基于邊云協(xié)同的分布式機房動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

王銀隆　彭來湖　史偉民

摘 ?要：為解決目前的機房動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在架構上主要表現(xiàn)為獨立組網(wǎng)、單服務器數(shù)據(jù)庫，不能滿足分布式機房集中監(jiān)控要求等問題，本文利用邊云協(xié)同的架構優(yōu)勢，采用搭載安卓系統(tǒng)的主板作為智能邊緣端，設計監(jiān)控系統(tǒng)終端設備軟件和硬件，提出總體設計思路，介紹系統(tǒng)智能終端監(jiān)控軟硬件功能框架、邊云協(xié)同模型、數(shù)據(jù)處理存儲上傳及訪問邊緣服務的實現(xiàn)。經(jīng)測試表明，設計方案能實現(xiàn)分布式機房動力環(huán)境的遠程集中監(jiān)控，并有效解決大量數(shù)據(jù)直接傳輸云端的問題，同時提供就近訪問邊緣服務功能。

關鍵詞：動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng);邊云協(xié)同;多點遠程監(jiān)控;就近邊緣服務

中圖分類號：TP311.5 ? ? 文獻標識碼：A

Design of Power Environment Monitoring System for Distributed

Computer Room based on Edge-cloud Collaboration

WANG Yinlong1， PENG Laihu1，2， SHI Weimin1

（1.Key Laboratory of Modern Textile Equipment Technology， Zhejiang Sci-tech University， Hangzhou 310018， China;

2.Hangzhou Qincheng Microelectronics Technology Co.， Ltd.， Hangzhou 310018， China）

wyl199501@163.com; 43233212@qq.com; swm@zstu.edu.cn

1 ? 引言（Introduction）

隨著社會信息化程度的不斷提高，人們建立了越來越多的信息化平臺，而這些平臺背后的支撐都需要依賴于數(shù)據(jù)機房，機房作為互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中不可或缺的重要一環(huán)，需要全年全天候不間斷穩(wěn)定運行，為保證機房的正常運行，其各個組成設備的運行狀態(tài)需要在運維人員的實時掌控下，這樣一來對于機房的動力、環(huán)境、消防等設備的實時遠程監(jiān)控，以及報警信息準確及時和無人化運維顯得尤為重要，由此就產(chǎn)生了機房動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，簡稱動環(huán)系統(tǒng)。

目前看來，面向中小型機房高復用型，尤其是能夠多點集中監(jiān)控并且遠程監(jiān)控的動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)將成為發(fā)展趨勢?，F(xiàn)在大多數(shù)動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)主要分為兩種，一種是局限于中小型機房單點監(jiān)控的系統(tǒng)[1-3]，如文獻[3]所提出的動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)只局限于短距離局域網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)控，無法實現(xiàn)多機房多點無人化集中監(jiān)控;另一種是只引入云計算的監(jiān)控系統(tǒng)[4]，如文獻[4]所提出的動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然能實現(xiàn)多點集中監(jiān)控，但是采集數(shù)據(jù)后就直接交給云平臺，這樣隨著機房監(jiān)控點數(shù)增多，加大了云平臺計算量，影響監(jiān)控的時效性和可靠性。因此針對以上問題本文提出了一種引入邊云協(xié)同的分布式機房動環(huán)集中監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案，在多點機房布置搭載安卓系統(tǒng)的邊緣終端設備，進行終端設備和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理上傳設計，從而實現(xiàn)多終端結合云計算的無人化集中監(jiān)控。

