分布式機房溫濕度監控系統的設計

楊維發 許瑋 張冰松 鮑淸

摘 要：隨著全國氣象信息化工作的推進，湖北省氣象局機房的設備數量日益增長，特別是虛擬基礎資源池的不斷擴容，導致大功率、高密度的機柜散熱問題變得日益突出，嚴重威脅著業務的穩定運行。本文設計了一套基于ZigBee無線技術的分布式機房溫濕度監控系統，介紹了系統的總體設計方案和硬件電路，同時對協調節點Z-Stack協議棧、DS18B20數據讀取上位機顯示進行了軟件設計。

關鍵詞：ZigBee技術；機房；分布式；溫濕度監控

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）05-0015-02

大多數機房在建設過程中沒有經過復雜的CFD分析，無法預測未來發展對功率密度的需求，在增加高功率設備的同時也增加了安全隱患。傳統的總線式機房溫濕度檢測系統布線復雜，在部署新增監測點位時會因走線設計不合理，產生新的高熱密度區域，影響設備運行[1]。無線傳輸則擺脫了線纜的束縛，有安裝周期短，易于維護，擴容能力強等優點，并且組網靈活，無需為新添加設備鋪設網絡，增加設備即可實現遠程監測。基于此本設計了一套基于ZigBee無線技術的分布式機房溫濕度監控系統。系統采用的無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network）是由大量低成本、能耗低的微小傳感器節點（Sensor node）構成的無線網絡測控系統。系統可以根據機房設備分布情況，快速靈活地增加或改變監測點。本系統還提供了語音和短信報警功能，減輕了崗位人員的工作負擔，又降低了因停電或空調故障導致機房事故的概率。

1 方案設計

1.1 ZigBee網絡

ZigBee是一組基于批準通過的無線標準研制開發的，有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準，是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，主要用于近距離無線連接。在ZigBee網絡中有三種網絡節點，分別是協調器節點、路由器節點和終端節點。ZigBee的網絡結構類型也分為三種，包括星型網路結構、樹形網路結構和網狀網路結構三類。在星型結構下，基于鏈的線狀網絡結構，在這種結構下，節點被串聯在一條或多條鏈路上，鏈尾與協調器節點相連，只有末端節點為終端節點。樹狀結構的每個節點可接收多個子節點，該子節點可以路由器節點或終端節點。網狀結構具有可傳輸靠性高、網絡伸縮性好的特點。在個別鏈路或節點失效時，不會引起網絡的分離。

1.2 系統總體方案

本文設計的基于ZigBee技術的布式機房溫濕度監控系統主要包括上位機、ZigBee模塊、短信報警模塊和傳感器四個模塊。上位機接通過USB轉RS232串口協議收到數據接收模塊（ZigBee協調器）的數據，并對數據分析和顯示；ZigBee模塊分為協調節點和終端節點兩類，協調節點負責從ZigBee網絡接收數據并上傳給上位機，終端節點負責讀取傳感器數據并將數據通過ZigBee網絡發送出去；上位機接收到溫濕度數據后進行分析，如果超出用戶設置的閾值，會通過RS232接口向短信報警模塊發送報警命令；傳感器負責采集溫度和濕度信號[2]。系統總體設計方案如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 微處理器CC2530

協調器節點和終端節點都采用由德州儀器公司的生產的CC2530芯片，并按照需求增加相應的外圍電路構成。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM和許多其它強大的功能。CC2530多模式運行的特點使得它尤其適應超低功耗要求的系統。CC2530芯片結合了一個高性能的2.4GHz DSSS射頻收發器核心和一顆工業級增強型的8位8051微控制器，包含的外圍電路包括21個可編程I/O引腳、8路輸入和可配置分辨率的12位模數轉換器ADC，5通道的DMA，3個時鐘計時器、1個看門狗定時器、2路USART協議、32 kHz晶振的定時器、上電復位電路、掉電檢測電路等；CC2530采用6mm×6mmQFN40封裝，將數字基帶處理器、射頻模塊、模擬電路及存儲器集成在同一個硅晶片上[3]。

