基于樹莓派的高校中心機房綜合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計

劉 磊，江永旭，劉慶俞

數(shù)據(jù)中心是高校信息化建設的核心基礎設施，其對所處機房環(huán)境的安全性與穩(wěn)定性要求極高［1-2］，而機房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)作為一種基于傳感器實現(xiàn)對機房環(huán)境狀態(tài)的實時監(jiān)測方案，在保障機房的安全運行方面發(fā)揮著重要作用.

近些年，各類成熟的企業(yè)級機房環(huán)境監(jiān)測方案被紛紛推出，這些方案多采用分層框架構建，終端部分由數(shù)據(jù)接入設備和環(huán)境傳感器組成，并通過網絡將數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)總業(yè)務服務器處理［3-4］.例如，深圳鯤鵬公司推出的智能化機房動力環(huán)境監(jiān)控報警系統(tǒng)［5］，能夠提供包含自然環(huán)境、動力、安保、網絡、報警等在內的多方位安全防范服務.南寧邁世公司的一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)OM-ZKM［6］，通過配置特定的外圍傳感器，能夠提供高可靠性、高度適用性的環(huán)境監(jiān)測解決方案，此外，系統(tǒng)提供的智能化預警功能，能夠實現(xiàn)對故障的快速反應能力及實時預警評估.這些企業(yè)級機房環(huán)境監(jiān)測方案，能夠為用戶提供穩(wěn)定、高效且專業(yè)的機房運維保障，但也存在部署復雜、功能使用率低和成本高昂等問題，不適合中小型用戶使用.

為了滿足中小型用戶對機房實時環(huán)境監(jiān)測及實時告警兩大核心功能的業(yè)務需求，本文在系統(tǒng)的軟/硬件架構設計實現(xiàn)方面均采用輕量化方案構建.其中，硬件架構采用樹莓派［7］（Raspberry pi）及以通用輸入/輸出接口［8］（General Purpose Input Output，GPIO）通信的環(huán)境傳感器作為系統(tǒng)的硬件載體，構建一種由數(shù)據(jù)匯總處理單元、數(shù)據(jù)接入單元及傳感器組成的三層系統(tǒng)架構，能夠較好地實現(xiàn)對機房多種環(huán)境數(shù)據(jù)的實時在線監(jiān)測及處理.同時，樹莓派良好的軟/硬件性能，可以滿足用戶對數(shù)據(jù)可視化及實時報警等業(yè)務的功能需求.此外，這種硬件構建方案能夠極大地降低系統(tǒng)成本，且通過設計數(shù)據(jù)接入單元的輕量化傳感器介入管理流程，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)對環(huán)境監(jiān)測范圍的靈活擴展.而在軟件架構設計實現(xiàn)方面，本文設計的原型系統(tǒng)以Python 腳本語言實現(xiàn)，Python 在GPIO 數(shù)據(jù)處理、Web 應用框架及信息通信框架等方面均具有豐富的第三方開發(fā)庫支持，能夠為系統(tǒng)的實現(xiàn)提供輕量化的構建選擇.同時，系統(tǒng)部署方式采用虛擬化容器技術Docker［9-10］進行封裝，具有易實現(xiàn)、易部署及跨平臺等特點.

1 方案總體設計

1.1 術語定義

①DCN（Data Collection Node）：數(shù)據(jù)采集節(jié)點.

②DTN（Data Total Node）：數(shù)據(jù)匯總節(jié)點.

③Sensor_table：DCN 傳感器端口配置列表.

④Sersor_data：DCN 環(huán)境數(shù)據(jù)匯總信息.

⑤Node_table：DCN 信息列表.

⑥Data_table：環(huán)境數(shù)據(jù)匯總信息列表.

1.2 方案架構設計

如圖1 所示，系統(tǒng)以樹莓派和傳感器構建三層結構的硬件框架，其中，數(shù)據(jù)匯總節(jié)點和數(shù)據(jù)采集節(jié)點均由樹莓派承擔.框架的最下層終端部分由傳感器組成，傳感器與DCN 間通過GPIO 接口相連；DCN 主要負責匯總傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)并封裝后傳輸給DTN；DTN主要負責匯總并分析各DCN 傳輸來的數(shù)據(jù)，同時承擔系統(tǒng)的安全告警及數(shù)據(jù)發(fā)布等相關業(yè)務功能.

圖1 系統(tǒng)框架圖

針對上述系統(tǒng)框架，本文設計的業(yè)務功能模塊包括：數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)匯總模塊、系統(tǒng)告警模塊、數(shù)據(jù)可視化模塊及Web 發(fā)布模塊.系統(tǒng)的業(yè)務處理流程主要集中于數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)匯總模塊.

