分布式机房温湿度监控系统的设计
摘 要：随着全国气象信息化工作的推进，湖北省气象局机房的设备数量日益增长，特别是虚拟基础资源池的不断扩容，导致大功率、高密度的机柜散热问题变得日益突出，严重威胁着业务的稳定运行。本文设计了一套基于ZigBee无线技术的分布式机房温湿度监控系统，介绍了系统的总体设计方案和硬件电路，同时对协调节点Z-Stack协议栈、DS18B20数据读取上位机显示进行了软件设计。
关键词：ZigBee技术；机房；分布式；温湿度监控
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）05-0015-02
大多数机房在建设过程中没有经过复杂的CFD分析，无法预测未来发展对功率密度的需求，在增加高功率设备的同时也增加了安全隐患。传统的总线式机房温湿度检测系统布线复杂，在部署新增监测点位时会因走线设计不合理，产生新的高热密度区域，影响设备运行[1]。无线传输则摆脱了线缆的束缚，有安装周期短，易于维护，扩容能力强等优点，并且组网灵活，无需为新添加设备铺设网络，增加设备即可实现远程监测。基于此本设计了一套基于ZigBee无线技术的分布式机房温湿度监控系统。系统采用的无线传感器网络（Wireless Sensor Network）是由大量低成本、能耗低的微小传感器节点（Sensor node）构成的无线网络测控系统。系统可以根据机房设备分布情况，快速灵活地增加或改变监测点。本系统还提供了语音和短信报警功能，减轻了岗位人员的工作負担，又降低了因停电或空调故障导致机房事故的概率。
1 方案设计
1.1 ZigBee网络
ZigBee是一组基于批准通过的无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准，是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。在ZigBee网络中有三种网络节点，分别是协调器节点、路由器节点和终端节点。ZigBee的网络结构类型也分为三种，包括星型网路结构、树形网路结构和网状网路结构三类。在星型结构下，基于链的线状网络结构，在这种结构下，节点被串联在一条或多条链路上，链尾与协调器节点相连，只有末端节点为终端节点。树状结构的每个节点可接收多个子节点，该子节点可以路由器节点或终端节点。网状结构具有可传输靠性高、网络伸缩性好的特点。在个别链路或节点失效时，不会引起网络的分离。
1.2 系统总体方案
本文设计的基于ZigBee技术的布式机房温湿度监控系统主要包括上位机、ZigBee模块、短信报警模块和传感器四个模块。上位机接通过USB转RS232串口协议收到数据接收模块（ZigBee协调器）的数据，并对数据分析和显示；ZigBee模块分为协调节点和终端节点两类，协调节点负责从ZigBee网络接收数据并上传给上位机，终端节点负责读取传感器数据并将数据通过ZigBee网络发送出去；上位机接收到温湿度数据后进行分析，如果超出用户设置的阈值，会通过RS232接口向短信报警模块发送报警命令；传感器负责采集温度和湿度信号[2]。系统总体设计方案如图1所示。
2 硬件设计
2.1 微处理器CC2530
协调器节点和终端节点都采用由德州仪器公司的生产的CC2530芯片，并按照需求增加相应的外围电路构成。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其它强大的功能。CC2530多模式运行的特点使得它尤其适应超低功耗要求的系统。CC2530芯片结合了一个高性能的2.4GHz DSSS射频收发器核心和一颗工业级增强型的8位8051微控制器，包含的外围电路包括21个可编程I/O引脚、8路输入和可配置分辨率的12位模数转换器ADC，5通道的DMA，3个时钟计时器、1个看门狗定时器、2路USART协议、32 kHz晶振的定时器、上电复位电路、掉电检测电路等；CC2530采用6mm×6mmQFN40封装，将数字基带处理器、射频模块、模拟电路及存储器集成在同一个硅晶片上[3]。
2.2 ZigBee模块电路设计