2 ? 系統(tǒng)總體設計（Integrated system design）

智能終端作為邊云協(xié)同中的邊緣節(jié)點，是整個系統(tǒng)的核心部分，采用高性能的通用型CPU，具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)展示等邊緣節(jié)點需要具備的能力。在每個機房布置一個終端設備，對機房的動力（配電、ups等）和環(huán)境設備（空調(diào)、溫濕度等）進行實時數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進行處理運算。一方面處理后的數(shù)據(jù)通過TCP協(xié)議上傳云平臺進行后續(xù)開發(fā)，另一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地存儲，完成本地客戶端及局域網(wǎng)客戶端就近展示。分布式機房分別部署終端設備，將較少量有用的數(shù)據(jù)上傳到云計算平臺，降低網(wǎng)絡傳輸帶寬，實現(xiàn)集中遠程監(jiān)控的同時又滿足在網(wǎng)絡邊緣對單個機房的就近訪問監(jiān)控，符合邊云協(xié)同模型計算。

2.1 ? 系統(tǒng)邊云協(xié)同模型

在傳統(tǒng)的云計算服務模型中，終端通常作為數(shù)據(jù)的消費者，在少量機房的情況下，云計算模型也能很好地支撐系統(tǒng)運行，但隨著機房量增多，數(shù)據(jù)大量產(chǎn)生，如還是繼續(xù)將數(shù)據(jù)不加處理直接上傳云平臺，需要部署大量的云服務來緩解數(shù)據(jù)傳輸壓力，而隨之帶來的是服務成本上升、終端設備資源閑置而造成不必要的浪費;而如不引入云計算只采用邊緣終端監(jiān)控則只能局限于單機房監(jiān)控，又無法滿足多點分布式機房監(jiān)控和遠程無人化的需求。邊云協(xié)同計算模型的引入極大地解決了上述問題。所以說大數(shù)據(jù)集中處理已經(jīng)從以云計算為中心的集中處理時代跨入以萬物互聯(lián)為中心的邊緣計算時代，而邊緣計算從熱鬧到落地離不開云計算，兩者不是替代關系，而是協(xié)同關系，邊云協(xié)同實現(xiàn)了兩者的優(yōu)勢互補[5-7]。

邊云協(xié)同對比云計算的優(yōu)勢可通過數(shù)學模型來驗證。文獻[8]中提到了通過業(yè)務的排隊模型對單一云計算和邊緣云計算進行分析，邊緣服務和云服務的服務率分別為和，采用三個邊緣服務和一個云服務，同時業(yè)務隊列為，計算邊緣云服務和單一云服務下的系統(tǒng)空閑概率分別為

（1）

（2）

因為，，所以。即在邊云協(xié)同模式下，服務的空閑率明顯低于單一云服務模式下的。業(yè)務的必須等待率分別為

（3）

（4）

其中可以明顯判別。即邊云協(xié)同模式下業(yè)務的必須等待概率要小于單一云服務模式下的[8]。由此可見邊云協(xié)同模型具有明顯的數(shù)據(jù)業(yè)務處理優(yōu)勢。

圖1表示本系統(tǒng)的邊云協(xié)同計算模型。邊緣服務基于終端設備，采用邊云協(xié)同計算模型，邊緣終端設備兼顧數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者和消費者，邊緣與云雙向傳輸，邊緣終端設備不僅從云中心請求內(nèi)容及服務，也執(zhí)行部分數(shù)據(jù)計算。同時邊緣終端也具有一定的數(shù)據(jù)接口，用戶可以不通過云服務直接就近獲取到邊緣服務提供的數(shù)據(jù)，通過采用局域網(wǎng)的形式直接訪問邊緣服務，相比于云服務最直接的優(yōu)勢就是低延遲和高帶寬。因此需要更好的設計邊緣終端設備的硬件平臺和軟件系統(tǒng)來滿足邊緣計算模型的需求。

2.2 ? 系統(tǒng)架構設計

根據(jù)上文的邊云協(xié)同架構，設計系統(tǒng)的整體架構為四層，分別是感知層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、用戶層，如圖2所示。

