陳和平，陳志杰，錢 岑，李 勐

（國防科技大學(xué) 計算中心，湖南 長沙 410073）

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和成熟，國內(nèi)院校越來越重視數(shù)字化校園的建設(shè)并取得了可喜的成果，校園出現(xiàn)了許多配置有大量計算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的機(jī)房，如網(wǎng)管中心的機(jī)房就配備有數(shù)目可觀的路由、交換設(shè)備；某些向?qū)W生提供學(xué)習(xí)計算機(jī)課程、上網(wǎng)服務(wù)的計算中心機(jī)房內(nèi)配備有可能多達(dá)幾百上千臺的PC機(jī)及網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。這些設(shè)備在校園內(nèi)分布廣，有的需全天運行，有的功耗較大（如大型的路由器），有的設(shè)備使用年限較長 （如計算中心的微機(jī)），需進(jìn)行密切的監(jiān)控，以防發(fā)生安全事故。以前的管理方式一般通過人工或視頻監(jiān)控的方式進(jìn)行，不僅要耗費大量的人力，更加嚴(yán)重的是有時還不能及時發(fā)現(xiàn)隱患，造成更大的安全事故，因此迫切需要建設(shè)功能完善的機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)，并在機(jī)房系統(tǒng)建設(shè)完成的條件下，動態(tài)配置各種傳感器。

基于短距無線通信的監(jiān)控系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)能更好地滿足動態(tài)、智能、實時監(jiān)控系統(tǒng)的需求。在標(biāo)準(zhǔn)林立的短距離無線通信領(lǐng)域，ZigBee技術(shù)以其低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性好、安全性能高等優(yōu)點，獲得各大元器件制造商和眾多開發(fā)者的青睞，并廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1-2]，截至2008年，ZigBee的節(jié)點數(shù)量已增至1億個[1]?；诖耍@里提出一種基于ZigBee技術(shù)的機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)的首要任務(wù)是收集機(jī)房內(nèi)的各傳感器探測得到的環(huán)境參數(shù)，機(jī)房中安裝上溫度、煙感、火警探頭并將這些探頭探測出的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行目刂茩C(jī)房中，或通過設(shè)備接入已經(jīng)建設(shè)好的有線校園網(wǎng)絡(luò)甚至互聯(lián)網(wǎng)，將這些信息傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控點供管理者查看。這不僅避免了維護(hù)人員的奔波之苦，更提高了機(jī)房管理的效率，杜絕安全事故的發(fā)生。

另一方面，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的雙向通信特性，將上述的傳感數(shù)據(jù)經(jīng)中心控制機(jī)房PC機(jī)的信息融合處理后，生成控制指令通過無線網(wǎng)絡(luò)反饋給遠(yuǎn)端受控節(jié)點，從而形成一個閉環(huán)的自動控制系統(tǒng)。如在監(jiān)測并控制機(jī)房內(nèi)某個大型路由器設(shè)備的溫度時，當(dāng)前常用的措施是在機(jī)房內(nèi)安裝帶有自動恒溫功能空調(diào)，但這有2個缺陷：1）其控制溫度用到的傳感器測量的只是空調(diào)所在位置的溫度，不能精確反應(yīng)所要監(jiān)控設(shè)備的溫度（一些設(shè)備的局部位置溫度會較高，通常達(dá)到40℃），不能實時控制溫度，同時浪費能源；2）空調(diào)自身溫控自成一體，缺乏靈活的數(shù)據(jù)接口，不能將機(jī)房內(nèi)的溫度情況傳送給監(jiān)控設(shè)備供管理人員查看。在這種情況下，可將帶有溫度傳感器的ZigBee節(jié)點直接放在離路由器很近的機(jī)柜內(nèi)或設(shè)備的敏感區(qū)域附近，此節(jié)點每隔一段時間向中心控制機(jī)房的主控計算機(jī)報告路由器的實時溫度，當(dāng)此溫度超過軟件設(shè)置的溫度上限時，主控計算機(jī)向機(jī)房內(nèi)的空調(diào)控制ZigBee節(jié)點發(fā)送空調(diào)開啟命令，從而實施機(jī)房內(nèi)的降溫過程；當(dāng)機(jī)房或設(shè)備的溫度下降到設(shè)定值后，則下達(dá)空調(diào)停止工作的指令，及時關(guān)閉空調(diào)，以節(jié)約能源。圖1為ZigBee技術(shù)在計算中心機(jī)房監(jiān)控中的應(yīng)用示意圖。

