楊維發(fā) 許瑋 張冰松 鮑淸

摘 要：隨著全國氣象信息化工作的推進，湖北省氣象局機房的設備數(shù)量日益增長，特別是虛擬基礎資源池的不斷擴容，導致大功率、高密度的機柜散熱問題變得日益突出，嚴重威脅著業(yè)務的穩(wěn)定運行。本文設計了一套基于ZigBee無線技術的分布式機房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的總體設計方案和硬件電路，同時對協(xié)調(diào)節(jié)點Z-Stack協(xié)議棧、DS18B20數(shù)據(jù)讀取上位機顯示進行了軟件設計。

關鍵詞：ZigBee技術；機房；分布式；溫濕度監(jiān)控

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）05-0015-02

大多數(shù)機房在建設過程中沒有經(jīng)過復雜的CFD分析，無法預測未來發(fā)展對功率密度的需求，在增加高功率設備的同時也增加了安全隱患。傳統(tǒng)的總線式機房溫濕度檢測系統(tǒng)布線復雜，在部署新增監(jiān)測點位時會因走線設計不合理，產(chǎn)生新的高熱密度區(qū)域，影響設備運行[1]。無線傳輸則擺脫了線纜的束縛，有安裝周期短，易于維護，擴容能力強等優(yōu)點，并且組網(wǎng)靈活，無需為新添加設備鋪設網(wǎng)絡，增加設備即可實現(xiàn)遠程監(jiān)測。基于此本設計了一套基于ZigBee無線技術的分布式機房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用的無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network）是由大量低成本、能耗低的微小傳感器節(jié)點（Sensor node）構成的無線網(wǎng)絡測控系統(tǒng)。系統(tǒng)可以根據(jù)機房設備分布情況，快速靈活地增加或改變監(jiān)測點。本系統(tǒng)還提供了語音和短信報警功能，減輕了崗位人員的工作負擔，又降低了因停電或空調(diào)故障導致機房事故的概率。

1 方案設計

1.1 ZigBee網(wǎng)絡

ZigBee是一組基于批準通過的無線標準研制開發(fā)的，有關組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術標準，是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術，主要用于近距離無線連接。在ZigBee網(wǎng)絡中有三種網(wǎng)絡節(jié)點，分別是協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點。ZigBee的網(wǎng)絡結構類型也分為三種，包括星型網(wǎng)路結構、樹形網(wǎng)路結構和網(wǎng)狀網(wǎng)路結構三類。在星型結構下，基于鏈的線狀網(wǎng)絡結構，在這種結構下，節(jié)點被串聯(lián)在一條或多條鏈路上，鏈尾與協(xié)調(diào)器節(jié)點相連，只有末端節(jié)點為終端節(jié)點。樹狀結構的每個節(jié)點可接收多個子節(jié)點，該子節(jié)點可以路由器節(jié)點或終端節(jié)點。網(wǎng)狀結構具有可傳輸靠性高、網(wǎng)絡伸縮性好的特點。在個別鏈路或節(jié)點失效時，不會引起網(wǎng)絡的分離。

1.2 系統(tǒng)總體方案

本文設計的基于ZigBee技術的布式機房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主要包括上位機、ZigBee模塊、短信報警模塊和傳感器四個模塊。上位機接通過USB轉(zhuǎn)RS232串口協(xié)議收到數(shù)據(jù)接收模塊（ZigBee協(xié)調(diào)器）的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)分析和顯示；ZigBee模塊分為協(xié)調(diào)節(jié)點和終端節(jié)點兩類，協(xié)調(diào)節(jié)點負責從ZigBee網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)并上傳給上位機，終端節(jié)點負責讀取傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送出去；上位機接收到溫濕度數(shù)據(jù)后進行分析，如果超出用戶設置的閾值，會通過RS232接口向短信報警模塊發(fā)送報警命令；傳感器負責采集溫度和濕度信號[2]。系統(tǒng)總體設計方案如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 微處理器CC2530

協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點都采用由德州儀器公司的生產(chǎn)的CC2530芯片，并按照需求增加相應的外圍電路構成。CC2530結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其它強大的功能。CC2530多模式運行的特點使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。CC2530芯片結合了一個高性能的2.4GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級增強型的8位8051微控制器，包含的外圍電路包括21個可編程I/O引腳、8路輸入和可配置分辨率的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，5通道的DMA，3個時鐘計時器、1個看門狗定時器、2路USART協(xié)議、32 kHz晶振的定時器、上電復位電路、掉電檢測電路等；CC2530采用6mm×6mmQFN40封裝，將數(shù)字基帶處理器、射頻模塊、模擬電路及存儲器集成在同一個硅晶片上[3]。

