近幾年，以移動互聯(lián)網(wǎng)為代表的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了快速發(fā)展，新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)規(guī)模的也在不斷擴大，目前國內(nèi)大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的設(shè)備規(guī)模都在萬臺以上，機房數(shù)量達到幾十個。
做為企業(yè)的支柱，數(shù)據(jù)機房的穩(wěn)定運行保證了線上業(yè)務(wù)的正常開展。同時，通過有效的技術(shù)手段控制機房的能耗可以顯著降低企業(yè)的運營成本，增強企業(yè)競爭力。嵌入式技術(shù)，Web技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展為機房能耗智能監(jiān)管提供了越來越多的可行解決方案。機房能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)就是將機房內(nèi)的設(shè)備、電表有機地連接在一起，使所有設(shè)備、電表形成聯(lián)動并能夠進行信息交互，通過有效監(jiān)控用電量為進一步控制能耗，保障設(shè)備硬件安全提供必要的基礎(chǔ)。ZigBee數(shù)傳技術(shù)的發(fā)展為研究能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)，本文構(gòu)建了機房能耗監(jiān)控系統(tǒng)的整體框架、系統(tǒng)軟件平臺，實現(xiàn)了監(jiān)控管理中心對各設(shè)備、電表節(jié)點的功能監(jiān)控管理，最終目的是為機房的安全用電，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行，控制機房能耗，降低企業(yè)成本提供一種技術(shù)手段和解決方案思路。
ZigBee是一種短距離無線通信技術(shù)，它可與254個節(jié)點聯(lián)網(wǎng)，節(jié)點包括儀器和家庭自動化應(yīng)用設(shè)備，它本身的特點使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。相比其它短距離無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大等明顯優(yōu)勢，對于數(shù)據(jù)機房內(nèi)的采集監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)而言，傳輸數(shù)據(jù)量小，在傳輸速率上要求不高，但網(wǎng)絡(luò)容量大，電表數(shù)量多，要求信息實時性好，成本低。在這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，ZigBee技術(shù)能夠很好地滿足實際組網(wǎng)的需求。
1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計
數(shù)據(jù)機房能耗監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：中央控制器，數(shù)據(jù)采集/控制終端、遠程用戶訪問端。本系統(tǒng)主要由I610-G12服務(wù)器、Web通信模塊、ZigBee無線模塊、數(shù)據(jù)采集/控制終端、電源電路、訪問終端等組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
圖1 機房能耗監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖
此系統(tǒng)可完成ZigBee數(shù)據(jù)采集和初步控制功能。ZigBee數(shù)據(jù)采集終端通過MODBUS總線讀取各電表的運行參數(shù)，包括電能、電壓、電流、功率、功率因數(shù)等，將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線模塊傳輸給中央控制器，中央控制器將機房內(nèi)所有ZigBee數(shù)據(jù)采集終端上報的數(shù)據(jù)匯總處理后存入Web通信模塊的數(shù)據(jù)庫，遠程用戶通過PC機訪問機房Web服務(wù)器，實時獲取各設(shè)備運行狀況。同時，用戶可以通過訪問數(shù)據(jù)庫獲取歷史數(shù)據(jù)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 中央控制器
本系統(tǒng)采用Web應(yīng)用服務(wù)器做為中央控制器，中央控制器是系統(tǒng)的核心控制部分，完成指令的收發(fā)，數(shù)據(jù)的收集、分發(fā)和處理等功能。中央控制器由處理器、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)控制器、硬盤控制器、供電電源、網(wǎng)卡和相關(guān)端口等組成。本系統(tǒng)采用中科曙光公司生產(chǎn)的一款雙路機架服務(wù)器I610-G12，其基于Intel Xeon E5-2600系列多核處理器，完全滿足一般互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)數(shù)據(jù)機房網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要求。采用Web應(yīng)用服務(wù)器做為中央控制器的一個好處是既滿足了系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的性能需求，又避免了額外部署中央控制器造成的不必要成本支出。