感知層包含對機房動力環(huán)境設備的數(shù)據(jù)采集與控制，終端設備與動力環(huán)境設備連接，采集到的數(shù)據(jù)進入到終端系統(tǒng)軟件中而到達數(shù)據(jù)層;數(shù)據(jù)層對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，處理完后的數(shù)據(jù)實時存入終端設備SQLlite數(shù)據(jù)庫中;對于數(shù)據(jù)層處理完后的數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)關進入到網(wǎng)絡層，通過Socket編程將數(shù)據(jù)上傳到云計算平臺進行后續(xù)處理存儲和遠程客戶端開發(fā)。用戶層分為本地/局域網(wǎng)/遠程客戶端三種呈現(xiàn)方式，本地客戶端不經(jīng)過網(wǎng)絡層直接訪問數(shù)據(jù)庫獲得最低延時的數(shù)據(jù)，局域網(wǎng)客戶端和遠程客戶端則分別向邊緣WEB服務器和與云計算平臺進行網(wǎng)絡請求，前者數(shù)據(jù)延時更低。

3 ? 邊緣端硬件實現(xiàn)（Edge hardware implementation）

終端設備以四核64位全志H6芯片為核心，根據(jù)機房現(xiàn)場布置需求，硬件設計有4路USB口、1路以太網(wǎng)接口、UART串口、1路SPI、1路HDMI、SD卡接口及SIM卡接口等，擴展串口服務器、串口拓展板（RS485/232）、4G短信報警模塊、IO采集模塊和觸摸顯示屏等。同時搭載Android 7.0移動操作系統(tǒng)，在負責與云平臺交互的同時能執(zhí)行一定復雜的計算任務。硬件平臺組成如圖3所示。

機房需監(jiān)控設備大多以RS485總線通信為主，串口拓展板和串口服務器的功能都是擴展RS485/232串口，以適應機房所需要的多種串口設備的監(jiān)控;對于漏水、煙感等以干接點作為開關量狀態(tài)指示的設備，采用擴展的綜合IO采集模塊。終端設備根據(jù)機房現(xiàn)場環(huán)境進行相應的采集接口擴展，除了基本的串口IO，還可接入攝像頭、門禁等設備。

4 ? 邊緣端軟件實現(xiàn)（Edge software implementation）

終端設備軟件設計采用Qt for Android平臺開發(fā)，利用了Qt擁有良好的跨平臺性、強大的信號槽機制、界面設計器，以及豐富的圖形可視化顯示對象的視圖插件[9]。相對于原生開發(fā)，Qt開發(fā)的APP跨平臺性高，圖形化模塊化開發(fā)更方便，且與硬件設備串口的數(shù)據(jù)交互更加容易[10]。

4.1 ? 邊緣端設備界面設計

邊緣端設備軟件界面設計如圖4所示。

界面總體分為六塊功能模塊，具備設備配置、圖形展示、列表展示、控制、報警、歷史等功能模塊設計。針對實際應用情況，系統(tǒng)設計了一些特殊功能模塊實現(xiàn)了用戶高度自定義，如：

（1）圖形信號連接功能模塊的設計，設備由于解析了大量的數(shù)據(jù)，盡管進行了數(shù)據(jù)處理，一些設備的數(shù)據(jù)量還是很大的，無法全部展現(xiàn)在圖形化界面上，此時可以通過信號連接功能模塊來實現(xiàn)，用戶根據(jù)需求自行選擇需要展示在圖形界面的參數(shù)。

（2）報警策略及自定義報警功能模塊的設計，默認的報警參數(shù)可能無法滿足實際應用的需求，系統(tǒng)提供了用戶自定報警及相應的策略響應功能，比如實現(xiàn)機房環(huán)境溫度高于35℃需要自動調(diào)低空調(diào)溫度設定值，直到達到設定時結束調(diào)整。該功能模塊能實現(xiàn)一定程度上的自適應調(diào)整，更適合實際應用環(huán)境。