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是DCN 的核心功能模塊，主要實現(xiàn)匯總DCN 接入的傳感器采集數(shù)據(jù)及向DTN 傳輸數(shù)據(jù)的功能.DCN 由一個樹莓派和多個環(huán)境傳感器組成，樹莓派和傳感器間通過GPIO 接口進行數(shù)據(jù)傳輸.GPIO 是一種通用輸入/輸出接口，具有低功耗、小封裝和低成本等優(yōu)點，通過配置可設定端口為輸入模式或輸出模式.如圖2 所示，左側部分為樹莓派實物圖，右側部分為樹莓派自帶的一組GPIO 接口，最多同時支持14 個GPIO 數(shù)據(jù)的輸入/輸出.

圖2 樹莓派GPIO 接口圖

如圖3 所示，本文針對機房的環(huán)境監(jiān)測主要涉及溫濕度、火災、水浸及電源等方面，采用的傳感器包括溫濕度傳感器（DHT11）、煙霧傳感器（MQ-2）、水滴傳感器（MH-RD）、紅外傳感器（HC-SR501）和霍爾電流傳感器（QBC-ECS5）.其中，溫濕度傳感器（DHT11）是一種一體式環(huán)境傳感器，能夠同時監(jiān)測環(huán)境的溫度和濕度.上述所列傳感器均支持GPIO 接口數(shù)據(jù)傳輸，一些傳感器僅支持模擬信號，可通過數(shù)模轉換器轉換為數(shù)字信號.一臺樹莓派理論上可同時最多支持14 個GPIO的數(shù)據(jù)接入，但考慮數(shù)據(jù)傳輸及處理效率和實際安裝等影響因素，本方案設定一臺樹莓派配置傳感器數(shù)量上限為6 個，同類型傳感器數(shù)量上限為3 個，均可配置連接上述5 類傳感器.DCN 通過維護Sensor_table{Id，Type，Port}來管理傳感器的端口接入配置信息.其中，Id 為傳感器編號，具有唯一性；Type 為傳感器類型編號；Port 為傳感器對應樹莓派的GPIO 端口號.DCN 會對采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進行封裝，生成一 條Sersor_data{Id，Ip，Time，Temperature_list，Humidity_list，Smoke_list，Water_list，Infrared_list，Electric_list}.其中，Id 為DCN 的編號，具有唯一性；Ip 為DNC 的網絡地址；Time 為數(shù)據(jù)采集時間；Temperature_list、Humidity_list、Smoke_list、Water_list、Infrared_list 及Electric_list 分 別 為 各類傳感器的采集數(shù)據(jù)列表，每個列表包含3 個同類數(shù)據(jù)，分別對應DNC 接入的同類型傳感器的采集數(shù)據(jù)，無傳感器接入時對應列表數(shù)據(jù)項設置為空值（Null）.

圖3 傳感器實物圖

DCN 數(shù)據(jù)采集流程如下：

Step1.DCN 初始化系統(tǒng)，設定數(shù)據(jù)采集周期T；

Step2.DCN 根 據(jù)Sensor_table 中的Type 分 別對GPIO 端口進行端口的輸入/輸出模式配置；

Step3.DCN 在一個T內，以順序方式讀取接入傳感器的采集數(shù)據(jù).具體根據(jù)Sensor_table 中 的Type 調 用Get_Signal（Type，Port）函 數(shù)進行讀取；

Step4.DCN 匯總所有傳感器數(shù)據(jù)，生成Sensor_data.

基于Python 編程語言的GPIO 類庫一般采用Rpi.GPIO，能夠滿足多種傳感器接入，通過簡單配置端口模式及添加事件響應函數(shù)即可完成對傳感器的參數(shù)配置，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的讀寫.此外，Adafruit 等類庫也能夠對GPIO提供支持，但支持接入的傳感器種類較少.