圖1 計算中心機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

圖1中所示的局域網(wǎng)為計算中心機(jī)房內(nèi)各臺PC之間互聯(lián)所用的以太網(wǎng)，學(xué)生在上機(jī)之前需使用學(xué)校配發(fā)的ID卡在刷卡服務(wù)器上進(jìn)行刷卡動作，登錄到機(jī)房管理系統(tǒng)，之后方能使用機(jī)房內(nèi)的PC機(jī)。電子公告牌上也是一個ZigBee節(jié)點，可顯示各個機(jī)房內(nèi)的實時溫度、濕度、PC機(jī)使用情況等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

隨著ZigBee規(guī)范的建立和不斷升級完善，各大元器件制造商不斷推出各具特色的ZigBee產(chǎn)品，但從芯片的集成度、成本、開發(fā)環(huán)境完善程度和可持續(xù)升級等方面綜合考慮，該系統(tǒng)設(shè)計選用Texas Instrument的CC2430實現(xiàn)ZigBee的通信功能，該器件的特性如下[3]：高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核；兼容IEEE 802.15.4的2.4 GHz射頻收發(fā)器；AES安全協(xié)處理器；內(nèi)置溫度傳感器。圖2為CC2430的通信模塊原理圖。由圖2看出，CC2430可稱作一個小規(guī)模的SoC，配上很少的外圍元件和天線（可選鞭狀天線或板載天線）即可組成一個完整的ZigBee通信節(jié)點。

圖2 基于CC2430的通信模塊原理圖

2.1 傳感器模塊

傳感器模塊從ZigBee網(wǎng)絡(luò)的角度看，為一個RFD節(jié)點，通過2節(jié)5號電池供電。按照需要探測物理量的不同，各傳感器的硬件設(shè)計分述如下：

1）溫度傳感器 CC2430內(nèi)部集成有一個溫度傳感器，其基本工作原理：片上溫感部分將溫度轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，其幅度范圍是 0.648（－40 ℃）～1.039 V（+120 ℃），之后經(jīng)過12位A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再除以一個溫度系數(shù)，則可得到當(dāng)前溫度值。

2）濕度傳感器探頭 采用瑞士森斯瑞（Sensirion）公司推出的SHT15超小型、自校準(zhǔn)、多功能式智能傳感器來測量相對濕度，SHT15型傳感器是單片、多用途的智能傳感器，其內(nèi)部不僅包含基于濕敏電容器的微型相對濕度傳感器，而且還有14位的A/D轉(zhuǎn)換器和雙線串行接口，能輸出經(jīng)過校準(zhǔn)的相對濕度。該智能傳感器的相對濕度測量范圍為0～100%，分辨率達(dá)0.03%，最高精度為±2%RH，電源電壓范圍2.5～5.5 V，響應(yīng)時間小于3 s[4]。

3）煙感探頭 煙感探頭的基本工作原理：當(dāng)煙霧進(jìn)入報警器室時，將隔斷或阻止紅外線的互通，紅外線的發(fā)射管收不到對方發(fā)來的光，光參數(shù)變化，經(jīng)處理電路進(jìn)行處理后，再轉(zhuǎn)換成低電平，并觸發(fā)報警。

