB方式与机房总监控室相连。

1.2 系统功能设计

（1）无线通信模块

该模块采用ZigBee技术，主要实现各个数据采集模块与主控模块只记得通信。协调器短地址为0x00，程序升级串口为UART0，数据交互串口为UART1，两个串口波特率均为115 200 bps。可选择0x00～0x03作为无线信道，设置完成后保存在EEPROM中。

（2）无线交流采集模块

该模块包含交流数据采集模块和ZigBee无线模块两个单元。其中，交流数据采集模块共有六个遥测量，分别为A、B、C三相电流和电压，按照定时器的设定，向协调器定时上报监测数据帧。可选择0x00～0x03作为无线信道。该模块指示灯分为模式，即启动扫描、发送数据和正常运行，对应的灯况分别为慢闪、快闪和常亮。此外，该模块断电后会迅速上报采集的数据;ZigBee无线模块即为无线数据采集系统ZigBee网络的终端。

（3）无线直流采集模块

该模块包含直流数据采集模块和ZigBee无线模块两个单元。直流数据采集模块共有四个遥测量，分别为两路直流的电流和电压，按照定时器的设定，向协调器定时上报监测数据帧，ZigBee无线模块即为ZigBee网络的终端。通信信道与指示灯模式与无线交流采集模块相同。

（4）无线温湿度采集模块

该模块包含温湿度数据采集模块和ZigBee无线模块两个单元，ZigBee无线模块即为ZigBee网络的终端。该模块由两个开关量和两个遥测量，遥测量分别实现温度和湿度的测量，开关量分别实现温度和湿度的测量开关。数据上报模式、指示灯设定与无线直流采集模块结构相同。

2 关键功能设计

2.1 无线通信功能设计

本文设计的无线数据采集系统由终端节点和协调器阶段两种设备组成，ZigBee网络代码包括终端节点代码和协调器代码两部分。在同一个软件工程中建立两部分代码，而且具有通用性，通过不同条件的编译方式分开这两种代码，使其实现不同的功能。节省了内存空间，提高了数据采集系统的运行效率。

该系统中，协调器第一个启动，作为中心节点负责整个ZigBee网络的维护和组件，并建立各个模块的通信信道。无线数据采集系统上电复位后，软件结构功能模块和硬件模块首先要进行初始化，通过扫描信道选择合适的信道并建立通信，该过程中模块会选择一个网络ID并与信道一起进行广播。然后，协调器节点会接收到子节点的链接申请，并作出相应。如果允许子节点链接，则协调器会为子节点分配十六位短地址，并进行与子节点的链接。协调器不用设定休眠模式，会一直接受终端节点的数据信息，并利用串口向主控单元发送，获得每个终端节点的地址编号及信息。流程如图2所示。

2.2 温湿度采集功能设计

在ZigBee网络中，温湿度数据采集模块作为终端采集设备，负责网络机房的温度/湿度数据采集、定时休眠唤醒、链接ZigBee网络以及向主控单元上报数据等功能。具体功能详细设计如下：

（1）初始化外设：包括初始化串口1、初始化喂狗、初始化Flash（EEOROM）、初始化拨码开关、初始化LED显示、初始化数据采集模块的驱动程序。

（2）网络初始化：设定设备类型及厂家ID、读取Flash中的终端/路由设备数据，并根据设备类型启动ZigBee网络链接、根据初始化后的拨动开关选择相应的信道、初始化网络硬件设备。该功能还能进行网络加密，代码如下：

netSecurityKey.u32Key Val_1=0x1010101C;

netSecurityKey.u32Key Val_2=0x1010101D;

netSecurityKey.u32Key Val_3=0x1010101E;

netSecurityKey.u32Key Val_4=0x1010101F;

（3）初始化Mid：包括Mid注册、变量声明、回调声明，还包括上报采集的温湿度数据结构，关键的实现代码如下：

uint8 u8ModuleID; //模块ID（1～31）

MAC_ExtAddr_s tsModuleMAC; //模块MAC

uint8 u8ModuleType; //模块类型

uint8 u8ModuleAppVer[3]; //模块APP版本

unsigned char cModuleBuildTime[21]; //模块APP编译日期

unsigned char cModuleAlarm; //0x00：非告警; 0x01： 告警数

uint32 u32ModuleRunTime; //模块已运行时间（单位：秒）

uint8 u8YCCount; //遥测采样值个数

int16 i16YCValue[YC_MAX_COUNT]; //遥测当前采样值

uint8 u8YXCount; //遥信采样值个数

（4）控制LED显示灯（定时器）：LED显示等分为三种状态，由定时器控制。间隔1 s闪烁——ZigBee无线网络断开1 s;间隔400 ms闪烁三次——温湿度数据采集模块向ZigBee无线网络发送数据;常亮——ZigBee无线网络已连接。

（5）看门狗（reload）

（6）休眠：包括中央处理器休眠、温湿度采集模块断电休眠以及协议栈休眠。

（7）唤醒：包括中央处理器休眠唤醒、协议栈休眠唤醒并恢复现场、温湿度采集模块加电。

（8）数据采集：中央处理器、协议栈以及温湿度采集模块唤醒后1s，开始采集网络机房温湿度数据。

温湿度采集功能程序流程如图3所示。

2.3 主控单元软件实现

主动单元软件包括BOOT程序和APP程序。BOOT程序是首先启动的，在运行过程中可接受到APP程序发开的升级指令，并自动跳转至APP。BOOT程序的主要功能设计为：3秒的喂狗（reload），查看Flash起始地址并自动向APP程序跳转，BOOT启动显示以及指示灯启动快闪。程序流程如图4所示。

APP程序与总监控室软件的交互，负责指示灯控制、键盘控制、液晶显示控制、Shell、串口服务、数据采集模块管理、上报的数据采集等。

3 系统关键功能测试

接通系统电源，测量V33的电压为3.3 V，V50的电压为5 V，输出电压为12 V，然后向温湿度采集模块写入APP程序。利用总监控室设备的串口，得到如图5所示。

网络机房温度和湿度的数据，经过实际测量，该结果误差很小，可忽略。

ZigBee无线网络测试过程中，将网络机房布置的每个数据采集模块连接到串口服务器上，在总监控室中利用超级终端获取每个串口shell中的传输数据，如图6所示。

通过主控制单元的串口shell输出的调试信息与每个单元模块的调试信息对比，可得到ZigBee无线网络数据传输状态。经过测试，ZigBee无线网络连接完好。

4 总结

ZigBee技术应用到网络机房环境无线数据采集中，具有

诸多优点。本文设计的无线数据采集系统能够对网络机房

的直流、交流、温湿度等情况进行实时的采集，并通过ZigBee无线网络收集并上报数据。经过测试，数据采集功能良好，与现场对比误差较小，ZigBee网络连接通畅，该系统可用于各种大型网络机房环境数据的采集，具有一定的先进性。

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（收稿日期： 2019.11.06）