2.2 ZigBee無線通信設(shè)計
2.2.1 ZigBee組網(wǎng)設(shè)計
ZigBee組網(wǎng)分為星型、網(wǎng)型、樹簇型，根據(jù)智能電表監(jiān)控系統(tǒng)的特點，本設(shè)計采用星型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，星型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有兩種，中心節(jié)點和外圍節(jié)點。
網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，負責組網(wǎng)，整個網(wǎng)絡(luò)由中心節(jié)點執(zhí)行集中式通信控制管理，各節(jié)點間的通信都要通過中心節(jié)點。本系統(tǒng)中的中央控制器做為中心節(jié)點，數(shù)據(jù)采集/控制終端做為外圍節(jié)點，采用星型組網(wǎng)后，系統(tǒng)控制簡單，易于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理，同時單個連接點的故障只影響一個設(shè)備，不會影響全網(wǎng)，并可快速定位故障。
2.2.2 ZigBee模塊設(shè)計
本系統(tǒng)采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC13224V平臺做為ZigBee模塊組網(wǎng)的解決方案，該解決方案在單一封裝中集成了ZigBee無線通信模塊的所有必要組件，從而可以減少組件數(shù)量并降低系統(tǒng)成本。做為飛思卡爾公司的第三代2.4GHz IEEE802.15.4平臺，具有諸多特性：AES 128位硬件加密/解密，帶隨機數(shù)生成器；JTAG調(diào)試端口；不需要外部RF組件等。
2.2.3 ZigBee抗干擾性能分析
ZigBee數(shù)傳模塊的抗干擾特性主要是指抗同頻干擾，而對于同頻干擾的抵御能力是至關(guān)重要的，因為它直接影響到設(shè)備的性能。IEEE802.15.4無線通信標準中提供了很多機制來保證ZigBee數(shù)傳模塊在2.4GHz頻段和其它無線技術(shù)標準的共存能力，如：動態(tài)信道選擇、空閑信道評估、信道算法等。
通過實驗可以證明：正確選擇信道、增大頻偏可以減小ZigBee數(shù)傳模塊的干擾性。WiFi與ZigBee可以近距離（小于2m）共存；而藍牙設(shè)備卻采用調(diào)頻技術(shù)，對網(wǎng)絡(luò)的干擾很小，所以兩者也能很好地共存。因此ZigBee在2.4GHz頻段能可靠地與WiFi、藍牙等無線通信技術(shù)共存。
2.3 數(shù)據(jù)采集/控制終端
ZigBee數(shù)據(jù)采集/控制終端主要包括電壓采集模塊、電流采集模塊、功率采集模塊、電能采集模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊以及指令執(zhí)行模塊等。各個ZigBee數(shù)據(jù)采集/執(zhí)行模塊基于MODBUS協(xié)議對電表參數(shù)進行采集，并都與協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊相連，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊負責將MODBUS總線采集的電表運行參數(shù)格式裝換為ZigBee協(xié)議格式，以支持ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸。機房數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)通過ZigBee模塊將所有的ZigBee數(shù)據(jù)采集/控制終端進行無線連接，完成室內(nèi)組網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的傳輸。
機房ZigBee數(shù)據(jù)采集/控制系統(tǒng)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)、指令的傳輸，中央控制端完成數(shù)據(jù)的收集、分發(fā)、存儲以及指令的生成、發(fā)送，采集/控制終端完成數(shù)據(jù)采集及指令的接收、執(zhí)行。數(shù)據(jù)采集/控制終端節(jié)點框圖如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)采集/控制終端節(jié)點框圖
Web通信模塊主要實現(xiàn)遠程用戶通過Web界面的形式實時監(jiān)控設(shè)備、電表的運行狀態(tài)。Web通信模塊主要包括Web應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲磁盤、交換機等。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過交換機與中央控制平臺相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取，Web應(yīng)用服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)以Web界面的形式呈現(xiàn)。
