淺析數據中心復合式環境監控單元的設計與應用的論文

時間：2021-04-22 13:22:00 論文我要投稿

　　1 數據中心復合式環境監控單元的設計模型

淺析數據中心復合式環境監控單元的設計與應用的論文

　　數據中心復合式環境監控單元為數據中心最小監控單元，監控單元集成了環境傳感器(溫度、濕度、風速、煙霧等)、控制器(嵌入式系統)、執行器(電機、電磁閥等)三個主要部分，單元是為適應數據中心環境監控需求所設計的，其內部則為局部環境變量的閉環控制系統，會根據局部環境值的變化做出適當的調整。

　　許多數據中心將用于環境監測的傳感器布置在場地中某個位置，由于機柜部署在不同的位置，所形成的冷熱風道在場地中交替分布，單點傳感器所獲取的值并不能準確反映數據中心局部環境變化的實際情況，而且對于安裝在機柜內部的某個具體設備而言，場地中某一點的環境數值對該設備實際控測毫無幫助，除非能連續監控該設備所在的局部空間的環境變量，即使在同一機柜內部，從底部到頂部也因安裝了不同發熱量的設備，環境數值也呈現出非均一性的變化特性，而復合式環境監控單元的設計滿足了這一需求，單元的監控對象是局部空間而不是一點，而且是多種環境傳感器的復合體，擁有獨立的控制器與執行機構，除了完成數據中心局部空間環境變量的采集，并能根據局部變化做出微調，使得環境監控體系更為有效和精準。單元的組織與部署形式靈活，可在每個機柜中部署，也可在數據中心的某一空間中連續部署，有些采用緊耦合冷卻的數據中心受限于場地形狀，規劃中不可避免產生超長型冷熱風道和L 型風道，架空地板下可連續部署多個監控單元，這樣不僅有助于了解風道的溫度與風速的變化，并通過單元所控制的風機來自動維持風道出風口壓力。

　　每個監控單元都有獨立的控制器，控制器通常采用成本低、體積小、功耗低的嵌入式微控制器EMCU，EMCU 可以完成復雜的計算任務，但不需要運行復雜系統，擁有較高的穩定性與實時性，也可編程控制多路環境傳感器的.采集過程與采集數據處理。當多個單元協同工作時，控制器之間可采用以太網網、ZigBee、CAN 或其它工業總線等方式連接，尤其是采用ZigBee 無線連接的監控單元在部署方式上更為靈活。監控單元可以根據監控目標不同，靈活調整環境傳感器的類型與數量，用于機柜的監測單元需要多路矩陣式溫度傳感器，而用于風道監測單元則需要煙霧傳感器和風速傳感器，數據中心所用的不同類型監控單元都可以做出適當的裁剪，避免不必要的資源浪費與系統開銷。

　　監控單元的功能包括三個主要方面：傳感器驅動、環境數據采集與控制、數據通訊協議，在數據中心中環境監控單元的大量使用，會導致采集數據量的大幅增長，因此單元程序設計的難點在于：如何均衡傳感器數據采集精度與單元執行效率的問題，當然數據通訊協議設計的是否合理也會影響到整個監控網絡的效率。

　　2 復合式環境監控單元總體架構

　　2.1 環境監控單元總體架構

　　整個數據中心環境監測單元采用多層架構，底層為采集層，由環境監控單元構成，這里采用ZigBee 控制系統，單元的主控程序運行于ZigBee 協議棧之上，單元與單元之間組成ZigBee 無線網絡，ZigBee 無線網絡具有：組網速度快、網絡自恢復等優點，保障了環境數據采集的實時性與可靠性;上層為管理層，管理層主要職責是：向底層發出監控指令和收集監控單元所返回的環境數據，并對數據進行分析與存儲。

