基于ZigBee的高速公路機房環境智慧運維管理方案研究

摘" 要：為了提高高速公路機房管理水平，從山區高速公路機房運維實際需求出發，結合物聯網和信息技術應用現狀，應用一套基于物聯網的機房環境智慧運維管理系統，通過ZigBee無線物聯網技術實現遠程監控，完善機房環境監控系統，由單點線下管理向多點聯網管理轉變，進一步提升機房數字化智慧運維水平。文章對適用于高速公路機電運維單位實時監測機房物理環境、設備運行狀況及實現自動化監控報警的運維管理方案進行了分析研究。

關鍵詞：動環監控；ZigBee；高速公路機房管理；智慧運維

中圖分類號：TP39" " 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）10-0156-05

Research on the Intelligent Operation and Maintenance Management Scheme of Highway Internet Equipment Room Environment Based on ZigBee

HU Xiaogang

（Sanming Management Branch of Fujian Expressway Group Co.， Ltd.， Sanming" 365000， China）

Abstract： In order to improve the management level of expressway internet equipment room， starting from the actual needs of operation and maintenance of highway internet equipment room in mountainous areas， combined with the current situation of Internet of Things and information technology application， a set of intelligent operation and maintenance management system of internet equipment room environment based on the Internet of Things is applied. The remote monitoring is realized through ZigBee wireless Internet of Things technology， and the environmental monitoring system of the internet equipment room is improved， and the transformation from single-point offline management to multi-point network management is carried out， and the level of digital intelligent operation and maintenance of the internet equipment room is further improved. This paper analyzes and researches the operation and maintenance management scheme suitable for highway electromechanical operation and maintenance units to monitor the physical environment and equipment operation situation of the internet equipment room in real time， and realize automatic monitoring and alarm.

Keywords： power and environment supervision; ZigBee; highway internet equipment room management; intelligent operation and maintenance

0" 引" 言

隨著智慧高速的快速發展，信息數據已經成為高速公路基本組成元素，對數據傳輸實時性及數據存儲安全性的要求與日俱增，機房已經成為不可缺少的基礎設施。由于高速公里機房分布零散、距離較遠，所處地理環境一般比較復雜，不利于人工管理維護，且機房內部設備作為高速公路機電系統的核心設備，機房的環境、安全防護及管理關系到機電系統運行的安全與可靠，任何環境因素異變都可能會對機房整體運行的穩定性和安全性造成影響，如不能及時發現并處理有可能會造成設備受損甚至數據丟失等重大損失，進而影響到高速公路收費站車輛順暢通行、隧道設備可靠管控等諸多方面[1-4]。

ZigBee技術作為一種國際通行的物聯網通信技術，具有低功耗、近距離、低復雜度、低數據功率、低成本的特性，可快速在小范圍內建立小型穩定網絡，在環境感知、安防監控等領域都有較為深入的開發、應用[6，7]。

利用ZigBee技術可以實現高速機房內的傳感器、空調、門禁系統等設備互聯，通過搭建一套機房環境智慧運維管理系統，實時監控高速公路機房運行環境。本文將從ZigBee網絡技術應用出發，分析高速公路機房運維需求，探討一種高速公路機房環境智慧運維管理系統，為實現無人值守機房遙測、遙信、遙調、遙控、遙視提供可靠的技術支持[8-10]。

1" 高速公路機房環境智慧運維管理

1.1" 現有機房管理現狀及痛點

隨著近年來三明高速跨越式高質量發展，智慧高速不斷延伸帶來了機房內設備規模化應用，對機房環境穩定性提出了更高要求。作為山區高速，機電機房布設點多面廣且多數采用無人值守方式，平時定期通過人工現場巡檢、紙質化記錄等方式完成機房內部環境檢查，存在機房問題無法及時識別或漏檢等情況，效率較為低下，巡檢成本高，作為粗放型管理，難以滿足今后機房運維需求。

1.2" 機房環境智慧運維管理的優勢

機房環境智慧管理系統是利用物聯網技術對機房的動力環境進行集中性智慧化管理，在機房內安裝各類傳感器及控制設備，對電源系統不穩定、溫濕度過高或過低、空調系統故障、人員私自闖入等易影響到機房安全的隱患進行預警監測；集中監控，自動采集和分析數據，制定環境設備控制計劃及智能聯動策略；遠程管理，自動化控制環境設備、視頻設備等子系統，平穩調控設備運行環境；數據可視化，機房運維人員快速發現并應急處置，也可以通過指標預警，提前預防風險，整體提升機房環境運行穩定性，符合山區機房無人值守特點，降低運營成本，提升運維效率。

2" 機房環境智慧運維管理

機房環境智慧運維管理依托一套動力環境監控系統對機房環境及動力環境進行監控，包含感知單元、報警單元、動環主機、通信系統、軟件平臺等軟、硬件設施。監控的對象一般是機房內的溫濕度、滲水、空調、電力、UPS、消防、網絡環境、視頻監控、安防監控、門禁等，通常通過部署在機房主要位置的傳感器或采集核心設備自身環境數據，有效監測和識別機房環境異常情況，例如溫度偏高、非法闖入、煙霧彌漫等。

