ZigBee数据机房能耗监控系统

近几年，以移动互联网为代表的互联网技术得到了快速发展，新业务不断涌现，互联网企业规模的也在不断扩大，目前国内大型互联网企业的设备规模都在万台以上，机房数量达到几十个。

    做为企业的支柱，数据机房的稳定运行保证了线上业务的正常开展。同时，通过有效的技术手段控制机房的能耗可以显著降低企业的运营成本，增强企业竞争力。嵌入式技术，Web技术，网络通信技术的发展为机房能耗智能监管提供了越来越多的可行解决方案。机房能耗监控管理系统就是将机房内的设备、电表有机地连接在一起，使所有设备、电表形成联动并能够进行信息交互，通过有效监控用电量为进一步控制能耗，保障设备硬件安全提供必要的基础。ZigBee数传技术的发展为研究能耗监控管理系统提供了基础，本文构建了机房能耗监控系统的整体框架、系统软件平台，实现了监控管理中心对各设备、电表节点的功能监控管理，最终目的是为机房的安全用电，保障系统稳定运行，控制机房能耗，降低企业成本提供一种技术手段和解决方案思路。

    ZigBee是一种短距离无线通信技术，它可与254个节点联网，节点包括仪器和家庭自动化应用设备，它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。相比其它短距离无线通信技术，ZigBee技术具有低功耗、低成本、时延短、网络容量大等明显优势，对于数据机房内的采集监控网络而言，传输数据量小，在传输速率上要求不高，但网络容量大，电表数量多，要求信息实时性好，成本低。在这种网络环境下，ZigBee技术能够很好地满足实际组网的需求。

1 系统整体方案设计

数据机房能耗监控系统主要由三部分构成：中央控制器，数据采集/控制终端、远程用户访问端。本系统主要由I610-G12服务器、Web通信模块、ZigBee无线模块、数据采集/控制终端、电源电路、访问终端等组成。系统总体框图如图1所示。

图1 机房能耗监控系统总体框图

此系统可完成ZigBee数据采集和初步控制功能。ZigBee数据采集终端通过MODBUS总线读取各电表的运行参数，包括电能、电压、电流、功率、功率因数等，将采集到的数据通过ZigBee无线模块传输给中央控制器，中央控制器将机房内所有ZigBee数据采集终端上报的数据汇总处理后存入Web通信模块的数据库，远程用户通过PC机访问机房Web服务器，实时获取各设备运行状况。同时，用户可以通过访问数据库获取历史数据。

2 系统硬件设计

2.1 中央控制器

本系统采用Web应用服务器做为中央控制器，中央控制器是系统的核心控制部分，完成指令的收发，数据的收集、分发和处理等功能。中央控制器由处理器、内存、网络控制器、硬盘控制器、供电电源、网卡和相关端口等组成。本系统采用中科曙光公司生产的一款双路机架服务器I610-G12，其基于Intel Xeon E5-2600系列多核处理器，完全满足一般互联网企业数据机房网络的设计要求。采用Web应用服务器做为中央控制器的一个好处是既满足了系统和网络的性能需求，又避免了额外部署中央控制器造成的不必要成本支出。

2.2 ZigBee无线通信设计

2.2.1 ZigBee组网设计

ZigBee组网分为星型、网型、树簇型，根据智能电表监控系统的特点，本设计采用星型结构组网，星型网络节点有两种，中心节点和外围节点。

    网络中的中心节点是整个网络的核心，负责组网，整个网络由中心节点执行集中式通信控制管理，各节点间的通信都要通过中心节点。本系统中的中央控制器做为中心节点，数据采集/控制终端做为外围节点，采用星型组网后，系统控制简单，易于网络监控和管理，同时单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网，并可快速定位故障。

2.2.2 ZigBee模块设计

本系统采用飞思卡尔公司生产的MC13224V平台做为ZigBee模块组网的解决方案，该解决方案在单一封装中集成了ZigBee无线通信模块的所有必要组件，从而可以减少组件数量并降低系统成本。做为飞思卡尔公司的第三代2.4GHz IEEE802.15.4平台，具有诸多特性：AES 128位硬件加密/解密，带随机数生成器；JTAG调试端口；不需要外部RF组件等。

2.2.3 ZigBee抗干扰性能分析

ZigBee数传模块的抗干扰特性主要是指抗同频干扰，而对于同频干扰的抵御能力是至关重要的，因为它直接影响到设备的性能。IEEE802.15.4无线通信标准中提供了很多机制来保证ZigBee数传模块在2.4GHz频段和其它无线技术标准的共存能力，如：动态信道选择、空闲信道评估、信道算法等。

    通过实验可以证明：正确选择信道、增大频偏可以减小ZigBee数传模块的干扰性。WiFi与ZigBee可以近距离（小于2m）共存；而蓝牙设备却采用调频技术，对网络的干扰很小，所以两者也能很好地共存。因此ZigBee在2.4GHz频段能可靠地与WiFi、蓝牙等无线通信技术共存。

