淺析數(shù)據(jù)中心復(fù)合式環(huán)境監(jiān)控單元的設(shè)計與應(yīng)用的論文
1 數(shù)據(jù)中心復(fù)合式環(huán)境監(jiān)控單元的設(shè)計模型
數(shù)據(jù)中心復(fù)合式環(huán)境監(jiān)控單元為數(shù)據(jù)中心最小監(jiān)控單元，監(jiān)控單元集成了環(huán)境傳感器(溫度、濕度、風(fēng)速、煙霧等)、控制器(嵌入式系統(tǒng))、執(zhí)行器(電機、電磁閥等)三個主要部分，單元是為適應(yīng)數(shù)據(jù)中心環(huán)境監(jiān)控需求所設(shè)計的，其內(nèi)部則為局部環(huán)境變量的閉環(huán)控制系統(tǒng)， 會根據(jù)局部環(huán)境值的變化做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
許多數(shù)據(jù)中心將用于環(huán)境監(jiān)測的傳感器布置在場地中某個位置，由于機柜部署在不同的位置，所形成的冷熱風(fēng)道在場地中交替分布， 單點傳感器所獲取的值并不能準(zhǔn)確反映數(shù)據(jù)中心局部環(huán)境變化的實際情況， 而且對于安裝在機柜內(nèi)部的某個具體設(shè)備而言， 場地中某一點的環(huán)境數(shù)值對該設(shè)備實際控測毫無幫助， 除非能連續(xù)監(jiān)控該設(shè)備所在的局部空間的環(huán)境變量，即使在同一機柜內(nèi)部，從底部到頂部也因安裝了不同發(fā)熱量的設(shè)備，環(huán)境數(shù)值也呈現(xiàn)出非均一性的變化特性，而復(fù)合式環(huán)境監(jiān)控單元的設(shè)計滿足了這一需求， 單元的監(jiān)控對象是局部空間而不是一點，而且是多種環(huán)境傳感器的復(fù)合體，擁有獨立的控制器與執(zhí)行機構(gòu)， 除了完成數(shù)據(jù)中心局部空間環(huán)境變量的采集，并能根據(jù)局部變化做出微調(diào)，使得環(huán)境監(jiān)控體系更為有效和精準(zhǔn)。單元的組織與部署形式靈活，可在每個機柜中部署，也可在數(shù)據(jù)中心的某一空間中連續(xù)部署，有些采用緊耦合冷卻的數(shù)據(jù)中心受限于場地形狀， 規(guī)劃中不可避免產(chǎn)生超長型冷熱風(fēng)道和L 型風(fēng)道， 架空地板下可連續(xù)部署多個監(jiān)控單元，這樣不僅有助于了解風(fēng)道的溫度與風(fēng)速的變化，并通過單元所控制的風(fēng)機來自動維持風(fēng)道出風(fēng)口壓力。
每個監(jiān)控單元都有獨立的控制器， 控制器通常采用成本低、體積小、功耗低的嵌入式微控制器EMCU，EMCU 可以完成復(fù)雜的計算任務(wù)，但不需要運行復(fù)雜系統(tǒng)，擁有較高的穩(wěn)定性與實時性， 也可編程控制多路環(huán)境傳感器的.采集過程與采集數(shù)據(jù)處理。當(dāng)多個單元協(xié)同工作時，控制器之間可采用以太網(wǎng)網(wǎng)、ZigBee、CAN 或其它工業(yè)總線等方式連接， 尤其是采用ZigBee 無線連接的監(jiān)控單元在部署方式上更為靈活。監(jiān)控單元可以根據(jù)監(jiān)控目標(biāo)不同， 靈活調(diào)整環(huán)境傳感器的類型與數(shù)量， 用于機柜的監(jiān)測單元需要多路矩陣式溫度傳感器，而用于風(fēng)道監(jiān)測單元則需要煙霧傳感器和風(fēng)速傳感器，數(shù)據(jù)中心所用的不同類型監(jiān)控單元都可以做出適當(dāng)?shù)牟眉簦苊獠槐匾馁Y源浪費與系統(tǒng)開銷。
監(jiān)控單元的功能包括三個主要方面：傳感器驅(qū)動、環(huán)境數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，在數(shù)據(jù)中心中環(huán)境監(jiān)控單元的大量使用，會導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)量的大幅增長，因此單元程序設(shè)計的難點在于： 如何均衡傳感器數(shù)據(jù)采集精度與單元執(zhí)行效率的問題， 當(dāng)然數(shù)據(jù)通訊協(xié)議設(shè)計的是否合理也會影響到整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的效率。
2 復(fù)合式環(huán)境監(jiān)控單元總體架構(gòu)
2.1 環(huán)境監(jiān)控單元總體架構(gòu)
整個數(shù)據(jù)中心環(huán)境監(jiān)測單元采用多層架構(gòu)， 底層為采集層，由環(huán)境監(jiān)控單元構(gòu)成，這里采用ZigBee 控制系統(tǒng)，單元的主控程序運行于ZigBee 協(xié)議棧之上， 單元與單元之間組成ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)，ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)具有：組網(wǎng)速度快、網(wǎng)絡(luò)自恢復(fù)等優(yōu)點，保障了環(huán)境數(shù)據(jù)采集的實時性與可靠性;上層為管理層，管理層主要職責(zé)是：向底層發(fā)出監(jiān)控指令和收集監(jiān)控單元所返回的環(huán)境數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析與存儲。
2.2 環(huán)境監(jiān)控單元部署方式