　　2.2 環境監控單元部署方式

　　數據中心環境監控單元以上位機與下位機方式部署，上位機的主要作用就是控制下位機和管理環境數據，下位機系統則由Zigbee 協調器、ZigBee 節點(即環境監控制單元)組成，下位機的主要功能是采集各類環境數據，并實時推送給上位機。上位機與下位機的通訊可依賴于不同的物理途徑，可以采用通用串行總線或以太網連接的方式。

　　3 復合式環境監控單元硬件實現

　　復合式環境監控單元的硬件由單元控制器與復合式環境傳感器組成，其中單元控制器可采用TI 公司主流的ZigBee 芯片CC2530，該芯片特點是兼容51 指令集，復合式環境傳感器由多路數字溫濕度傳感器、數字煙霧傳感器、以及風速傳感器等組成，用于采集數字信號的環境數據。其中環境監控單元常用數字傳感器列表如下：

　　3.1 監控單元中矩陣式溫度傳感器設計

　　DS18B20 是美國DALLAS 半導體公司推出的“單總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、抗干擾強等優點，可直接將溫度轉化成單片機可讀的數字信號，其測量的溫度范圍是-55~125℃，測溫誤差0.5℃，可編程分辨率9~12 位，其最大的優點是可在一條總線上掛接多個傳感器分別讀取測量值，鑒于縮短采集時間和保障傳感器工作電流前提下，設計為一條總線上掛接4 個傳感器，方便組成2×4 或4×4 矩陣式溫度傳感器組合。

　　3.2 監控單元中露點值測量方法

　　溫濕度傳感器SHT10 是由瑞士Sensirion 推出的數字溫濕度傳感器，具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性，全量程標定，兩線數字接口，可與單片機直接相連，濕度測量精度：±4.5% RH(20~80% RH)溫度測量精度：±0.5℃，露點是數據中心環境的重要指標，當溫度冷卻到露點，空氣變得飽和，就會出現結露現象，對設備所造成的危害不言而喻，在監控單元設計中，將STH10 分別部署在機柜冷風或熱風口，露點可以通過STH10 所測得的溫濕度值計算得到：LogEW=(0.66077+7.5×T/(237.3+T)+(log10(RH)-2)T 為溫度值，RH 為濕度值。露點：Dp=((0.66077-logEW)×237.3/(logEW-8.16077)

　　3.3 在線式風速傳感器的設計

　　數據中心的空氣流動有兩個重要特點：風向穩定、風速較低，鑒于測量精度要求不高，則采用微型葉輪式分速傳感器，其優點是：體積小、成本低、結構穩定、適合做數據中心風速的長期在線監測使用，其間的空氣流動帶動葉輪旋轉，產生電壓信號，經過放大后由CC2530 做ADC 轉換為相應的數值，傳感器在使用時需要在標準風洞中做初始標定。

　　3.4 煙霧傳感器的設計

　　采用雙路MS5100 煙霧傳感器組合，分別監測機柜上部與下部空間的煙霧氣體變化情況，MS5100 屬于半導體煙霧傳感器，體積小、靈敏度高，可以探測0~2000ppm 范圍的煙氣，在機房架空地板下或其他密閉空間中，可連續部署多組煙霧傳感器，形成密集型的復合監測單元。

　　4 環境監控單元程序設計

　　監控單元的程序設計目標是在ZigBee 協議棧基礎上建立多種環境傳感器復合的無線網絡采集系統，使用IAR 單片機的開發環境，程序可運行在CC2530 的主控制芯片上，其主要功能如下：

　　(1)監控單元管理(協調器、路由器、終端設備)，包括設備初始、設備自檢、設備重啟等;

　　(2)ZigBee 無線網絡管理，包括監控單元綁定管理、自組網管理、信號強度監測等;

　　(3)各類傳感器驅動管理、初始化、復位等;

　　(4)傳感器數據采集、傳輸、存儲的過程控制。

　　5 結束語

　　數據中心復合式環境監測單元的軟硬件部分已經設計完成，與數據中心運維管理系統聯合部署，復合式環境監測單元的提出為數據中心精細化管理提供了新的工具與方法，但在實際應用過程中還需開展工程化驗證。

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