DCN 讀取傳感器數(shù)據(jù)分為輪詢式（Polling）和中斷式（Interrupt）兩種.其中，輪詢式是DCN以固定采集周期T通過主動形式順序讀取傳感器數(shù)據(jù)；中斷式則是傳感器根據(jù)各自數(shù)據(jù)采集周期t采集數(shù)據(jù)后，以終端請求形式向DCN 傳輸數(shù)據(jù).由于每個傳感器的t不同，若DCN 采用輪詢式，則可能會在一個T內錯過某個傳感器的數(shù)據(jù)采集行為，因此本文采用中斷式方式.同時，為了避免DCN 對傳感器GPIO 引腳電平狀態(tài)變化的監(jiān)測，可通過Rpi.GPIO 庫中的wait_for_edge（）和event_detected（）兩個函數(shù)進行配置.其中，wait_for_edge（）函數(shù)會中斷主程序的執(zhí)行，直到檢測到狀態(tài)變化為止.event_detected（）函數(shù)則會啟用一個子線程，通過在子線程中啟用一個主循環(huán)監(jiān)聽傳感器狀態(tài)變化并設置回調函數(shù)實現(xiàn)立即響應.

1.4 數(shù)據(jù)匯總模塊

數(shù)據(jù)匯總模塊是DTN 的核心功能模塊，主要負責管理DCN，并匯總從DCN 獲取的環(huán)境數(shù)據(jù).DTN 采用SQLite 作為數(shù)據(jù)庫，SQLite是一種輕量化關系型數(shù)據(jù)庫，也是一種內存式數(shù)據(jù)庫，具有高可靠性、低配置性、去服務器化及跨平臺等特點，其對硬件較低的配置要求使得采用樹莓派承擔DTN 的各項業(yè)務成為可能.DTN 主要維護的數(shù)據(jù)表包括Node_table 和數(shù)據(jù)信息表Data_table.其中，Node_table{Id，Ip，Time，Location}負責保存DTN 當前接入的DCN 信 息，Id 為DCN 的 編 號，Ip 為DCN 的網絡地址，Time 為DCN 的接入時間，Location為DCN 的位置標識.Data_table 與DCN 中的Sersor_data 結構相同，用于存儲從各DCN 采集到的環(huán)境數(shù)據(jù).

由于每個DCN 接入的傳感器種類及個數(shù)不相同，且各類傳感器的數(shù)據(jù)采集周期t不一致，使得各DCN 的采集周期T也不相同.對此，本文設計了兩種數(shù)據(jù)匯總算法滿足DTN的數(shù)據(jù)匯總需求，分別為主動輪詢算法和被動插入算法.兩者的區(qū)別在于：主動輪詢算法以DTN 為總調度節(jié)點，通過DTN 主動向各DCN發(fā)送調度指令協(xié)調數(shù)據(jù)的匯總流程；被動插入算法則是以各DCN 為獨立數(shù)據(jù)匯總單元，彼此間無聯(lián)系，系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的調度節(jié)點，DCN 以各自的T為周期采集到數(shù)據(jù)后直接插入到DTN 的數(shù)據(jù)庫中.由于被動插入算法中，對DCN 采用自主式管理，數(shù)據(jù)匯總流程較為簡單，本文僅對主動輪詢算法展開介紹，具體如下：

Step1.DTN 初始化系統(tǒng)，設定數(shù)據(jù)匯總周期T′；

Step2.DTN 以T′為周期，根據(jù)Node_table 順序向各接入DCN 發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令；

Step3.DCN 接收到指定后，以各自的T采集數(shù)據(jù)并生成一條Sensor_data，將其回傳給DTN；

Step4.DTN 匯總所有DCN 的回傳數(shù)據(jù)，統(tǒng)一整理后插入Data_table.

由于DCN 對于接入傳感器均采用中斷式數(shù)據(jù)采集方法，為了確保在一個T′內完成對所有DCN 的數(shù)據(jù)匯總，需要將DTN 的匯總周期設置大于各DCN 的數(shù)據(jù)采集周期T，即T′>T{T1，T2，…，Tn}，本文在實際測試結果基礎上，建議將T′設置為5 s.由上可知，主動輪詢算法需要通過DTN 統(tǒng)一協(xié)調各DCN 順序執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，這勢必會增加算法的流程復雜度和額外的數(shù)據(jù)通信流量.例如，需要增加Socket 通信模塊傳輸DTN 指令信息和DCN 狀態(tài)信息.而被動插入算法則是DCN 直連DTN上的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并將采集到的數(shù)據(jù)直接插入數(shù)據(jù)庫中，這種獨立匯總模式極大地簡化了算法流程，但也存在導致數(shù)據(jù)庫中匯總的采集數(shù)據(jù)在時間上無序，不利于DTN 對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和分析的問題.兩種算法各有優(yōu)缺點，由于本系統(tǒng)還包括告警及數(shù)據(jù)分析等功能，對于數(shù)據(jù)的匯總質量要求較高，因此本文采用主動輪詢算法.

