一种基于RFID的机房装备智能化管理技术

赵 越，耿艳栋

(航天工程大学，北京 100120)

1 引言

随着物联网、云计算、大数据、人工智能等技术的不断发展，数据中心的建设得到了大幅推动，近几年数据中心建设正成为国家经济发展的重要支撑，其地位越来越凸显，无论是政府、企业、移动运营商、互联网、金融等行业都在积极推动数据中心建设，通过信息化改革建设，促进发展自身业务。我国数据中心数量众多，两地三中心、多地多中心等容灾建设已广泛用于提高数据中心灾备能力，确保业务连续运行，数据中心规模已从2010年的51万个增长至现在的100万个，超过3000个机柜的大型数据中心已超300个，数据中心机柜数量成倍增长，服务器、存储、网络等IT基础设施数量更是成指数级增长，这为数据中心装备管理高效管理带来了巨大挑战，如何实现数据中心IT基础设施全生命周期信息化、智能化管理，大幅提升装备运维效率，确保装备安全稳定运行，降低运维成本显得至关重要。

传统的数据机房装备管理主要依靠人工和简单信息系统，在运用资源管理系统对数据机房装备进行管理时，主要采用贴标签或者二维码的方式进行人工盘点[1]。传统的管理模式存在装备盘点效率低、资源能力底数不清等问题，无法实时追踪设备进出机房，无法及时发现装备位置信息变更，无法实时掌握数据机房机柜容量、装备运行状况等信息，不仅人工运维成本高，资源利用率低，而且存在一定的安全隐患。近年来，国内数据中心装备管理通过引入最新的RFID技术，已从传统的人工登记统计，借助装备管理系统进行简单的落位信息、设备信息管理，逐步发展到利用RFID技术实现装备的定位、机柜容量管理、设备上下架管控以及三维可视化展示等智能化管理[2-5]。

本文针对某中心数据机房装备人工管理效率低且容易出错，以及无法及时掌握资源使用，造成资源利用率低等现状，在充分调研该中心数据机房装备规模以及运行管理现状的基础上，提出一种基于RFID的数据机房装备智能化管理技术，采用单模标签和双模标签相结合，无线采集设备和有线采集设备相配合的方式，同时融入机柜温度采集、机房通道门检测等手段，构建数据机房装备涵盖到货验收、出入机(库)房、上架下架、运行环境、维修报废、备品备件管理等全生命周期的智能化管理系统，大幅降低人工运维成本，提高设备资源利用率，降低数据中心PUE值，助力推动绿色数据中心建设发展。

2 RFID技术

就全球范围而言，随着RFID技术标准不断完善，以及RFID电子标签种类多样化和成本不断降低，基于RFID技术的应用得到大范围推广，主要集中在仓储管理、零售业、智能交通、身份识别、物联网、智能医疗、物流等领域[6-9]。目前，国内RFID技术应用主要集中在智能门禁、医疗监控、金融、身份识别、仓储管理、位置感知、食品识别、物流管理等方面[10-13]。John Downie、Matthew Whiting、James Trice等人[14]提出将RFID技术应用于数据中心大量光纤线缆跟踪管理，用于解决传统人工统计管理带来的低效率、易出错等问题，通过构建高度密集的RFID标签阵列，收集RFID标签的软件数据并将其与结构化布线正确关联，实时跟踪和维护光纤线缆，提高数据中心光纤线缆管理和维护效率。John C. Nelson、Timo Santala、 Jonathan Lenchner等人[15]提出将RFID技术与基于视觉的移动机器人结技术相结合，对数据中心的资产进行跟踪管理，重点研究了将RFID阅读器部署在机器人身上，通过采取加权接收信号贡献的方法，提高机器人的识别数据中心机柜中资产的准确度，实现数据中心资产的移动跟踪和自动化盘点管理。

2.1 RFID标准

目前国际上围绕数据内容标准为核心形成了ISO/IEC、EPCglobal、UID三大RFID标准体系。RISO即国际标准化组织，其与国际电工委员会(IEC)合作密切，ISO和IEC作为整体，参与制定多项全球国际标准，其中对于各个频段的RFID也都颁布了标准。RFID领域的ISO/IEC标准包括技术标准、数据内容与编码标准、性能与一致性标准和应用标准4大类，并主要在RFID的相关技术特性、技术参数和技术规范等方面做出了规定。EPCglobal标准由欧美跨国公司主导，其核心成员包括沃尔玛、麦德龙、思科、吉列等全球知名公司，是全球最大的RFID标准组织。EPCglobal标准主要面向物流供应链领域，把解决供应链的透明性和追踪性作为目标，其提出的物联网体系架构包括EPC编码、EPC标签及读写器、Savant管理软件、ONS服务器和EPCIS服务器等。UID目标也是构建一个完整的RFID标准体系，目前获得微软、索尼、三菱、日立、日电、东芝、夏普、富士通等企业的支持。UID中心的泛在识别技术体系架构主要包括泛在识别码(ucode)、信息系统服务器、泛在通信器和ucode解析服务器等四部分。