4.2 ? 數(shù)據(jù)處理設計

在邊云協(xié)同模型中，邊緣端設備具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，這需要在軟件設計中實現(xiàn)。終端設備通過對串口讀寫獲取到僅為原始數(shù)據(jù)，對于RS485/232總線通訊設備需根據(jù)設備數(shù)據(jù)協(xié)議進行解析轉(zhuǎn)化。不同設備協(xié)議不同，如MODBUS協(xié)議、韋根協(xié)議等。如把所有用到的設備協(xié)議數(shù)據(jù)處理代碼全部寫進主程序中，那代碼將變得臃腫，處理效率也相應降低，之后的軟件升級維護也變得困難，并且其安全性能比較低，軟件一旦被破解，關鍵代碼也容易泄漏。

為解決以上問題，本文采用動態(tài)鏈接庫編程技術。動態(tài)鏈接庫技術是一個包含代碼和數(shù)據(jù)，并且可以供多個程序同時使用到的庫，其優(yōu)點是能夠避免代碼重復，提高內(nèi)存效率，并且對關鍵技術具有保密措施[11]。如圖5所示，根據(jù)每個型號設備的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，分別創(chuàng)建一個動態(tài)鏈接庫類，在動態(tài)鏈接庫中完成對設備原始數(shù)據(jù)的協(xié)議解析，包括數(shù)學運算、ASCII碼轉(zhuǎn)換、報警狀態(tài)判斷等，同時數(shù)據(jù)解析轉(zhuǎn)換完后的本地數(shù)據(jù)庫讀寫存儲操作也在動態(tài)鏈接庫中完成。該類最終由平臺編譯成為“.so”文件。當機房部署時，用戶只需進行相應的配置，主程序就會調(diào)用對應的動態(tài)鏈接庫，沒配置的設備則不會進入主程序調(diào)用線程，自然不會占用內(nèi)存使用，因此提高內(nèi)存利用率，避免重復無用代碼。

4.3 ? 數(shù)據(jù)存儲及上傳

在邊云協(xié)同模型中，用戶可以通過云端下發(fā)獲取數(shù)據(jù)，同時也可以就近訪問終端設備數(shù)據(jù)，因此終端軟件設計需具備數(shù)據(jù)本地存儲和數(shù)據(jù)上傳云端的功能。

終端設備采用SQLite數(shù)據(jù)庫作為本地存儲數(shù)據(jù)庫。SQLite為進程內(nèi)數(shù)據(jù)庫引擎，嵌入運行于程序的進程空間，具有速度快、綠色、跨平臺/可移植性，以及提供多種編程語言接口[12]。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)存入SQLite數(shù)據(jù)庫中，在SQLite數(shù)據(jù)庫中建立合理結構的數(shù)據(jù)表，考慮到隨著時間的推移，數(shù)據(jù)量增大后數(shù)據(jù)庫讀寫效率會明顯下降的問題，采用了兩種辦法解決：分表加索引提高數(shù)據(jù)庫讀取效率，面對大量數(shù)據(jù)也能快速查詢;定期刪除數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)記錄。

終端設備數(shù)據(jù)上傳云平臺有多種實現(xiàn)方式，本文通過設計TCP客戶端及服務器端進行Socket編程來實現(xiàn)。終端設備通過QTcpSocket通訊類，將經(jīng)過解析后的數(shù)據(jù)通過自定協(xié)議透傳到服務器端，TCP服務器則采用GatewayWorker框架開發(fā)，收到的數(shù)據(jù)解析后存入云數(shù)據(jù)庫以供后續(xù)開發(fā)。

4.4 ? 局域網(wǎng)下訪問邊緣服務實現(xiàn)