為了提升系統(tǒng)的高擴展性和靈活性，DTN對DCN 采用動態(tài)管理機制，通過DTN 定期監(jiān)測DCN 連通性的方式，實現(xiàn)系統(tǒng)對DCN 的無感知擴展.具體做法為：新增DCN 時，在完成網絡環(huán)境配置后，由DCN 主動向Node_table 中添加一條數(shù)據(jù)，DTN 在每次采集數(shù)據(jù)前根據(jù)Node_table 檢測各DCN 的連通性，若網絡不可達，則在Node_table 中直接刪除對應條目.而移除DCN 時，可直接將DCN 斷開網絡，DTN 無需調整任何配置.

1.5 其他功能模塊

系統(tǒng)告警模塊.系統(tǒng)設計的告警模塊用以實現(xiàn)對異常環(huán)境狀態(tài)的告警.參考《計算機場地技術條件》國家標準GB2887-89 及《中華人民共和國通信行業(yè)標準》YD/T1821-2008 等文件中對中心機房環(huán)境條件具體要求，系統(tǒng)對機房溫度、濕度等數(shù)值參數(shù)及煙感、水滴、電流等狀態(tài)參數(shù)設定了合理的閥值，一旦系統(tǒng)監(jiān)測到環(huán)境狀態(tài)超過預定閥值就會觸發(fā)告警機制.本文消息告警方式包括消息盒子、短信和郵件三種，其中，消息盒子方式是在系統(tǒng)的Web 開發(fā)框架中設計實現(xiàn)的；短信方式采用騰訊云短信接口實現(xiàn)，對應的Python 第三方功能庫為qcloudsms；郵件方式則采用基于Flask 框架的異步郵件發(fā)送機制實現(xiàn)，對應的Python 第三方功能庫為flask_mail.

數(shù)據(jù)可視化模塊.系統(tǒng)在Web 前端采用數(shù)據(jù)可視化技術對數(shù)據(jù)進行展示，展示內容包括環(huán)境數(shù)據(jù)及CTN 硬件狀態(tài)信息：CPU 占用率、內存占用率及硬盤占用率.其中，獲取CTN 硬件狀態(tài)信息采用Python 第三方功能庫psutil.在Web 前端數(shù)據(jù)可視化方面，可通過d3、highlight、echarts 等基于Javascript 的圖表庫實現(xiàn).其中，百度開源輕量級圖表庫echarts 以其可以在PC 和移動設備上流暢運行、兼容當前絕大部分瀏覽器（IE8/9/10/11，Chrome，F(xiàn)irefox，Safari 等），以及底層依賴輕量級的Canvas 類庫zrender 等優(yōu)點，能夠提供直觀、生動、可交互、可高度個性化定制的數(shù)據(jù)可視化圖表.因此，本文采用echarts 實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的可視化展示.

Web 發(fā)布模塊.基于Python 的Web 開發(fā)框架以django 和flask 為代表.其中，django 是一套完整的Web 框架，在模板設計、網站管理、安全性及處理重負載方面表現(xiàn)突出，適用于需要大量功能的大型項目.而flask 則是一種輕量級Web 框架，核心簡化且配置簡單靈活，能夠通過豐富的功能庫和插件快速的實現(xiàn)功能擴展，適用于功能相對單一但業(yè)務需求多變的應用場景.由于本文設計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務相對簡單、用戶并發(fā)量小，并且采用樹莓派作為Web 發(fā)布的硬件載體，硬件性能受限等原因，因此，采用flask 作為Web 開發(fā)框架.

2 系統(tǒng)實現(xiàn)與性能分析

本文采用Docker 技術進行系統(tǒng)部署配置，以滿足系統(tǒng)對輕量化部署及高擴展性的需求.Docker 是一種虛擬容器技術，采用分層存數(shù)和鏡像技術，使得應用重復部分的復用操作更為容易，也極大的簡化了應用的維護更新，Docker 允許開發(fā)者將應用及運行依賴包打包到一個輕量級、可移植的容器中，并能夠發(fā)布到包括物理機、虛擬機、公有云、私有云、個人電腦、服務器等平臺，且能夠實現(xiàn)平臺間的無縫遷移.因此，通過Docker 技術不僅能夠滿足本文設計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對DCN 的靈活擴展需求，同時其較低的容器性能開銷對于樹莓派來說也是一種合適的系統(tǒng)部署選擇.

本文以Python 語言實現(xiàn)了基于樹莓派的機房環(huán)境監(jiān)測原型系統(tǒng).圖4 為系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測及管理界面.

