董惠良， 王正敏， 姜學峰， 劉 偉， 毛科技， 夏 明

(1.浙江中煙工業(yè)有限責任公司，浙江 杭州 311200； 2.浙江工業(yè)大學 計算機科學與技術學院，浙江 杭州 310032)

基于WSNs的機房溫控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

董惠良1， 王正敏1， 姜學峰1， 劉 偉1， 毛科技2， 夏 明2

(1.浙江中煙工業(yè)有限責任公司，浙江杭州311200；2.浙江工業(yè)大學計算機科學與技術學院，浙江杭州310032)

為了有效監(jiān)控機房內(nèi)溫度情況，在機房內(nèi)和設備內(nèi)部署一定數(shù)量的傳感器節(jié)點，采集并發(fā)送設備溫度和環(huán)境溫度信息至控制系統(tǒng)，利用Kriging算法模擬出機房內(nèi)溫度的分布情況并直觀地展現(xiàn)在界面中，同時控制系統(tǒng)實時監(jiān)測溫度信息，當機房溫度過高時，系統(tǒng)自動啟動通風板和空調(diào)降溫，當機房溫度異常高時，系統(tǒng)向管理人員發(fā)出警報。

無線傳感器網(wǎng)絡； 機房溫控； Kriging算法； 控制系統(tǒng)

0 引 言

隨著信息化技術的不斷發(fā)展，機房逐漸成為一個企業(yè)的數(shù)據(jù)中心和業(yè)務中心，電子設備長時間的運行會導致機房內(nèi)溫度不斷升高，造成安全隱患[1～4]。由于機房內(nèi)的環(huán)境不適合機房管理者24h值守，因此,設計一種機房溫控系統(tǒng)至關重要。文獻[5～9]研究了利用無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor networks,WSNs)采集機房內(nèi)溫度信息，解決了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)布線復雜的問題。在軟件方面，圖形化界面直觀地展示機房內(nèi)的溫度情況[10]，便于更好地實現(xiàn)機房安全管理。然而目前的研究成果大多數(shù)只關注機房內(nèi)環(huán)境的溫度，并未考慮具體設備的溫度，而機房內(nèi)設備的負載不均衡，極易導致某些設備溫度過高而損壞，而溫度監(jiān)控系統(tǒng)無法及時發(fā)現(xiàn)。

本文設計了一種基于WSNs的機房溫控系統(tǒng)，在機房環(huán)境和設備內(nèi)部署溫度傳感器節(jié)點，采集機房環(huán)境和設備內(nèi)的溫度，在核心應用層利用Kriging算法插值預測整個機房環(huán)境的溫度分布情況，并利用顏色區(qū)分溫度的高低，方便機房管理者直觀觀察機房內(nèi)溫度分布情況，當機房溫度超過一定閾值時，系統(tǒng)自動開啟空調(diào)和新風機，降溫，當出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)自動撥打機房管理者電話，警報。

1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩部分，硬件部分主要包括制冷設備(機房空調(diào)、新風機等)、傳感器節(jié)點；軟件部分主要包括系統(tǒng)核心應用層。系統(tǒng)的總體框架如圖1所示，工作流程如圖2所示。

核心應用層包括4大模塊，分別為數(shù)據(jù)接收與處理模塊、機房溫度分布預測模塊、溫度異常監(jiān)控模塊以及GPRS電話警報模塊，每個模塊的具體功能如下：

1)數(shù)據(jù)接收與處理模塊：通過與上位機相連接的Sink節(jié)點接收溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)，并通過串口方式發(fā)送至控制終端進行數(shù)據(jù)處理。

2)機房溫度分布預測模塊：利用已部署傳感器節(jié)點采集的溫度數(shù)據(jù)對未部署傳感器節(jié)點的位置溫度值進行插值預測，并通過顏色直觀地在系統(tǒng)界面中顯示出機房內(nèi)溫度的分布情況。