對于局域網(wǎng)下訪問邊緣服務的實現(xiàn)，需要邊緣終端設備具備WEB服務器環(huán)境。在安卓系統(tǒng)下搭建WEB服務器環(huán)境，采用將服務通過整合進系統(tǒng)層面進行開發(fā)。WEB服務器選用輕量級的lighttpd，后臺接口語言采用PHP5，下載lighttpd和php-cgi等程序，編譯進安卓系統(tǒng)，在系統(tǒng)boot時調(diào)用兩者的啟動文件進行服務開啟。開啟服務后，終端設備成為一個WEB服務器，當用戶移動客戶端選擇接入邊緣局域網(wǎng)中，客戶端即通過HTTP協(xié)議向邊緣服務請求數(shù)據(jù)，邊緣服務后臺腳本接收到數(shù)據(jù)請求后進行本地數(shù)據(jù)庫操作，將數(shù)據(jù)提取后封裝為json數(shù)據(jù)格式后返回。如此實現(xiàn)局域網(wǎng)下訪問邊緣服務具有低延時、高帶寬等特點，很好地補充云服務訪問的一些缺陷。

5 ? 系統(tǒng)展示（System display）

系統(tǒng)經(jīng)運行調(diào)試并上線使用后能穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了邊云協(xié)同監(jiān)控。報警信息通過多種方式精準推送給運維人員，數(shù)據(jù)經(jīng)邊緣設備解析處理后，相較于直接上傳云端的網(wǎng)絡傳輸壓力大大下降。圖6為系統(tǒng)實物圖，圖7為終端設備監(jiān)控軟件，圖8為遠程客戶端軟件/網(wǎng)頁。

6 ? 結論（Conclusion）

終端、云平臺的協(xié)同作用構建了分布式機房動力環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)。通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_服務器，能夠通過互聯(lián)網(wǎng)將多機房、多點進行集中的監(jiān)控，實現(xiàn)無人化遠程監(jiān)控。通過邊緣計算將采集的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡邊緣進行加工處理，減少了上傳云平臺的數(shù)據(jù)量。通過局域網(wǎng)就近訪問邊緣服務，提供了更低延時的可靠訪問。這種基于邊云協(xié)同的機房動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計方案為分布式機房集中可靠監(jiān)控提供一種解決方案。

參考文獻（References）

[1] 宋朋濤，李超，徐莉婷，等.基于個人計算機的智能家居邊緣計算系統(tǒng)[J].計算機工程，2017，43（11）：1-7.

[2] 丁承君，劉強，馮玉伯，等.基于物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算的高校機房在線監(jiān)測[J].計算機工程與應用，2018，54（21）：257-264.

[3] 單聰.基于物聯(lián)網(wǎng)的機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[D].南京郵電大學，2014.

[4] 李銘瑤，薛新民.云計算數(shù)據(jù)中心動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].信息技術與標準化，2017（Z1）：57-60.

[5] 楚俊生，張博山，林兆驥.邊緣計算在物聯(lián)網(wǎng)領域的應用及展望[J].信息通信技術，2018，12（05）：31-39.

[6] Prateeksha Varshney， Yogesh Simmhan. Characterizing application scheduling on edge， fog， and cloud computing resources[J]. Software： Practice and Experience， 2020， 50（5）： 558-595.

[7] 李斌.基于邊云協(xié)同技術的高速鐵路“工電供”綜合運維一體化管理平臺研究與探索[J].電信科學，2019，35（S2）：77-83.

[8] 謝辰飛.面向智能家居的邊緣計算研究[D].電子科技大學，2019.

[9] 王斌.基于Qt for Android的移動GIS應用開發(fā)與研究[D].鄭州大學，2016.

[10] 閆鋒欣，牛子杰，杜爍煒，等.基于Qt的Android應用程序C/C++開發(fā)方法與實踐[J].計算機系統(tǒng)應用，2018，27（07）：96-102.

[11] 丁浩洪.動態(tài)鏈接庫技術的應用探討[J].信息系統(tǒng)工程，2019

（01）：40.

[12] 韓貝.SQLite數(shù)據(jù)庫研究與應用[D].南京郵電大學，2019.

作者簡介：

王銀?。?995-），男，碩士生.研究領域：機械電子工程.

彭來湖（1980-），男，博士，講師.研究領域：智能裝備與嵌入式控制技術.

史偉民（1965-），男，博士，教授.研究領域：紡織機械自動控制.