2.2 RFID 系统组成

一般而言，基于RFID的装备管理系统主要由RFID标签、读写器以及应用系统三部分组成[16]。

图1 RFID系统组成

RFID标签由芯片和天线组成，芯片中包含有唯一的ID，与装备信息进行关联，用于装备的定位、跟踪。读写器主要包括手持读写器、桌面读写器、无线采集设备、有线采集设备以及通道门检测系统等，用于识别RFID标签，同时将采集信息传送至应用系统。应用系统通过采集管理底层读写器获取的RFID标签信息，实现装备的全生命周期管理。

2.3 RFID 标签分类

RFID标签常见的分类方式主要有两种[3]：一是按照供电模式分类；二是根据工作频率分类。

基于供电模式的不同，可将RFID标签分为有源标签、无源标签以及半有源标签三种类型。①有源标签：标签内部预制有电池，能够对标签内部模块进行供电。优点是识别距离长，无需考虑功耗问题，实现功能多，应用广；缺点是维护成本高，使用周期比较短。②无源标签：该类标签无内置电池，无法主动供电，需要依赖外部读写器通过发射信号产生的电磁场能量来激活标签工作。优点是体积小、寿命长、成本低；缺点是识别距离短，实现功能少，应用窄。③半有源标签：综合有源和无源标签的优点，内置电池，但只起到激活的作用，在初始状态处于休眠态，只有在处于低频激活器的识别范围内，才开始对外发射信号进行数据传输。

基于工作频率的不同，可将RFID标签分为四类[3]：低频标签、高频标签、超高频标签以及微波标签。RFID标签工作频率对应关系如下表所示。

表1 各类RFID标签工作频率

本文充分调研了某中心数据机房装备部署情况以及装备运维管理需求，综合考虑成本因素，采用无源电子标签，实现机房机柜装备U位定位和槽位定位以及装备进出机房身份识别检测。

3 基于RFID技术的装备智能化管理系统总体设计

3.1 系统设计原则

系统设计遵循如下原则：

1)国产化：核心技术、关键零部件、各类软件全部国产化，依靠自身研发设计，全面掌握产品核心技术，实现装备全生命周期管理系统从硬件到软件的自主研发、生产、升级、维护的全程可控。

2)安全性：设计和建设过程中充分考虑装备全生命周期管理系统自身信息存储、计算和交换的安全。

3)开放性：运用开放的标准规范整合装备全生命周期管理相关的各类系统，采用标准接口和协议实现系统信息交换和共享。

4)集约性：充分利用已有建设成果，辅以必要的补充完善，提升装备运行管理水平。

5)复用性：采用模块化和平台化研制方法构建应用服务体系，提高软件复用和重用能力，方便建设成果推广。

6)实用性：以面向实际应用为原则，一切建设都是为了最终应用，选择可行落地的解决方案，满足首长、机关等管理部门和一线装备管理维护人员的切实需求。

3.2 设计依据

系统设计方案满足如下技术规范：

1)《信息安全技术 射频识别(RFID)系统通用安全技术要求》GB/T 35290-2017；

2)《信息安全技术 网络安全等级保护安全设计技术要求》GB/T 25070-2019；

3)《信息安全技术 办公装备安全测试方法》GB/T 38556-2020；

4)《信息安全技术 网络安全管理支撑系统技术要求》GB/T 38561-2020；

5)《信息技术装备的无线电骚扰限值和测量方法》GB 9254-2008；

6)《信息技术装备 抗扰度限值和测量方法》GB/T 17618-2015；

7)《信息技术装备 安全 第一部分：通用要求》 GB 4943.1-2011；

8)《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值(装备每相输入电流≤16A)》；

9)《电磁兼容 限值对每相额定电流≤16A且无条件接入的装备在公用低压供电系统中产生的电压变化、电压波动和闪烁的限制》GB 17625.2-2007。

3.3 系统总体架构设计

系统采用基于RFID的物联网技术，采用无线和有线相结合的技术手段，结合通道检测和机柜温湿度等微环境实时监控，实现装备自动判读、自动记录、自动盘点、机柜内部温湿度监控、出入机房监控、异常告警等功能，从而完成数据机房装备全生命周期智能化管理。