3)溫度異常監(jiān)控模塊：主要分析機房內(nèi)的溫度是否超過正常范圍，如果監(jiān)測到溫度過高，則調(diào)動制冷設備進行降溫，如果溫度超過警戒線，則向GPRS模塊發(fā)送警報指令。

4)GPRS警報模塊：收到溫度異常監(jiān)控模塊的警報指令后自動呼叫機房管理者手機，進行預警。

1.1 傳感器節(jié)點設計

傳感器節(jié)點的框架如圖3所示，主要包括四大模塊：Sht11溫度傳感器、Msp430主控、CC2420無線通信模塊和電池模塊。

圖3 傳感器節(jié)點框架

Sht11數(shù)字溫度傳感器主要負責機房環(huán)境和設備的溫度采集，與主控之間通過I2C總線進行數(shù)據(jù)交換；Msp430單片機是傳感器節(jié)點的主控，主要負責采集Sht11溫度傳感器的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至CC2420無線通信模塊；無線通信模塊CC2420為符合IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器，工作于2.4GHz頻段，具有低功耗等特點；電池模塊采用電壓為5V的鋰電池，主要負責為硬件設備供電。

1.2 核心應用層設計

主要包括三大模塊：機房溫度分布顯示模塊、機房整體溫度變化模塊、設備溫度展示模塊。機房溫度分布顯示模塊利用顏色區(qū)分溫度高低，直觀顯示機房內(nèi)溫度的分布情況。由于傳感器網(wǎng)絡部署在機房內(nèi)的數(shù)量有限，因此，在未部署傳感器節(jié)點的位置，利用Kriging插值算法進行插值預測，最終實現(xiàn)展示機房內(nèi)全部位置的溫度情況。

機房整體溫度變化模塊用于記錄機房內(nèi)整體溫度的變化情況，機房溫度的歷史數(shù)據(jù)保存在MySqL模塊中，管理者可通過該模塊觀察在最近一周內(nèi)機房平均溫度曲線。

設備溫度展示模塊主要實現(xiàn)設備溫度的實時顯示功能，只需將鼠標放到某個設備圖標上，即可顯示當前設備的溫度。

當機房內(nèi)某個設備的溫度超過警戒線或者機房內(nèi)的整體溫度超過警戒線，則系統(tǒng)立即啟動制冷設備降低機房溫度，同時向機房管理者撥打電話，通知機房內(nèi)的異常情況，實現(xiàn)機房24h無人值守。

2 Kriging溫度預測

Kriging插值算法是一種光滑的內(nèi)插方法，通過已知的樣本點預測不同位置處的值[11～15]。插值過程如下：

1)構(gòu)建樣本間依存規(guī)則

利用已知的溫度值預測未布設傳感器的位置溫度值，首先進行樣本點的配對，機房內(nèi)所有傳感器節(jié)點進行兩兩配對，建立節(jié)點間的歐氏距離di和節(jié)點采集的溫度Ti之間的關系對Pairi=(di,Ti)，如圖4所示，根據(jù)關系對Pair構(gòu)建空間模型。分析經(jīng)驗半變異函數(shù)，如式(1)所示

(1)

式中z(xi)和z(xi+d)分別為配對的兩個節(jié)點的溫度值；d為節(jié)點間距離；n為關系對Pair的數(shù)量；r(d)為半變異值。

圖4 配對

根據(jù)關系對Pair的半變異值進行預測模型擬合，預測模型擬合過程如圖5所示。根據(jù)擬合得到的函數(shù)與目前比較成熟的模型進行匹配，選擇最接近的一個模型作為本文的預測模型。

圖5 模型擬合

2)插值預測過程

利用步驟(1)選擇的模型進行預測，預測過程如圖6所示，圖中傳感器節(jié)點1，2，3，4為已部署在機房中的溫度傳感器節(jié)點，0表示未部署傳感器的節(jié)點，利用節(jié)點1，2，3，4，通過Kriging算法可預測得到位置0處的溫度值

(2)