2.2 ZigBee模塊電路設計

ZigBee模塊電路主要包括電源設計、RF電路、傳感器信號調理電路等。電源采用外接5V電源，通過一片HT7533電源芯片降壓至3.3V為CC2530提供電源。由于CC2530將8051內核與無線收發模塊集成到一個芯片當中，因而簡化了電路的設計過程，省去了對單片機與無線收發芯片之間接口電路的設計，縮短了研發周期[4]。ZigBee模塊電路設計主要包括接口電路、電源濾波電路、芯片晶振電路、巴倫電路、入網指示電路及復位電路部分。設計采用50Ω單極子天線，由于CC2530的差分射頻端口具有兩個端口，而天線是單端口，因此需采用巴倫電路（平衡/非平衡轉換電路）完成雙端口到單端口的轉換。巴倫電路由電感（L2、L3，L4）和電容（C11、C12、C15）構成。

2.3 溫濕度檢測模塊設計

本設計中采用的溫度傳感器為數字溫度傳感器，型號為DS18B20，其電壓工作范圍為3.0V～5.5V，DS18B20采用獨特的“單總線”通信接口方式，通過總線直接輸出數字溫度值，可配置輸出CRC校驗碼。該傳感器檢測到的最低溫度為-55℃，最高溫度為125℃，在-10～+85℃時的精度為±0.5℃。濕度檢測模塊選用的是濕敏電容濕度傳感器HS1101，該傳感器采用獨特工藝設計，具有全互換性，在標準環境下不需校正，長時間飽和下快速脫濕，可以自動化焊接，包括波峰焊，高可靠性與長時間穩定性，專利的固態聚合物結構，可用于線性電壓或頻率輸出回路，快速反應時間快。同時具有高精度、寬量程、抗靜電、防灰塵，有效抵抗各種腐蝕性氣體的特點。

3 軟件設計

3.1 Z-Stack協議棧

ZigBee模塊設計基于通用性及便于開發的考慮，移植了TI公司的Z-Stack協議棧，其主要特點就是其兼容性，完全支持IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2530片上系統解決方案。Z-Stack協議棧的體系結構由稱為層的各模塊組成。每一層為其上層提供特定的服務：即由數據服務實體提供數據傳輸服務；管理實體提供所有的其他管理服務。每個服務實體通過相應的服務接入點（SAP）為其上層提供一個接口，每個服務接入點通過服務原語來完成所對應的功能。Z-Stack協議棧根據IEEE 802.15.4和ZigBee標準分為物理層，介質接入控制層，網絡層，應用層。物理層提供了基礎的服務，數據傳輸和接收，網絡層提供了各個節點連入的服務，是ZigBee網絡通信的關鍵，應用層是用戶關注的重點，為用戶提供了應用的框架。

3.2 DS18B20數據讀取

DS18B20采用單總線通信方式，因為控制和數據都在一根總線上，因此其數據傳輸的時序邏輯有著非常嚴格的要求。DS18B20數據讀取軟件流程如圖2所示。單片機首先通過一個復位脈沖喚醒DB18B20，然后DB18B20給單片機發送一個應答脈沖。單片機發的復位脈沖的低電平應該保持在480μs至960μs之間，然后單片機釋放總線，等待DS18B20應答[5]。接收到應答信號后，單片機開始啟動溫度轉換并開始等待溫度轉換結束，檢測到DB18B20轉換完成后，單片機讀取溫度數據。

3.3 上位機軟件設計

上位機軟件采用C#語言開發，數據通過USB轉RS232協議不斷接收數據，通過ZigBee網絡的地址碼識別是哪個節點的數據，并與用戶設置的閾值進行比較，同時對顯示界面進行更新。

4 結語

分布式機房溫濕度監控系統針對機房環境監測系統的和發展趨勢以及當前機房溫濕度監測系統的不足，提出了一種全新的基于ZigBee無線技術的分布式監測系統。本系統以及正式投入使用，為應對武漢持續高溫天氣對機房影響又提供了一道防線，并可廣泛的應用于雷達機房、大型計算機、檔案及庫房的環境監控。

參考文獻

[1]鐘九洲.基于無線傳感器網絡的多處網絡機房溫濕度雙向監控系統[J].計算機系統應用，2013，（5）：54-57.

[2]鐘文平.分布式機房溫濕度集中監控系統的設計[D].廣東：汕頭大學，2011.

[3]盧明喬.基于ZigBee網絡的LED智能照明系統的研究與設計[D].南京信息工程大學，2014.

[4]龔賢創，楊維發，楊代才，等.基于ZigBee技術的無線氣象數據采集系統的設計與實現[J].氣象科技，2015，（4）：608-612.

[5]呂建波.基于單總線數字溫度傳感器DS18B20的測溫系統設計[J].現在電子技術，2012，（19）：117-119.