聞明 師濤 崔永明

(北京科技大學天津?qū)W院 天津 301830)

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

隨著科技的發(fā)展，機房的監(jiān)控變得越來越重要。使用通信信道進行數(shù)據(jù)傳輸，首先要決定數(shù)據(jù)通信的方式，對環(huán)境特點進行了解，結(jié)合當?shù)氐募夹g(shù)水平和企業(yè)的規(guī)模綜合考慮[7]。監(jiān)控系統(tǒng)由系統(tǒng)總體設(shè)計，傳感器硬件設(shè)計，服務(wù)端軟件設(shè)計，實驗測試結(jié)果與結(jié)果分析幾部分組成。

該系統(tǒng)模型大致如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)的模塊示意圖

圖2 NB-loT模塊的功能示意圖

本系統(tǒng)可分為兩個大塊，硬件的部分和軟件的部分。硬件的部分部署在機房，程序部署在單片機上。硬件的部分又有兩類，一類僅采集原始數(shù)據(jù)（例如溫度、濕度、氣體濃度等），并以 UDP 協(xié)議上傳；另一類則是與圖像監(jiān)控相關(guān)，它先從攝像頭讀取數(shù)據(jù)，然后使用 FPU 運行機器學習的預(yù)訓練模型推理，分析出攝像頭捕捉到的圖像中的物體名稱、位置、大小，再將數(shù)據(jù)以UDP協(xié)議上傳到云平臺上。

云平臺上的程序分為這么幾部分。一個程序監(jiān)聽UDP協(xié)議的指定端口，等待硬件發(fā)送的數(shù)據(jù)報。接收到數(shù)據(jù)報后，進行合法性校驗、鑒權(quán)校驗，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。日志分析程序從兩方面分析數(shù)據(jù)，一方面是根據(jù)管理員人工配置的監(jiān)控數(shù)據(jù)合理范圍，判斷監(jiān)控數(shù)據(jù)是否已經(jīng)超標，另一方面是由算法判斷監(jiān)控數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)了持續(xù)的異常，數(shù)據(jù)的變化是否出現(xiàn)了異常的模式。分析完成后，將日志標記上預(yù)警等級，存入數(shù)據(jù)庫，將高危日志發(fā)送到消息隊列。控制臺則可以配置程序的參數(shù)，進而改變程序的行為。預(yù)警程序則監(jiān)聽消息隊列，如果接收到高危日志消息，以短信或者電子郵件的方式通知監(jiān)控平臺的管理員，提醒管理員及時處理。

1.2 系統(tǒng)功能概述

圖3 使用模塊作為主控芯片集成應(yīng)用的開發(fā)方案

圖4 客戶端與服務(wù)端私有通信協(xié)議報文格式

表1 溫度測試表

表2 濕度測試表

表3 監(jiān)控系統(tǒng)測試響應(yīng)延遲

系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)控弱電機房的環(huán)境數(shù)據(jù)，提供機器自動判斷數(shù)據(jù)異常對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行處理，提供時間區(qū)間監(jiān)控數(shù)據(jù)展示方便監(jiān)控平臺管理員回溯監(jiān)控數(shù)據(jù)。控制臺有三大功能，一是監(jiān)控數(shù)據(jù)的展示，二是監(jiān)控平臺配置，三是日志分析結(jié)果的展示。在控制臺上，管理員可以在網(wǎng)頁上設(shè)置一段時間區(qū)間，控制臺上會以曲線圖的形式展示指定時間內(nèi)數(shù)據(jù)的化情況。在監(jiān)控平臺配置頁面，管理員可以配置溫度、濕度、氣體濃度的合理變化范圍。如果所監(jiān)控的數(shù)據(jù)超出了合理變化范圍，系統(tǒng)會通過短信、電子郵件的方式向管理員的通信方式發(fā)送預(yù)警。管理員可以在監(jiān)控平臺配置頁面錄入自己的聯(lián)系方式。這種方式可以大大降低系統(tǒng)管理員的盯盤負擔，因為如果是以往，管理員必須盯著數(shù)據(jù)變化的曲線才可以有效地監(jiān)控環(huán)境指標。