式中z0為位置0處的溫度預測值；zi為樣本節(jié)點采集的溫度值；s為用于預測的樣本節(jié)點的數(shù)量，本文采用4個已知樣本節(jié)點進行預測；Wi為根據(jù)步驟(1)選擇的模型計算得到的權重值，計算過程為

(3)

式中γ(dij)為節(jié)點i與節(jié)點j的半變異值；λ為常數(shù)，計算過程可消除；W1，W2，W3，W4為需要計算的權重值。

圖6 插值預測

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)應用于浙江中煙工業(yè)有限責任公司集團的數(shù)據(jù)中心。圖7為系統(tǒng)通道內(nèi)的溫度分布，當其中一個通道開啟制冷設備，該通道內(nèi)溫度立刻降低，而另一個通道內(nèi)未開啟制冷設備，溫度比較高，因此，系統(tǒng)界面中出現(xiàn)了熱通道和冷通道。界面所顯示的溫度分布情況為基于本文提出的Kriging插值算法,利用傳感器節(jié)點采集的溫度數(shù)據(jù)插值預測得到。

圖7 系統(tǒng)通道

圖8為機房的溫度分布情況，其中顏色較深處表示機房服務器，其發(fā)熱量較大，而機房的空余位置溫度相對較低，系統(tǒng)也可以查看每個設備的當前溫度。

圖8 機房溫度分布

圖9為服務器后蓋溫度分布情況對比，圖9(a)為利用本文算法得到的溫度分布結(jié)果，圖9(b)為實際溫度熱學影像圖，實驗結(jié)果表明：系統(tǒng)在溫度分布方面與實際結(jié)果非常接近，誤差不超過3℃。

圖9 溫度分布對比

圖10為系統(tǒng)記錄的機房平均溫度歷史曲線，顯示機房整體平均溫度升高后，系統(tǒng)自動開啟制冷設備，降溫，檢測結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠有效控制機房內(nèi)溫度。

圖10 歷史溫度曲線

4 結(jié) 論

提出了一種基于WSNs的機房溫控系統(tǒng)，通過WSNs采集機房環(huán)境以及設備的溫度信息，并將溫度數(shù)據(jù)傳輸至核心應用層進行數(shù)據(jù)處理與分析，通過Kriging算法預測整個機房的溫度分布情況，于系統(tǒng)界面顯示，同時系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度報警和歷史數(shù)據(jù)記錄等功能。該系統(tǒng)能夠滿足機房24h無人值守的要求，保證機房的安全運行。

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DesignandimplementationofcomputerroomtemperaturecontrolsystembasedonWSNs*

DONG Hui-liang1, WANG Zheng-min1, JIANG Xue-feng1, LIU Wei1, MAO Ke-ji2, XIA Ming2

(1.ChinaTobaccoZhejiangIndustrialCoLtd,Hangzhou311200,China;2.CollegeofComputerScienceandTechnology,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China)

In order to effectively monitor temperature inside computer room,develop a WSNs-based computer room temperature control system.This system arranges a certain number of sensor nodes in computer room and insider of equipment,and sent the collected information such as equipment temperature and ambient temperature to the control system.The control system uses kriging algorithm to simulate the distribution of the temperature inside the computer room and intuitively show it on interface.Meanwhile,the control system real-time monitors temperature information: when the engine room temperature is too high,the system automatically starts ventilation plate and air conditioning to reduce the temperature inside the room,when the temperature is abnormally high,it alert the room manager.

wireless sensor networks(WSNs); computer room temperature control; kriging algorithm; control system

10.13873/J.1000—9787(2017)10—0092—03

2017—08—08

國家自然科學基金資助項目(61401397，61379023)；浙江省公益性技術應用研究計劃項目(2015C31066)

TP 212

A

1000—9787(2017)10—0092—03

董惠良(1986-)，男，工程師，主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡、微系統(tǒng)開發(fā)，E-mail:18868851449@163.com。毛科技(1979-)，男，博士，副教授，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術、大數(shù)據(jù)分析，E-mail:maokeji@zjut.edu.cn。