ZigBee模块电路主要包括电源设计、RF电路、传感器信号调理电路等。电源采用外接5V电源，通过一片HT7533电源芯片降压至3.3V为CC2530提供电源。由于CC2530将8051内核与无线收发模块集成到一个芯片当中，因而简化了电路的设计过程，省去了对单片机与无线收发芯片之间接口电路的设计，缩短了研发周期[4]。ZigBee模块电路设计主要包括接口电路、电源滤波电路、芯片晶振电路、巴伦电路、入网指示电路及复位电路部分。设计采用50Ω单极子天线，由于CC2530的差分射频端口具有两个端口，而天线是单端口，因此需采用巴伦电路（平衡/非平衡转换电路）完成双端口到单端口的转换。巴伦电路由电感（L2、L3，L4）和电容（C11、C12、C15）构成。
2.3 温湿度检测模块设计
本设计中采用的温度传感器为数字温度传感器，型号为DS18B20，其电压工作范围为3.0V～5.5V，DS18B20采用独特的“单总线”通信接口方式，通过总线直接输出数字温度值，可配置输出CRC校验码。该传感器检测到的最低温度为-55℃，最高温度为125℃，在-10～+85℃时的精度为±0.5℃。湿度检测模块选用的是湿敏电容湿度传感器HS1101，该传感器采用独特工艺设计，具有全互换性，在标准环境下不需校正，长时间饱和下快速脱湿，可以自动化焊接，包括波峰焊，高可靠性与长时间稳定性，专利的固态聚合物结构，可用于线性电压或频率输出回路，快速反应时间快。同时具有高精度、宽量程、抗静电、防灰尘，有效抵抗各种腐蚀性气体的特点。
3 软件设计
3.1 Z-Stack协议栈
ZigBee模块设计基于通用性及便于开发的考虑，移植了TI公司的Z-Stack协议栈，其主要特点就是其兼容性，完全支持IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2530片上系统解决方案。Z-Stack协议栈的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点（SAP）为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。Z-Stack协议栈根据IEEE 802.15.4和ZigBee标准分为物理层，介质接入控制层，网络层，应用层。物理层提供了基础的服务，数据传输和接收，网络层提供了各个节点连入的服务，是ZigBee网络通信的关键，应用层是用户关注的重点，为用户提供了应用的框架。
3.2 DS18B20数据读取
DS18B20采用单总线通信方式，因为控制和数据都在一根总线上，因此其数据传输的时序逻辑有着非常严格的要求。DS18B20数据读取软件流程如图2所示。单片机首先通过一个复位脉冲唤醒DB18B20，然后DB18B20给单片机发送一个应答脉冲。单片机发的复位脉冲的低电平应该保持在480μs至960μs之间，然后单片机释放总线，等待DS18B20应答[5]。接收到應答信号后，单片机开始启动温度转换并开始等待温度转换结束，检测到DB18B20转换完成后，单片机读取温度数据。
3.3 上位机软件设计
上位机软件采用C#语言开发，数据通过USB转RS232协议不断接收数据，通过ZigBee网络的地址码识别是哪个节点的数据，并与用户设置的阈值进行比较，同时对显示界面进行更新。
4 结语
分布式机房温湿度监控系统针对机房环境监测系统的和发展趋势以及当前机房温湿度监测系统的不足，提出了一种全新的基于ZigBee无线技术的分布式监测系统。本系统以及正式投入使用，为应对武汉持续高温天气对机房影响又提供了一道防线，并可广泛的应用于雷达机房、大型计算机、档案及库房的环境监控。
参考文献
[1]钟九洲.基于无线传感器网络的多处网络机房温湿度双向监控系统[J].计算机系统应用，2013，（5）：54-57.
[2]钟文平.分布式机房温湿度集中监控系统的设计[D].广东：汕头大学，2011.
[3]卢明乔.基于ZigBee网络的LED智能照明系统的研究与设计[D].南京信息工程大学，2014.
[4]龚贤创，杨维发，杨代才，等.基于ZigBee技术的无线气象数据采集系统的设计与实现[J].气象科技，2015，（4）：608-612.
[5]吕建波.基于单总线数字温度传感器DS18B20的测温系统设计[J].现在电子技术，2012，（19）：117-119.
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