動力環境監控系統打通各子系統數據壁壘，實現對機房內各環境參數匯總、分析、處理，解決機房“孤島”問題，可有效降低區域內機房維護成本。依托下層硬件平臺，軟件平臺具有數據實時監測、告警閥值設定、在線智能診斷、告警預測、告警時結合應急預案采取相應處理策略等特點，實現機房環境有效監控，確保機房環境處于健康狀態，為設備可靠運行提供有力保障。

2.1" 感知單元

感知單元主要包括溫濕度、停斷電、UPS、空氣調節、蓄電池氫氣等傳感器。按數據類型可分為模擬量型傳感器和RS-485數字型傳感器。感知單元通過各類傳感器搭建感知系統獲取現場環境參數，也可通過SNMP（簡單網管協議）采集機房服務器、網絡設備（交換機、路由器等）等核心設備狀態數據，監控設備工作狀態。

2.2" 報警單元

報警單元主要包括火災、漏水、煙霧、震動、紅外探測等傳感器和安防系統，具有火災報警、漏水報警、機房門禁管理、入侵防盜報警管理、視頻監控、IP對講等功能，有效防范機房安全，實現遠程無人在線值守。

2.3" 動環主機

動環主機是動力環境監控系統的核心硬件設備，對接前端傳感器和控制模塊，使用Modbus、SNMP、DNP3.0、IEC104、BACnet和KNX等協議標準，支持接入模擬量實時監測數據，外部傳感器設備等，負責實時分析、處理現場設備傳回的信息，實現對數據的實時監控、存儲及輸出的功能，記錄報警事件，實時檢測各類設備與傳感器的運行狀態，具有集中監控、遠程管理、邏輯控制、數據存儲、平臺對接、二次開發等功能。

2.4" 通信網絡

動力環境監控系統可支持多元化通信網絡類型，包括有線網絡及4G/5G、Wi-Fi、LoRa、ZigBee、物聯網等無線網絡。

鑒于山區高速無人值守機房均與干線網絡連接，可通過干線網絡將各分散機房動力環境監控局域網絡實現接入。在機房內局域網搭建上，因感知單位和報警單元在機房內布局分散，且機房空間小，為避免大量布線影響設備運行，考慮采用短距離無線通信網實現機房內網絡覆蓋。目前常用的無線傳輸技術主要有ZigBee技術、藍牙技術和Wi-Fi技術，這三種技術有著各自的優點和特征，也分別適用于不同的使用場合。ZigBee技術作為一種國際通行的短距離無線通信技術，具有低功耗、近距離、低復雜度、低數據功率、低成本的特性。同時ZigBee可以嵌入各種設備，網絡采用資組織組網，能夠抵抗單點失效，非常適合機房無線環境監控需要。考慮到感知單元實時性小數據量傳輸、可靈活部署等需求，可多節點組網的ZigBee在建立機房室內感知局域網方面具有更強的應用優勢，其較低的功耗（兩節五號電池可使用6～24個月）也幫助降低了無人值守機房人工成本。

2.5" 軟件平臺

軟件平臺通過融合信息技術與設備管理，實現對高速公路分散機房的集中運維及可視化管理，達到機房環境遙測、遙信、遙調、遙控、遙視等目的。平臺接收機房動環主機、服務器及交換機等設備上傳的環境監測參量、設備狀態，在記錄和處理相關數據后，提供數據查詢、比較，并可通過數據表格、曲線、圖示等多種方式進行展示。平臺軟件具備報警級別管理、報警彈窗、報警閾值設置、歷史數據查詢、告警查詢等功能。

3" 系統實施方案

三明南通信機房作為三明高速數據中心，IT設備、動力設備、環境設備、網絡設備等數量已達300臺以上，設備種類多樣，時效性要求高，傳統機房管理模式已無法滿足高效運維的需求，如何保持機房內設備運行環境穩定，及時偵測故障或異常，對機房管理自動化、運維智能化和決策科學化提出了更高的要求。本項目以建設三明南通信機房環境智慧運維管理系統為例簡要介紹具體方案。

3.1" 系統功能

系統采用B/S軟件架構，管理員可以多點登錄Web瀏覽器對機房環境進行遠程全天候監控。軟件界面為全中文界面，采用可視化技術直觀顯示機房的環境運行狀態，實現動力、環境、安防的一體化綜合監控，關注問題快速定位與及時處理，保障機房的安全可靠運行。軟件具備的數據采集、清洗、處理、調度等能力，可滿足管理人員報表統計、數據智能分析、數據圖形化展示等需求，提供歷史數據查詢比較。軟件具備的監測報警功能，可根據不同監控對象報警事件劃分報警級別，設置相應報警等級、時間優先級、報警頻率等，在檢測系統和設備的運行情況后通過報警彈窗、發送短信等方式進行報警。

