淺析數(shù)據(jù)中心復(fù)合式環(huán)境監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)與應(yīng)用的論文
1 數(shù)據(jù)中心復(fù)合式環(huán)境監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)模型
數(shù)據(jù)中心復(fù)合式環(huán)境監(jiān)控單元為數(shù)據(jù)中心最小監(jiān)控單元，監(jiān)控單元集成了環(huán)境傳感器(溫度、濕度、風(fēng)速、煙霧等)、控制器(嵌入式系統(tǒng))、執(zhí)行器(電機(jī)、電磁閥等)三個(gè)主要部分，單元是為適應(yīng)數(shù)據(jù)中心環(huán)境監(jiān)控需求所設(shè)計(jì)的，其內(nèi)部則為局部環(huán)境變量的閉環(huán)控制系統(tǒng)， 會(huì)根據(jù)局部環(huán)境值的變化做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
許多數(shù)據(jù)中心將用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器布置在場(chǎng)地中某個(gè)位置，由于機(jī)柜部署在不同的位置，所形成的冷熱風(fēng)道在場(chǎng)地中交替分布， 單點(diǎn)傳感器所獲取的值并不能準(zhǔn)確反映數(shù)據(jù)中心局部環(huán)境變化的實(shí)際情況， 而且對(duì)于安裝在機(jī)柜內(nèi)部的某個(gè)具體設(shè)備而言， 場(chǎng)地中某一點(diǎn)的環(huán)境數(shù)值對(duì)該設(shè)備實(shí)際控測(cè)毫無幫助， 除非能連續(xù)監(jiān)控該設(shè)備所在的局部空間的環(huán)境變量，即使在同一機(jī)柜內(nèi)部，從底部到頂部也因安裝了不同發(fā)熱量的設(shè)備，環(huán)境數(shù)值也呈現(xiàn)出非均一性的變化特性，而復(fù)合式環(huán)境監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)滿足了這一需求， 單元的監(jiān)控對(duì)象是局部空間而不是一點(diǎn)，而且是多種環(huán)境傳感器的復(fù)合體，擁有獨(dú)立的控制器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 除了完成數(shù)據(jù)中心局部空間環(huán)境變量的采集，并能根據(jù)局部變化做出微調(diào)，使得環(huán)境監(jiān)控體系更為有效和精準(zhǔn)。單元的組織與部署形式靈活，可在每個(gè)機(jī)柜中部署，也可在數(shù)據(jù)中心的某一空間中連續(xù)部署，有些采用緊耦合冷卻的數(shù)據(jù)中心受限于場(chǎng)地形狀， 規(guī)劃中不可避免產(chǎn)生超長(zhǎng)型冷熱風(fēng)道和L 型風(fēng)道， 架空地板下可連續(xù)部署多個(gè)監(jiān)控單元，這樣不僅有助于了解風(fēng)道的溫度與風(fēng)速的變化，并通過單元所控制的風(fēng)機(jī)來自動(dòng)維持風(fēng)道出風(fēng)口壓力。
每個(gè)監(jiān)控單元都有獨(dú)立的控制器， 控制器通常采用成本低、體積小、功耗低的嵌入式微控制器EMCU，EMCU 可以完成復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)，但不需要運(yùn)行復(fù)雜系統(tǒng)，擁有較高的穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性， 也可編程控制多路環(huán)境傳感器的.采集過程與采集數(shù)據(jù)處理。當(dāng)多個(gè)單元協(xié)同工作時(shí)，控制器之間可采用以太網(wǎng)網(wǎng)、ZigBee、CAN 或其它工業(yè)總線等方式連接， 尤其是采用ZigBee 無線連接的監(jiān)控單元在部署方式上更為靈活。監(jiān)控單元可以根據(jù)監(jiān)控目標(biāo)不同， 靈活調(diào)整環(huán)境傳感器的類型與數(shù)量， 用于機(jī)柜的監(jiān)測(cè)單元需要多路矩陣式溫度傳感器，而用于風(fēng)道監(jiān)測(cè)單元?jiǎng)t需要煙霧傳感器和風(fēng)速傳感器，數(shù)據(jù)中心所用的不同類型監(jiān)控單元都可以做出適當(dāng)?shù)牟眉�，避免不必要的資源浪費(fèi)與系統(tǒng)開銷。
監(jiān)控單元的功能包括三個(gè)主要方面：傳感器驅(qū)動(dòng)、環(huán)境數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，在數(shù)據(jù)中心中環(huán)境監(jiān)控單元的大量使用，會(huì)導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)量的大幅增長(zhǎng)，因此單元程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于： 如何均衡傳感器數(shù)據(jù)采集精度與單元執(zhí)行效率的問題， 當(dāng)然數(shù)據(jù)通訊協(xié)議設(shè)計(jì)的是否合理也會(huì)影響到整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的效率。
2 復(fù)合式環(huán)境監(jiān)控單元總體架構(gòu)
2.1 環(huán)境監(jiān)控單元總體架構(gòu)
整個(gè)數(shù)據(jù)中心環(huán)境監(jiān)測(cè)單元采用多層架構(gòu)， 底層為采集層，由環(huán)境監(jiān)控單元構(gòu)成，這里采用ZigBee 控制系統(tǒng)，單元的主控程序運(yùn)行于ZigBee 協(xié)議棧之上， 單元與單元之間組成ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)，ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)具有：組網(wǎng)速度快、網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，保障了環(huán)境數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性與可靠性;上層為管理層，管理層主要職責(zé)是：向底層發(fā)出監(jiān)控指令和收集監(jiān)控單元所返回的環(huán)境數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與存儲(chǔ)。
2.2 環(huán)境監(jiān)控單元部署方式