2.2 ZigBee模塊電路設計

ZigBee模塊電路主要包括電源設計、RF電路、傳感器信號調(diào)理電路等。電源采用外接5V電源，通過一片HT7533電源芯片降壓至3.3V為CC2530提供電源。由于CC2530將8051內(nèi)核與無線收發(fā)模塊集成到一個芯片當中，因而簡化了電路的設計過程，省去了對單片機與無線收發(fā)芯片之間接口電路的設計，縮短了研發(fā)周期[4]。ZigBee模塊電路設計主要包括接口電路、電源濾波電路、芯片晶振電路、巴倫電路、入網(wǎng)指示電路及復位電路部分。設計采用50Ω單極子天線，由于CC2530的差分射頻端口具有兩個端口，而天線是單端口，因此需采用巴倫電路（平衡/非平衡轉(zhuǎn)換電路）完成雙端口到單端口的轉(zhuǎn)換。巴倫電路由電感（L2、L3，L4）和電容（C11、C12、C15）構成。

2.3 溫濕度檢測模塊設計

本設計中采用的溫度傳感器為數(shù)字溫度傳感器，型號為DS18B20，其電壓工作范圍為3.0V～5.5V，DS18B20采用獨特的“單總線”通信接口方式，通過總線直接輸出數(shù)字溫度值，可配置輸出CRC校驗碼。該傳感器檢測到的最低溫度為-55℃，最高溫度為125℃，在-10～+85℃時的精度為±0.5℃。濕度檢測模塊選用的是濕敏電容濕度傳感器HS1101，該傳感器采用獨特工藝設計，具有全互換性，在標準環(huán)境下不需校正，長時間飽和下快速脫濕，可以自動化焊接，包括波峰焊，高可靠性與長時間穩(wěn)定性，專利的固態(tài)聚合物結構，可用于線性電壓或頻率輸出回路，快速反應時間快。同時具有高精度、寬量程、抗靜電、防灰塵，有效抵抗各種腐蝕性氣體的特點。

3 軟件設計

3.1 Z-Stack協(xié)議棧

ZigBee模塊設計基于通用性及便于開發(fā)的考慮，移植了TI公司的Z-Stack協(xié)議棧，其主要特點就是其兼容性，完全支持IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2530片上系統(tǒng)解決方案。Z-Stack協(xié)議棧的體系結構由稱為層的各模塊組成。每一層為其上層提供特定的服務：即由數(shù)據(jù)服務實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務；管理實體提供所有的其他管理服務。每個服務實體通過相應的服務接入點（SAP）為其上層提供一個接口，每個服務接入點通過服務原語來完成所對應的功能。Z-Stack協(xié)議棧根據(jù)IEEE 802.15.4和ZigBee標準分為物理層，介質(zhì)接入控制層，網(wǎng)絡層，應用層。物理層提供了基礎的服務，數(shù)據(jù)傳輸和接收，網(wǎng)絡層提供了各個節(jié)點連入的服務，是ZigBee網(wǎng)絡通信的關鍵，應用層是用戶關注的重點，為用戶提供了應用的框架。

3.2 DS18B20數(shù)據(jù)讀取

DS18B20采用單總線通信方式，因為控制和數(shù)據(jù)都在一根總線上，因此其數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序邏輯有著非常嚴格的要求。DS18B20數(shù)據(jù)讀取軟件流程如圖2所示。單片機首先通過一個復位脈沖喚醒DB18B20，然后DB18B20給單片機發(fā)送一個應答脈沖。單片機發(fā)的復位脈沖的低電平應該保持在480μs至960μs之間，然后單片機釋放總線，等待DS18B20應答[5]。接收到應答信號后，單片機開始啟動溫度轉(zhuǎn)換并開始等待溫度轉(zhuǎn)換結束，檢測到DB18B20轉(zhuǎn)換完成后，單片機讀取溫度數(shù)據(jù)。

3.3 上位機軟件設計

上位機軟件采用C#語言開發(fā)，數(shù)據(jù)通過USB轉(zhuǎn)RS232協(xié)議不斷接收數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡的地址碼識別是哪個節(jié)點的數(shù)據(jù)，并與用戶設置的閾值進行比較，同時對顯示界面進行更新。

4 結語

分布式機房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)針對機房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的和發(fā)展趨勢以及當前機房溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的不足，提出了一種全新的基于ZigBee無線技術的分布式監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)以及正式投入使用，為應對武漢持續(xù)高溫天氣對機房影響又提供了一道防線，并可廣泛的應用于雷達機房、大型計算機、檔案及庫房的環(huán)境監(jiān)控。

參考文獻

[1]鐘九洲.基于無線傳感器網(wǎng)絡的多處網(wǎng)絡機房溫濕度雙向監(jiān)控系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應用，2013，（5）：54-57.

[2]鐘文平.分布式機房溫濕度集中監(jiān)控系統(tǒng)的設計[D].廣東：汕頭大學，2011.

[3]盧明喬.基于ZigBee網(wǎng)絡的LED智能照明系統(tǒng)的研究與設計[D].南京信息工程大學，2014.

[4]龔賢創(chuàng)，楊維發(fā)，楊代才，等.基于ZigBee技術的無線氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].氣象科技，2015，（4）：608-612.

[5]呂建波.基于單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測溫系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)在電子技術，2012，（19）：117-119.