而硬件的主要功能則是采集原始數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)進行一定的分析后以UDP協(xié)議發(fā)送到云平臺。微控制器先采集溫度、濕度、氣體濃度數(shù)據(jù)，然后以UART協(xié)議與BC260型號的NB-IoT通信模塊與遠端通信。該模塊會將數(shù)據(jù)發(fā)送到中國移動onenet物聯(lián)網(wǎng)云平臺。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 NB-IoT模塊選型

NB-IoT[3]通信模塊常見的型號有移遠的BC-26, BC-28, BC-35。其中只有 BC-26 支持 OpenCPU 模式。換句話說，BC-26 不僅可以作為一個通信模塊（從機）使用，也可以作為一個獨立的主機來操控別的元件。因為將它作為主機就不需要額外的主機，例如STM32，整個系統(tǒng)的功耗會更小。我開發(fā)了基于移遠NB模組BC26的NB核心板，也可稱作NB最小系統(tǒng)，2.54間距雙排針，引出BC26全部可用GPIO，支持OpenCPU二次開發(fā)方案，即插即用。

BC-26支持低功耗模式，最小功耗P SM模式下僅40uA，其中BC26自身功耗5uA，BC-26板載LDO降壓芯片靜態(tài)功耗35uA。

2.2 微控制器的選型

考慮到功耗，需要推理機器學習模型的微控制器我選擇了Maix Bit的K210。STM32 的計算性能比較孱弱，更為適合整數(shù)運算[5]，因此沒有采用這種更為流行的方案。

微控制器在監(jiān)控硬件中扮演的角色是實現(xiàn)監(jiān)控環(huán)境與外部網(wǎng)絡(luò)交互的核心要素。被監(jiān)控環(huán)境的現(xiàn)場信息被微控制器采集后發(fā)送到網(wǎng)關(guān)上的協(xié)調(diào)器，在機器視覺上被監(jiān)控環(huán)境的現(xiàn)場信息被微控制器采集后發(fā)送到在機器視覺上被監(jiān)控環(huán)境的現(xiàn)場信息被微控制器采集后發(fā)送到網(wǎng)關(guān)上的協(xié)調(diào)器，采用有線或無線的方式發(fā)送到云端的服務(wù)器軟件上[6]。主控芯片K210與BC-26的通信方式是通過UART接口完成通信[4]。

而沒有大的計算需求的場景，我使用 BC-2 6 的 OpenCPU 方案。在傳統(tǒng)方案中，需要一個MCU作為主控制器，控制硬件外設(shè)，例如控制路燈的亮或滅，然后使用MCU的UART接口與標準模塊進行AT指令通信，上報當前路燈狀態(tài)，或接收來自遠程服務(wù)器的開關(guān)燈命令。而OpenCPU方案，可以直接在模塊中編寫程序控制路燈，節(jié)約硬件成本，加速應(yīng)用開發(fā)。

2.3 系統(tǒng)主控軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要有兩部分，在用戶的瀏覽器上運行的web端展示軟件和運行在云服務(wù)器上的服務(wù)端程序[8]。Web端展示軟件的部署方面，我們可以充分發(fā)揮云技術(shù)的優(yōu)勢，將展示程序部署在云廠商的CDN網(wǎng)盤平臺上[9]。瀏覽器根據(jù)基礎(chǔ)骨架頁面上的資源URL訪問云廠商的服務(wù)器動態(tài)加載展示軟件。運行在服務(wù)端的程序 則以UDP協(xié)議監(jiān)聽1314端口上傳入的UDP數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)報的格式如圖所示。服務(wù)端程序以2進制形式分析數(shù)據(jù)報，連續(xù)的16個0表示數(shù)據(jù)的結(jié)尾。