圖4 系統(tǒng)管理界面

其中，圖4（a）是系統(tǒng)的主頁，展示實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)及DTN 的主要硬件狀態(tài)數(shù)據(jù)，每個環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)子單元順序展示此類傳感器的所有數(shù)據(jù)，若超過告警值，則報警警示；圖4（b）是DCN 管理界面，可以對DCN 進行增、刪改、查操作；圖4（c）和圖4（d）是單個DCN 連接的所有傳感器采集的實時環(huán)境數(shù)據(jù)，本文中DCN 僅連接6 類傳感器，其中溫度和濕度以數(shù)值數(shù)據(jù)展示，煙霧、水滴、紅外、電流則以狀態(tài)值數(shù)據(jù)展示.

對于系統(tǒng)所需的大容量存儲，本方案采用樹莓派通過USB 3.0 接口掛載移動硬盤柜予以滿足.這種硬件配置方案所需成本大約在3 000 元左右，相較于一般配置的業(yè)務服務器數(shù)萬元的價格，對于普通用戶來說是一種廉價的選擇.

本方案中，主要業(yè)務流程均集中于DTN中，其運行狀態(tài)直接影響系統(tǒng)的各項性能指標.然而作為DTN 硬件載體的樹莓派，雖然能夠滿足系統(tǒng)在數(shù)據(jù)匯總、存儲及Web 發(fā)布等方面的業(yè)務需求，但作為一種卡片式微型電腦，其相對較低的硬件配置依然是制約系統(tǒng)高性能穩(wěn)定運行的重要因素.此外，由于本方案采用主動輪詢方式進行數(shù)據(jù)匯總，伴隨DCN 數(shù)量增多，DTN 在CPU、內存及網絡帶寬等方面占用比均會發(fā)生變化.因此，本文主要圍繞上述內容對原型系統(tǒng)展開性能測試.

測試環(huán)境中的DTN 硬件配置為：采用最新版的樹莓派4B 版本，此版本具有64 位四核處理器、4G 內存、千兆以太網接口.DCN 與DTN 之間為100 Mb/s 網絡環(huán)境，采用的網絡流量測試工具為BWMeter，版本是8.4.1.

如圖5 所示，隨著DCN 數(shù)量的增多，DTN在CPU、內存及網絡帶寬方面的占比均會提高.其中，CPU 及內存占比變化相對較小，網絡帶寬占比變化相對較大.造成上述結果的主要原因是：一方面，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯總、存儲及Web 發(fā)布等核心業(yè)務是CPU 及內存資源消耗的主要因素，通過本方案采用的各種輕量級開發(fā)技術能夠大大降低系統(tǒng)對硬件資源的需求，能夠使以樹莓派為硬件載體實現(xiàn)的輕量化環(huán)境監(jiān)測方案在保證系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運行基礎上，極大降低系統(tǒng)的硬件成本.另一方面，由于本方案采用主動輪詢方式，DTN 通過指令及DCN 狀態(tài)信息統(tǒng)一協(xié)調數(shù)據(jù)匯總流程，這些數(shù)據(jù)會造成一定的網絡資源消耗，且伴隨DCN 數(shù)量的增多，網絡帶寬消耗將逐漸提升，也會增加DTN 的運行負載.因此，出于系統(tǒng)在安全、高效、低負載等方面因素的考慮，本文建議DCN 數(shù)量不大于10 個.

圖5 系統(tǒng)性能分析圖

3 結論

機房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在高校中心機房建設中越來越重要.本文聚焦高校中小型機房的環(huán)境監(jiān)測需求，圍繞環(huán)境實時監(jiān)測和報警兩大核心業(yè)務，設計了一套基于樹莓派的“傳感器單元-數(shù)據(jù)采集節(jié)點-數(shù)據(jù)匯總節(jié)點”三層框架的輕量化實時環(huán)境監(jiān)測方案.該方案的優(yōu)點包括：①方案采用樹莓派和基于GPIO 接口的傳感器作為硬件載體，簡化了系統(tǒng)硬件部署結構，在滿足用戶對機房環(huán)境監(jiān)測的基本需求基礎上，能夠極大地降低系統(tǒng)的硬件成本.②方案依托Python 豐富的第三方開發(fā)庫支持，設計實現(xiàn)了輕量化業(yè)務處理模塊，以極少的代碼解決了用戶的核心業(yè)務需求，系統(tǒng)具有易實現(xiàn)和跨平臺特點.③方案通過引入虛擬容器技術Docker 對系統(tǒng)進行封裝，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)一鍵化環(huán)境部署需求，具有易部署、易擴展的特點.綜上所述，該方案具有一定的實際應用意義和推廣價值.