系统分为数据采集管理系统、数据服务系统和服务展示系统，详见2图所示。

图2 局部快速索引模型

采集管理系统：由RFID电子标签和采集设备组成。

数据服务系统：由出入口管控、机柜内部管控、日常作业管理、装备基础信息管理、系统管理等模块组成。

服务展示系统：由统计分析、报警展示和三维展示等模块组成。

4 基于RFID技术的装备智能化管理系统功能设计

4.1 采集管理系统

采集管理系统包括电子标签和采集装备。电子标签分为三种，包括单模电子标签、双模电子标签、双功能电子标签。采集装备包括手持读写器、桌面读写器、无线信号采集装备、有线信号采集装备、装备识别通道、电子门禁识别设备等。功能设计如图3所示。

图3 数据采集管理系统

4.2 数据服务系统

数据服务系统包括出入口管控、机柜内部管控、系统管理、装备基础信息管理、日常作业管理等，通过对装备所在物理空间的全方面监控和装备运行周期的全时段监控管理，实现装备全生命周期无死角管理。功能设计如图4所示。

图4 数据服务系统

出入口管控模块：包括装备出入管控和人员出入管控等功能，确保装备进出机房安全。

机柜内部管控模块：包括机柜U位监控、刀箱槽位监控、微环境管理、智能灯光管理和空间容量管理等功能，实现数据机房机柜内部实时监控和安全管控。

系统管理模块：包括权限管理、日志管理、消息公告管理和个人工作台管理等功能，实现对系统状态实时监控以及运维人员的管控。

装备基础信息管理模块：包括机(库)房信息管理、装备数据库管理和装备运行计划管理等功能，实现对装备信息的高效存储管理和装备运行计划管理。

日常作业管理模块：包括到货验收、入机(库)房、装备领用、出机房、自动盘点、退机房、装备备件管理等功能，实现数据机房的全生命周期管理。

4.3 服务展示系统

服务展示系统包括统计分析、报警提示、三维展示等内容，通过直观的图形化展示实现对装备全生命周期管理数据和装备运行状态的直观呈现。功能设计如图5所示。

图5 服务展示系统

统计分析模块：装备统计分析，是对运行中和仓储中的装备信息进行统计分析，从不同角度了解装备的使用情况、状态信息、维修情况、汇总报表等。同时可进行报表统计、各要素组合查询，形成分析图，可导出相应的Excel表。并对库容、存量、效期等方面进行预警，包括图形化展示、对账统计、单据查询统计、出入机(库)房统计、收发货统计、套装备统计、基数装备统计、机(库)房供给实力分析、库容预警、存量预警、效期预警等。

报警提示模块：对装备全生命周期管理过程中出现的异常情况进行报警展示，采用弹窗、图形、声光等多种方式实现报警提示功能。如装备非法移动报警、装备非法进出机房报警、机柜内温湿度超标报警、装备逾期未保养维护等。

三维展示模块：采用最新的三维图形技术，实现对项目范围内所有装备管理对象的虚拟仿真，以完全三维模式构建整个机房环境。系统中任何装备对象均以与实际装备完全一致的三维模型进行展示，对装备类型应有单独对应的模型。采用虚拟现实技术的全三维展示方式，建立三维可视化管理环境，实现机房、机柜、装备级全三维浏览和全鼠标操作。可以对三维场景实现放大/缩小、上下左右的平移和任意角度旋转等操作。具备机房漫游功能，可以第一视角方式体验在机房内任意走动的场景。

5 原型系统

本系统采用B/S架构，基于物联网、无线电通信、数据库管理、人脸识别以及三维可视化建模等技术，构建一套基于RFID技术的数据机房装备智能化管理原型系统。如图6和图7所示。

图6 原型系统登录界面

图7 原型系统管理界面

系统前端管理界面实现数据机房装备从验收、入场、设备上下架、设备运行监控、设备退役报废等全生命周期管理。系统后端通过数据库存储管理底层采集设备实时采集的设备信息，记录设备参数信息、运行状态信息、设备变更信息、告警信息等内容。

图8 原型系统三维展示界面

通过3D可视化技术，以三维视图展现机房、机柜和装备使用率和剩余率，以及各项资源容量综合对比，不同色彩分割展现不同容量范围的机柜空间，可显示统计范围内的U位空间容量，显示总空间、已用空间和使用率等详细指标，同时能够实时显示装备异常告警信息，便于快速定位故障设备，提高装备管理效率。

6 结语

针对机房装备管理涉及到货验收、出入机房、装备上架下架、装备位置变动、装备运行状态、装备维修报废、装备备件管理等全生命周期的诸多环节，主要依靠人工登记记录和简单信息系统管理等手段，管理过程繁琐、容易出错，管理效率低下且资源利用率低。本文提出一种基于RFID的数据机房装备智能化管理技术。解决了人工管理和简单信息系统管理存在的盘点效率低下、能力底数不清、审批周期长的问题，实现机房装备到货验收、出入机(库)房、上架下架、运行环境、维修报废、备品备件管理等全生命周期的智能化管理。