遠程用戶可以使用PC機、智能手機、平板電腦通過Internet實時獲取設(shè)備、電表的運行參數(shù)，并與中央控制器進行信息交互。Web通信模塊節(jié)點框圖如圖3所示。
圖3 Web通信模塊節(jié)點框圖
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本文軟件設(shè)計可以分為兩部分：中央控制器部分和數(shù)據(jù)采集/控制終端平臺部分。主控平臺的軟件系統(tǒng)運行在中央控制器上，接收數(shù)據(jù)采集/控制終端平臺通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送的機房設(shè)備、配電柜電表參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理操作，以web界面的形式將設(shè)備運行狀態(tài)實時呈現(xiàn)給遠程用戶；遠程用戶通過Internet可以實時監(jiān)控、查詢相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)，能耗情況等，并可以根據(jù)實際情況，下發(fā)相應(yīng)控制指令，如控制指定設(shè)備進入待機或低功耗狀態(tài)，關(guān)閉指定設(shè)備等，從而實現(xiàn)對機房整體能耗的控制。如果某臺設(shè)備局部電流過大，超過閾值，用戶也可以遠程處置，保證機房安全。
3.1 Web通信模塊應(yīng)用服務(wù)器的軟件實現(xiàn)
本系統(tǒng)主程序流程如圖4所示，主程序運行在中央控制器上，由許多實現(xiàn)相應(yīng)功能的子程序組成，主要包括Web通信程序、ZigBee無線通信程序、數(shù)據(jù)采集處理程序、各模塊控制程序等。
圖4 本系統(tǒng)主程序流程圖
系統(tǒng)初始化后，用戶遠程登錄系統(tǒng)Web服務(wù)器，數(shù)據(jù)采集模塊采集的各個參數(shù)將以Web形式實時呈現(xiàn)，用戶可以通過查看設(shè)備狀態(tài)判斷設(shè)備是否運行正常，通過查看配電柜參數(shù)了解各個設(shè)備的能耗情況及機房的整體能耗。如果發(fā)現(xiàn)用電異?；蚰承┰O(shè)備暫時不需運行，用戶通過發(fā)送控制指令即可實現(xiàn)遠程控制，并獲取系統(tǒng)返回的結(jié)果。
3.2 數(shù)據(jù)采集/控制終端模塊的軟件實現(xiàn)
流程數(shù)據(jù)采集/控制終端模塊主要是采集機房設(shè)備、配電室電表等參數(shù)，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換后通過ZigBee數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至中央控制單元，同時接收中央控制單元下發(fā)的控制指令并執(zhí)行。數(shù)據(jù)采集/控制終端模塊的軟件流程圖如圖5所示。
圖5 數(shù)據(jù)采集/控制終端模塊軟件流程圖
系統(tǒng)上電后，各采集/控制節(jié)點進行初始化，隨后采集模塊實時采集預設(shè)的設(shè)備、電表參數(shù)，通過ZigBee數(shù)傳模塊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中央控制單元；如果收到控制指令，首先解析此控制指令，判斷出是對哪臺設(shè)備進行何種控制，然后執(zhí)行此指令，并把執(zhí)行結(jié)果反饋給主控單元，不斷循環(huán)返回。
4 總結(jié)與展望
本文提出了一種應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)數(shù)據(jù)機房的能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計，給出了設(shè)計思路和系統(tǒng)框圖，從硬件實現(xiàn)和軟件流程兩個方面對系統(tǒng)進行了詳細描述。本文旨在為控制機房能耗，降低企業(yè)運營成本，保障設(shè)備安全運行提供一種技術(shù)思路和必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用ZigBee數(shù)傳模塊，實現(xiàn)了機房內(nèi)的無線組網(wǎng)，以完成數(shù)據(jù)的收集和指令的傳輸，避免了綜合布線帶來的成本增加和其它不便；中央控制單元完成數(shù)據(jù)的處理和指令的生成，通過ZigBee模塊網(wǎng)絡(luò)將控制指令下發(fā)至控制終端模塊，對設(shè)備能耗進行相應(yīng)的控制；利用Web通信模塊，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)實時查看設(shè)備的能耗、運行狀態(tài)，下發(fā)相關(guān)指令，并可以查詢相關(guān)數(shù)據(jù)。
本系統(tǒng)基本實現(xiàn)了對機房設(shè)備能耗狀況和運行狀態(tài)的有效監(jiān)控，但仍有很多問題需要解決，下一步的研究重點將集中在以下幾方面：（1）對系統(tǒng)設(shè)備運行參數(shù)全面、智能的監(jiān)控，保障安全運行；（2）設(shè)備智能能耗控制，在保證設(shè)備正常運行的情況下，最大限度的降低設(shè)備的能耗，降低企業(yè)成本。