3.2" 軟件系統架構及功能組成

機房環境智慧運維管理系統依據集散控制原理，分散控制、集中管理的設計原則，采用B/S架構，由以下四層構成：展現層、應用系統層、接入層、感知層，如圖1所示。

3.2.1" 展現層

圖形化、模塊化界面，操作便捷，信息交互簡潔明晰。多子系統數據整合調用、窗口展示，多樣化的數據展現形式，可展示表格化或圖形化的運維、資產、報警信息，具有詳細信息調取，歷史數據查詢對比等功能，為一線運維人員提供日常運維工作的輔助手段，界面如圖2所示。

3.2.2" 應用系統層

應用系統層主要包含設備及資產管理、統一設備監控、統計分析、日常作業等功能。對機房的資產、資源、人員等進行集中化部署和管理，面向管理人員提供一致性服務，可一點查看各機房環境監控數據并跟蹤后續變化情況，對各機房的環境狀態、質量等進行管理和分析。實時處理來自各IT和基礎設施設備的監控告警數據，協調各子系統間的聯動管理，關注問題快速定位與及時處理，保障機房的安全可靠運行。如果系統檢測到機房環境存在異常狀況，系統可向管理人員發出短信進行預警。

3.2.3" 接入層

接入層具備設備接入、設備管理、設備控制、監控運維、設備安全以及ZigBee節點、動環主機管理等能力，實現了感知層設備的統一接入、集中管控、數據傳輸處理等功能，并與應用系統層建立穩定的數據傳輸通道。

3.2.4" 感知層

由分布于機房各處的傳感器、檢測設備組成，采用ZigBee短距離無線通信通道與動環主機建立通信。動環主機采集傳感器或工況運行參數，數據處理后，實現所有監控子系統的集成，實現對機房內部的全景監測和控制。

3.3" 硬件系統監控對象及實現方式

機房環境監控系統主要針對環境系統、機房動力系統、安防系統等子系統運行情況進行監控。為降低室內布線對機房內部影響，優化布線，機房環境監控網絡結構主要采用ZigBee短距離無線通信組成的星型網絡，構建無線傳感網，實現機房內監測數據傳輸和交互。硬件系統拓撲圖如圖3所示。

3.3.1" 環境系統監控

1）溫濕度監測：通過溫濕度傳感器進行區域溫濕度實時監測；將采集的溫濕度值通過ZigBee網絡傳輸至動環主機。

2）空調監測：實時監測空調的運行狀態和出風溫度，通過動環主機可遠程修改空調設置參數（溫度）及遠程開關機。

3）煙感監測：通過煙感傳感器實時監測煙霧濃度，一旦感應到煙霧存在，會立即進行報警和發送信息。

4）漏水監測：通過漏水傳感器實時監測機房內空調、門窗、水管等存在漏水可能的地方，將采集的數據通過ZigBee網絡傳輸至動環主機。

3.3.2" 動力系統監控

UPS監測：通過UPS主機RS485通信接口及通信協議接入動環主機，實時地監視UPS整流器、逆變器、電池、旁路、負載等各部分的運行狀態與參數。

智能電源模塊：通過智能PDU對機柜內多臺設備的用電量進行監測、管理和控制，接入動環主機，可實現用電保護策略制定、告警等功能

3.3.3" 安防系統監控

1）門禁監控：監控所有門禁控制門的人員進出，對機房區域出入口的管理，并采用單向/雙向刷卡/指紋的進出方式；記錄人員出入信息、刷卡記錄，可進行人員授權，并通過ZigBee網絡接入動環主機管理。

2）視頻監控：實現對機房無死角視頻監控，對人員進出機房和在機房內活動情況進行實時視頻監控。

3）消防監測：對機房內消防報警系統運行情況進行監控，實時監測其報警狀態，并通過ZigBee網絡接入動環主機管理。

4）紅外對射及振動傳感器：在門窗等區域安裝紅外對射及振動傳感器，進行周界防御，防范非法入侵，監測人體活動情況，并通過ZigBee網絡接入動環主機管理。

3.3.4" 設備狀態數據采集

通過SNMP協議監測并采集機房內服務器、路由器等主要設備運行狀態信息，掌握設備運行情況。

4" 結" 論

高速公路通信機房的智慧化管理不僅是確保高速公路收費、通信網絡安全暢通的一項基礎創新，更是提高高速公路運營單位整體管理水平，保障高速公路安全通行的重要舉措。

本文通過介紹基于ZigBee的三明南通信機房環境智慧運維管理系統，提出了根據智慧機房運維功能需求，利用短距離無線傳輸技術組成獨立機房環境感知網絡，形成了機房有機監控體系；并依托有線局域網實現管理擴展，互聯各機房感知網，實現山區高速分散的無人值守機房統一管理的實現方式，以期為智慧高速公路機房運維工作實現管理自動化、運維智能化和決策科學化提供一定的借鑒。

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作者簡介：胡曉剛（1986.01—），男，漢族，福建莆田人，中級機電工程師，本科，研究方向：高速公路機電系統監控設施。