數(shù)據(jù)中心環(huán)境監(jiān)控單元以上位機與下位機方式部署，上位機的主要作用就是控制下位機和管理環(huán)境數(shù)據(jù)， 下位機系統(tǒng)則由Zigbee 協(xié)調(diào)器、ZigBee 節(jié)點(即環(huán)境監(jiān)控制單元)組成，下位機的主要功能是采集各類環(huán)境數(shù)據(jù)， 并實時推送給上位機。上位機與下位機的通訊可依賴于不同的物理途徑，可以采用通用串行總線或以太網(wǎng)連接的方式。
3 復(fù)合式環(huán)境監(jiān)控單元硬件實現(xiàn)
復(fù)合式環(huán)境監(jiān)控單元的硬件由單元控制器與復(fù)合式環(huán)境傳感器組成，其中單元控制器可采用TI 公司主流的ZigBee 芯片CC2530，該芯片特點是兼容51 指令集，復(fù)合式環(huán)境傳感器由多路數(shù)字溫濕度傳感器、數(shù)字煙霧傳感器、以及風(fēng)速傳感器等組成，用于采集數(shù)字信號的環(huán)境數(shù)據(jù)。其中環(huán)境監(jiān)控單元常用數(shù)字傳感器列表如下：
3.1 監(jiān)控單元中矩陣式溫度傳感器設(shè)計
DS18B20 是美國DALLAS 半導(dǎo)體公司推出的“單總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、抗干擾強等優(yōu)點，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成單片機可讀的數(shù)字信號， 其測量的溫度范圍是-55~125℃，測溫誤差0.5℃，可編程分辨率9~12 位，其最大的優(yōu)點是可在一條總線上掛接多個傳感器分別讀取測量值，鑒于縮短采集時間和保障傳感器工作電流前提下，設(shè)計為一條總線上掛接4 個傳感器， 方便組成2×4 或4×4 矩陣式溫度傳感器組合。
3.2 監(jiān)控單元中露點值測量方法
溫濕度傳感器SHT10 是由瑞士Sensirion 推出的數(shù)字溫濕度傳感器，具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性，全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字接口，可與單片機直接相連，濕度測量精度：±4.5% RH(20~80% RH)溫度測量精度：±0.5℃，露點是數(shù)據(jù)中心環(huán)境的重要指標(biāo)，當(dāng)溫度冷卻到露點，空氣變得飽和，就會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，對設(shè)備所造成的危害不言而喻，在監(jiān)控單元設(shè)計中，將STH10 分別部署在機柜冷風(fēng)或熱風(fēng)口，露點可以通過STH10 所測得的溫濕度值計算得到：LogEW=(0.66077+7.5×T/(237.3+T)+(log10(RH)-2)T 為溫度值，RH 為濕度值。露點：Dp=((0.66077-logEW)×237.3/(logEW-8.16077)
3.3 在線式風(fēng)速傳感器的設(shè)計
數(shù)據(jù)中心的空氣流動有兩個重要特點：風(fēng)向穩(wěn)定、風(fēng)速較低，鑒于測量精度要求不高，則采用微型葉輪式分速傳感器，其優(yōu)點是：體積小、成本低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、適合做數(shù)據(jù)中心風(fēng)速的長期在線監(jiān)測使用，其間的空氣流動帶動葉輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)過放大后由CC2530 做ADC 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)值，傳感器在使用時需要在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞中做初始標(biāo)定。
3.4 煙霧傳感器的設(shè)計
采用雙路MS5100 煙霧傳感器組合， 分別監(jiān)測機柜上部與下部空間的煙霧氣體變化情況，MS5100 屬于半導(dǎo)體煙霧傳感器，體積小、靈敏度高，可以探測0~2000ppm 范圍的煙氣，在機房架空地板下或其他密閉空間中， 可連續(xù)部署多組煙霧傳感器，形成密集型的復(fù)合監(jiān)測單元。
4 環(huán)境監(jiān)控單元程序設(shè)計
監(jiān)控單元的程序設(shè)計目標(biāo)是在ZigBee 協(xié)議棧基礎(chǔ)上建立多種環(huán)境傳感器復(fù)合的無線網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)， 使用IAR 單片機的開發(fā)環(huán)境，程序可運行在CC2530 的主控制芯片上，其主要功能如下：
(1)監(jiān)控單元管理(協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備)，包括設(shè)備初始、設(shè)備自檢、設(shè)備重啟等;
(2)ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)管理，包括監(jiān)控單元綁定管理、自組網(wǎng)管理、信號強度監(jiān)測等;
(3)各類傳感器驅(qū)動管理、初始化、復(fù)位等;
(4)傳感器數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲的過程控制。
5 結(jié)束語
數(shù)據(jù)中心復(fù)合式環(huán)境監(jiān)測單元的軟硬件部分已經(jīng)設(shè)計完成，與數(shù)據(jù)中心運維管理系統(tǒng)聯(lián)合部署，復(fù)合式環(huán)境監(jiān)測單元的提出為數(shù)據(jù)中心精細(xì)化管理提供了新的工具與方法， 但在實際應(yīng)用過程中還需開展工程化驗證。
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