數(shù)據(jù)中心環(huán)境監(jiān)控單元以上位機(jī)與下位機(jī)方式部署，上位機(jī)的主要作用就是控制下位機(jī)和管理環(huán)境數(shù)據(jù)， 下位機(jī)系統(tǒng)則由Zigbee 協(xié)調(diào)器、ZigBee 節(jié)點(diǎn)(即環(huán)境監(jiān)控制單元)組成，下位機(jī)的主要功能是采集各類環(huán)境數(shù)據(jù)， 并實(shí)時(shí)推送給上位機(jī)。上位機(jī)與下位機(jī)的通訊可依賴于不同的物理途徑，可以采用通用串行總線或以太網(wǎng)連接的方式。
3 復(fù)合式環(huán)境監(jiān)控單元硬件實(shí)現(xiàn)
復(fù)合式環(huán)境監(jiān)控單元的硬件由單元控制器與復(fù)合式環(huán)境傳感器組成，其中單元控制器可采用TI 公司主流的ZigBee 芯片CC2530，該芯片特點(diǎn)是兼容51 指令集，復(fù)合式環(huán)境傳感器由多路數(shù)字溫濕度傳感器、數(shù)字煙霧傳感器、以及風(fēng)速傳感器等組成，用于采集數(shù)字信號(hào)的環(huán)境數(shù)據(jù)。其中環(huán)境監(jiān)控單元常用數(shù)字傳感器列表如下：
3.1 監(jiān)控單元中矩陣式溫度傳感器設(shè)計(jì)
DS18B20 是美國(guó)DALLAS 半導(dǎo)體公司推出的“單總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成單片機(jī)可讀的數(shù)字信號(hào)， 其測(cè)量的溫度范圍是-55~125℃，測(cè)溫誤差0.5℃，可編程分辨率9~12 位，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可在一條總線上掛接多個(gè)傳感器分別讀取測(cè)量值，鑒于縮短采集時(shí)間和保障傳感器工作電流前提下，設(shè)計(jì)為一條總線上掛接4 個(gè)傳感器， 方便組成2×4 或4×4 矩陣式溫度傳感器組合。
3.2 監(jiān)控單元中露點(diǎn)值測(cè)量方法
溫濕度傳感器SHT10 是由瑞士Sensirion 推出的數(shù)字溫濕度傳感器，具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字接口，可與單片機(jī)直接相連，濕度測(cè)量精度：±4.5% RH(20~80% RH)溫度測(cè)量精度：±0.5℃，露點(diǎn)是數(shù)據(jù)中心環(huán)境的重要指標(biāo)，當(dāng)溫度冷卻到露點(diǎn)，空氣變得飽和，就會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備所造成的危害不言而喻，在監(jiān)控單元設(shè)計(jì)中，將STH10 分別部署在機(jī)柜冷風(fēng)或熱風(fēng)口，露點(diǎn)可以通過STH10 所測(cè)得的溫濕度值計(jì)算得到：LogEW=(0.66077+7.5×T/(237.3+T)+(log10(RH)-2)T 為溫度值，RH 為濕度值。露點(diǎn)：Dp=((0.66077-logEW)×237.3/(logEW-8.16077)
3.3 在線式風(fēng)速傳感器的設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)中心的空氣流動(dòng)有兩個(gè)重要特點(diǎn)：風(fēng)向穩(wěn)定、風(fēng)速較低，鑒于測(cè)量精度要求不高，則采用微型葉輪式分速傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是：體積小、成本低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、適合做數(shù)據(jù)中心風(fēng)速的長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)使用，其間的空氣流動(dòng)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電壓信號(hào)，經(jīng)過放大后由CC2530 做ADC 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)值，傳感器在使用時(shí)需要在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞中做初始標(biāo)定。
3.4 煙霧傳感器的設(shè)計(jì)
采用雙路MS5100 煙霧傳感器組合， 分別監(jiān)測(cè)機(jī)柜上部與下部空間的煙霧氣體變化情況，MS5100 屬于半導(dǎo)體煙霧傳感器，體積小、靈敏度高，可以探測(cè)0~2000ppm 范圍的煙氣，在機(jī)房架空地板下或其他密閉空間中， 可連續(xù)部署多組煙霧傳感器，形成密集型的復(fù)合監(jiān)測(cè)單元。
4 環(huán)境監(jiān)控單元程序設(shè)計(jì)
監(jiān)控單元的程序設(shè)計(jì)目標(biāo)是在ZigBee 協(xié)議�；A(chǔ)上建立多種環(huán)境傳感器復(fù)合的無線網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)， 使用IAR 單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境，程序可運(yùn)行在CC2530 的主控制芯片上，其主要功能如下：
(1)監(jiān)控單元管理(協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備)，包括設(shè)備初始、設(shè)備自檢、設(shè)備重啟等;
(2)ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)管理，包括監(jiān)控單元綁定管理、自組網(wǎng)管理、信號(hào)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)等;
(3)各類傳感器驅(qū)動(dòng)管理、初始化、復(fù)位等;
(4)傳感器數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)的過程控制。
5 結(jié)束語(yǔ)
數(shù)據(jù)中心復(fù)合式環(huán)境監(jiān)測(cè)單元的軟硬件部分已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，與數(shù)據(jù)中心運(yùn)維管理系統(tǒng)聯(lián)合部署，復(fù)合式環(huán)境監(jiān)測(cè)單元的提出為數(shù)據(jù)中心精細(xì)化管理提供了新的工具與方法， 但在實(shí)際應(yīng)用過程中還需開展工程化驗(yàn)證。
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