2.2 空調(diào)控制節(jié)點設(shè)計

空調(diào)控制器節(jié)點完成從ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收自主控計算機(jī)發(fā)來的空調(diào)啟、停命令并將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的遙控器紅外控制命令。從ZigBee網(wǎng)絡(luò)的角度看，空調(diào)控制器節(jié)點僅是一個RFD設(shè)備，主要是接收ZigBee數(shù)據(jù)，也由CC2430完成。其需要完成的另外一個任務(wù)就是通過紅外通道，模擬空調(diào)的遙控器完成控制空調(diào)的啟、停。在安裝配置系統(tǒng)時，通過“紅外學(xué)習(xí)口”對機(jī)房內(nèi)所裝空調(diào)的遙控器紅外命令進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將其存儲在EEPROM中。系統(tǒng)正常工作時，當(dāng)接收到從ZigBee傳輸來的空調(diào)控制命令時，將其轉(zhuǎn)換為紅外發(fā)送命令，從EEPROM讀取數(shù)據(jù)，按照這些數(shù)據(jù)規(guī)定的脈寬參數(shù)控制紅外發(fā)射管發(fā)送紅外線，進(jìn)而直接控制空調(diào)。由于紅外控制命令的學(xué)習(xí)和發(fā)送會占用資源操作，如果其也由CC2430控制，將會加重CC2430負(fù)載，影響正常的ZigBee通信功能。因此使用51系列單片機(jī)AT89S52完成，CC2430與AT89S52之間通過串口來交換數(shù)據(jù)。這樣可以在不改裝空調(diào)的情況下，通過簡單的紅外學(xué)習(xí)操作即可控制任意型號的空調(diào)，簡化了系統(tǒng)的安裝使用，同時也大大提高了系統(tǒng)的可靠性?？照{(diào)控制節(jié)點的設(shè)計框架如圖3所示。

圖3 空調(diào)控制節(jié)點示意圖

2.3 ZigBee中轉(zhuǎn)設(shè)備設(shè)計

該中轉(zhuǎn)設(shè)備的功能是完成以太網(wǎng)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的雙向數(shù)據(jù)交換，有2種實現(xiàn)方案。

2.3.1 CC2430+PC機(jī)

CC2430+PC機(jī)實現(xiàn)方案原理：CC2430負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)和轉(zhuǎn)存，PC機(jī)負(fù)責(zé)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)，二者之間通過RS-232交換數(shù)據(jù)。目前普通PC機(jī)的RS-232串口的波特率最高可達(dá)到115 200，而ZigBee的理論帶寬可達(dá)250 kb，二者速率大致在一個數(shù)量級，考慮到該系統(tǒng)設(shè)計所傳輸?shù)拇蠖嗍强刂泼睿瑪?shù)據(jù)流量不大，所以二者可以匹配使用。該實現(xiàn)方案研發(fā)周期短，可快速成型，且PC機(jī)資源豐富，可預(yù)留許多資源、功能供系統(tǒng)后續(xù)擴(kuò)展，但成本較高，功耗較大。

2.3.2 CC2430+ARM（S3C44B0X）[5]

與CC2430+PC機(jī)實現(xiàn)方案類似，CC2430+ARM（S3C44B0X）實現(xiàn)方案只是用以ARM為核心的嵌入式系統(tǒng)代替PC機(jī)，二者通過UART交換數(shù)據(jù)。采用三星公司的ARM7系列器件S3C44B0X作為主控制器，其主要功能和特點[5]如下：1）以太網(wǎng)接口，采用10 M以太網(wǎng)控制器RTL8019，提供標(biāo)準(zhǔn)RJ45插座；2）2路UART接口，波特率達(dá)115 200；3）LCD接口，可接1 600×1 600以下分辨率的單色或256色STN/DSTN型各種 LCD屏；4）IDE接口，可掛接硬盤；4）運行μcLinux操作系統(tǒng)。該實現(xiàn)方案結(jié)構(gòu)緊湊，成本較低，同時ARM為低功耗器件，所以整個模塊的功耗很低。

通過對上述兩種實現(xiàn)方案的比較，并考慮到成本和功耗的問題，因此這里選用第2種方案進(jìn)行設(shè)計。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee軟件設(shè)計

為縮短研發(fā)者的開發(fā)時間和減小開發(fā)難度，TI公司在提供器件的同時，另外還免費提供實現(xiàn)ZigBee協(xié)議的軟件——Z-Stack[6]，此軟件不僅實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議棧，并在此基礎(chǔ)上擴(kuò)充成了一個微型的操作系統(tǒng)，其主要內(nèi)容包括：1）硬件抽象層HAL，處理鍵盤輸入，LCD輸出，UART輸入、輸出等；2）操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）；3）ZigBee 協(xié)議棧、IEEE 802.15.4 MAC層；4）用戶層應(yīng)用程序；5）監(jiān)看測試程序，通過串口和PC機(jī)上的測試工具通訊。