2.3 数据采集/控制终端

ZigBee数据采集/控制终端主要包括电压采集模块、电流采集模块、功率采集模块、电能采集模块、协议转换模块以及指令执行模块等。各个ZigBee数据采集/执行模块基于MODBUS协议对电表参数进行采集，并都与协议转换模块相连，协议转换模块负责将MODBUS总线采集的电表运行参数格式装换为ZigBee协议格式，以支持ZigBee网络传输。机房数据采集/控制系统通过ZigBee模块将所有的ZigBee数据采集/控制终端进行无线连接，完成室内组网，实现数据、指令的传输。

机房ZigBee数据采集/控制系统通过ZigBee网络进行数据、指令的传输，中央控制端完成数据的收集、分发、存储以及指令的生成、发送，采集/控制终端完成数据采集及指令的接收、执行。数据采集/控制终端节点框图如图2所示。

图2 数据采集/控制终端节点框图

Web通信模块主要实现远程用户通过Web界面的形式实时监控设备、电表的运行状态。Web通信模块主要包括Web应用服务器、数据库服务器、数据存储磁盘、交换机等。数据库服务器通过交换机与中央控制平台相连，实现数据的读取，Web应用服务器实现数据以Web界面的形式呈现。

远程用户可以使用PC机、智能手机、平板电脑通过Internet实时获取设备、电表的运行参数，并与中央控制器进行信息交互。Web通信模块节点框图如图3所示。

图3 Web通信模块节点框图

3 系统软件设计

本文软件设计可以分为两部分：中央控制器部分和数据采集/控制终端平台部分。主控平台的软件系统运行在中央控制器上，接收数据采集/控制终端平台通过ZigBee网络传送的机房设备、配电柜电表参数，经过数据处理操作，以web界面的形式将设备运行状态实时呈现给远程用户；远程用户通过Internet可以实时监控、查询相关设备的状态，能耗情况等，并可以根据实际情况，下发相应控制指令，如控制指定设备进入待机或低功耗状态，关闭指定设备等，从而实现对机房整体能耗的控制。如果某台设备局部电流过大，超过阈值，用户也可以远程处置，保证机房安全。

3.1 Web通信模块应用服务器的软件实现

本系统主程序流程如图4所示，主程序运行在中央控制器上，由许多实现相应功能的子程序组成，主要包括Web通信程序、ZigBee无线通信程序、数据采集处理程序、各模块控制程序等。

图4 本系统主程序流程图

系统初始化后，用户远程登录系统Web服务器，数据采集模块采集的各个参数将以Web形式实时呈现，用户可以通过查看设备状态判断设备是否运行正常，通过查看配电柜参数了解各个设备的能耗情况及机房的整体能耗。如果发现用电异常或某些设备暂时不需运行，用户通过发送控制指令即可实现远程控制，并获取系统返回的结果。

3.2 数据采集/控制终端模块的软件实现

流程数据采集/控制终端模块主要是采集机房设备、配电室电表等参数，经过协议转换后通过ZigBee数传网络将数据传送至中央控制单元，同时接收中央控制单元下发的控制指令并执行。数据采集/控制终端模块的软件流程图如图5所示。

图5 数据采集/控制终端模块软件流程图

系统上电后，各采集/控制节点进行初始化，随后采集模块实时采集预设的设备、电表参数，通过ZigBee数传模块网络发送至中央控制单元；如果收到控制指令，首先解析此控制指令，判断出是对哪台设备进行何种控制，然后执行此指令，并把执行结果反馈给主控单元，不断循环返回。

4 总结与展望

本文提出了一种应用于互联网企业数据机房的能耗监控管理系统设计，给出了设计思路和系统框图，从硬件实现和软件流程两个方面对系统进行了详细描述。本文旨在为控制机房能耗，降低企业运营成本，保障设备安全运行提供一种技术思路和必要的数据基础。本系统采用ZigBee数传模块，实现了机房内的无线组网，以完成数据的收集和指令的传输，避免了综合布线带来的成本增加和其它不便；中央控制单元完成数据的处理和指令的生成，通过ZigBee模块网络将控制指令下发至控制终端模块，对设备能耗进行相应的控制；利用Web通信模块，用户可以通过互联网实时查看设备的能耗、运行状态，下发相关指令，并可以查询相关数据。

    本系统基本实现了对机房设备能耗状况和运行状态的有效监控，但仍有很多问题需要解决，下一步的研究重点将集中在以下几方面：（1）对系统设备运行参数全面、智能的监控，保障安全运行；（2）设备智能能耗控制，在保证设备正常运行的情况下，最大限度的降低设备的能耗，降低企业成本。