接收到數(shù)據(jù)后，服務(wù)端程序?qū)⒊绦虼嫒腙P(guān)系型數(shù)據(jù)庫等待數(shù)據(jù)分析程序自動抓取。自動分析程序根據(jù)預(yù)設(shè)的配置對數(shù)據(jù)進行分析，若發(fā)現(xiàn)超出預(yù)設(shè)范圍的環(huán)境數(shù)據(jù)，或者顯著的離群點，則轉(zhuǎn)發(fā)至自動報警信息服務(wù)。

2.4 自動報警信息服務(wù)

自動報警信息服務(wù)是該系統(tǒng)的核心功能之一，對弱電機房自動監(jiān)控平臺的自動化效率產(chǎn)生直接影響。自動報警信息服務(wù)使用了一套算法來自動監(jiān)控是否監(jiān)控數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。如果出現(xiàn)異常，根據(jù)管理員的設(shè)置的聯(lián)系方式，自動生成短信或郵件，全天候向管理員自動報警。通過自動報警方式，管理員可以及時發(fā)現(xiàn)問題，并在第一時間進行解決。

簡單地說，有一部分數(shù)據(jù)不需要與其他數(shù)據(jù)綜合考慮是否異常，我們可以將這些數(shù)據(jù)在硬件端進行計算和分析，計算平均值、方差等數(shù)據(jù)，這樣可以降低帶寬壓力。

算法方面，我們使用孤立森林算法。數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫或消息隊列等數(shù)據(jù)倉庫中沉淀后，先用算法進行分析，是否存在局部的異常點。如果發(fā)現(xiàn)，再根據(jù)短信模板生成短信，或者根據(jù) Markdown 模板生成郵件，發(fā)送到管理員的聯(lián)系方式上。我們對生成的分析報告進行一定的封裝，比如我們同機房的數(shù)據(jù)，同等級的告警信息封裝在一起，在經(jīng)過這樣的封裝處理之后，管理員翻閱這些數(shù)據(jù)和分析報告時不會出現(xiàn)混亂的情況?？梢院芊奖愕貧w因隱患和問題的源頭。

3 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果

我們的核心板調(diào)試用的 UART 端口是 RDX_DBG 和 TXD_DBG。為了對該弱電機房監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、可靠性、功能進行驗證和分析，我們在同等環(huán)境下，對弱電機房監(jiān)控系統(tǒng)進行了實驗，對溫度、濕度、氣體濃度的準確性、響應(yīng)時間進行了測試。結(jié)果如表1, 表2，表3所示。

通過監(jiān)控系統(tǒng)測試響應(yīng)延遲表表格 3的數(shù)據(jù)可以看出，平均響應(yīng)延遲0.98s，響應(yīng)十分迅速。保證了系統(tǒng)的可靠性和實時性。

通過表格1的數(shù)據(jù)可以看出，該系統(tǒng)的測量誤差在1.5℃以內(nèi)。符合DHT11的正負3℃誤差范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

設(shè)計了一種基于NB-IoT 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的弱電機房實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用勘智K210和移遠的BC26 物聯(lián)網(wǎng)模塊，接入中國移動的 onenet 物聯(lián)網(wǎng)云平臺。通過 BC26 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶灾餮邪l(fā)的數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控平臺上。在數(shù)據(jù)展示平臺上，你可以看到硬件實時監(jiān)控的機房溫度、濕度、煙霧濃度等數(shù)據(jù)。出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時，可以在第一時間告警管理員。

該系統(tǒng)的功耗較低，所需維護頻率低，安裝成本低廉。提高了我校的經(jīng)濟效益，推動了我校的電子化、數(shù)字化進程。NB-IoT技術(shù)優(yōu)勢將極大地促進此技術(shù)未來的大規(guī)模商用，其方案特性也完全符合中國未來發(fā)展“創(chuàng)造性、科學性、前瞻性”的要求[2]。