開發(fā)者可在此OS的基礎(chǔ)上靈活定制硬件設(shè)計，并定義任務(wù)，實現(xiàn)必要功能。限于篇幅，這里著重介紹傳感器節(jié)點（RFD）的工作流程，即初始化硬件系統(tǒng)，完成ZigBee協(xié)議棧的初始化工作，利用操作系統(tǒng)的API添加一個發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)的定時器任務(wù)，之后進(jìn)入休眠狀態(tài)，這樣每隔一段時間，傳感器會自動喚醒向協(xié)調(diào)器/路由器發(fā)送數(shù)據(jù)，得到應(yīng)答后，再次進(jìn)入休眠。其工作的詳細(xì)流程如圖4所示。

圖4 ZigBee終端設(shè)備軟件工作流程

3.2 遠(yuǎn)程控制終端軟件設(shè)計

遠(yuǎn)程控制終端連接到校園網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上，使用PC作為硬件平臺，借助Windows平臺上瀏覽器完成。

遠(yuǎn)程控制終端主要功能：用戶通過訪問特定的網(wǎng)頁即可查看指定機(jī)房或設(shè)備的溫度、濕度；提供“設(shè)定被監(jiān)測設(shè)備的溫度上限”界面，這樣當(dāng)設(shè)備溫度過高時，可自動發(fā)布發(fā)送命令開啟空調(diào)；當(dāng)所監(jiān)控機(jī)房溫度太高或出現(xiàn)煙感報警時，在遠(yuǎn)端中心管理機(jī)房采取聲、光等各種形式的報警；提供管理遠(yuǎn)端電子屏幕顯示內(nèi)容的功能；與其他機(jī)房管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如在計算中心機(jī)房內(nèi)取得刷卡服務(wù)器上已用機(jī)器的信息，并將其傳送到電子公告牌上或網(wǎng)頁上，供師生了解機(jī)房實時使用情況。圖5為監(jiān)控系統(tǒng)的界面。

圖5 基于ZigBee的機(jī)房溫度監(jiān)控子系統(tǒng)

4 結(jié)束語

這里提出了基于ZigBee技術(shù)的學(xué)校機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了一個完整、可擴(kuò)展的機(jī)房監(jiān)測、控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)中各個子模塊硬件、軟件較為詳細(xì)的設(shè)計方案，目前該監(jiān)控系統(tǒng)已投入使用并運行穩(wěn)定。該系統(tǒng)設(shè)計由于采用ZigBee技術(shù)，解決了傳感信號的無線通信與收集問題，理論帶寬可達(dá)250 kb，具有很好可擴(kuò)展性和可移植性，對于各種安防監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建具有重要的參考價值。

[1]張琪.ZigBee的幾項應(yīng)用 [J].中國電子商情：RFID技術(shù)與應(yīng)用， 2008（3）：85-88.

[2]姚遠(yuǎn)，任永昌，陳曉紀(jì).基于ZigBee技術(shù)的礦山井下車輛定位系統(tǒng)研究[J].煤礦機(jī)械，2007（12）：139-141.

[3]Texas Instruments.CC2430 Datasheet[EB/OL].（2009-10-20）[2009-12-01].http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc2430.pdf.

[4]Sensirion Company.SHT1x/SHT7x Datasheet.[EB/OL].（2009-04-02）[2009-12-01].http://www.sensirion.com/en/pdf/product_information/Datasheet-humidity-sensor-SHT7x.pdf.

[5]杭州立泰電子有限公司.S3C44B0X中文數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].（2008-08-27）[2009-12-01].http://blog.ednchina.com/Upload/Blog/22230d5d-4f1a-4e77-b6ac-48cfb1b0a61c.pdf.

[6]Texas Instruments.Z-stack-zigBee protocol[EB/OL].（2009-05-11）[2009-12-01].http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/z-stack.html.