淺析資料中心複合式環境監控單元的設計與應用的論文
淺析資料中心複合式環境監控單元的設計與應用的論文
1 資料中心複合式環境監控單元的設計模型
資料中心複合式環境監控單元為資料中心最小監控單元，監控單元集成了環境感測器(溫度、溼度、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，單元是為適應資料中心環境監控需求所設計的，其內部則為區域性環境變數的閉環控制系統， 會根據區域性環境值的變化做出適當的調整。
許多資料中心將用於環境監測的感測器佈置在場地中某個位置，由於機櫃部署在不同的位置，所形成的冷熱風道在場地中交替分佈， 單點感測器所獲取的值並不能準確反映資料中心區域性環境變化的實際情況， 而且對於安裝在機櫃內部的某個具體裝置而言， 場地中某一點的環境數值對該裝置實際控測毫無幫助， 除非能連續監控該裝置所在的區域性空間的環境變數，即使在同一機櫃內部，從底部到頂部也因安裝了不同發熱量的裝置，環境數值也呈現出非均一性的變化特性，而複合式環境監控單元的設計滿足了這一需求， 單元的監控物件是區域性空間而不是一點，而且是多種環境感測器的複合體，擁有獨立的控制器與執行機構， 除了完成資料中心區域性空間環境變數的採集，並能根據區域性變化做出微調，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，可在每個機櫃中部署，也可在資料中心的某一空間中連續部署，有些採用緊耦合冷卻的資料中心受限於場地形狀， 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，這樣不僅有助於瞭解風道的溫度與風速的變化，並透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， 控制器通常採用成本低、體積小、功耗低的嵌入式微控制器EMCU，EMCU 可以完成複雜的計算任務，但不需要運行復雜系統，擁有較高的穩定性與實時性， 也可程式設計控制多路環境感測器的.採集過程與採集資料處理。當多個單元協同工作時，控制器之間可採用乙太網網、ZigBee、CAN 或其它工業匯流排等方式連線， 尤其是採用ZigBee 無線連線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， 靈活調整環境感測器的型別與數量， 用於機櫃的監測單元需要多路矩陣式溫度感測器，而用於風道監測單元則需要煙霧感測器和風速感測器，資料中心所用的不同型別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：感測器驅動、環境資料採集與控制、資料通訊協議，在資料中心中環境監控單元的大量使用，會導致採集資料量的大幅增長，因此單元程式設計的難點在於： 如何均衡感測器資料採集精度與單元執行效率的問題， 當然資料通訊協議設計的是否合理也會影響到整個監控網路的效率。
2 複合式環境監控單元總體架構
2.1 環境監控單元總體架構
整個資料中心環境監測單元採用多層架構， 底層為採集層，由環境監控單元構成，這裡採用ZigBee 控制系統，單元的主控程式運行於ZigBee 協議棧之上， 單元與單元之間組成ZigBee 無線網路，ZigBee 無線網路具有：組網速度快、網路自恢復等優點，保障了環境資料採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資料，並對資料進行分析與儲存。
2.2 環境監控單元部署方式
資料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資料， 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採集各類環境資料， 並實時推送給上位機。上位機與下位機的通訊可依賴於不同的物理途徑，可以採用通用序列匯流排或乙太網連線的方式。
3 複合式環境監控單元硬體實現
複合式環境監控單元的硬體由單元控制器與複合式環境感測器組成，其中單元控制器可採用TI 公司主流的ZigBee 晶片CC2530，該晶片特點是相容51 指令集，複合式環境感測器由多路數字溫溼度感測器、數字煙霧感測器、以及風速感測器等組成，用於採集數字訊號的環境資料。其中環境監控單元常用數字感測器列表如下：
3.1 監控單元中矩陣式溫度感測器設計
DS18B20 是美國DALLAS 半導體公司推出的“單匯流排”介面的溫度感測器，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微控制器可讀的數字訊號， 其測量的溫度範圍是-55~125℃，測溫誤差0.5℃，可程式設計解析度9~12 位，其最大的優點是可在一條總線上掛接多個感測器分別讀取測量值，鑑於縮短採集時間和保障感測器工作電流前提下，設計為一條總線上掛接4 個感測器， 方便組成2×4 或4×4 矩陣式溫度感測器組合。
3.2 監控單元中露點值測量方法
溫溼度感測器SHT10 是由瑞士Sensirion 推出的數字溫溼度感測器，具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性，全量程標定，兩線數字介面，可與微控制器直接相連，溼度測量精度：±4.5% RH(20~80% RH)溫度測量精度：±0.5℃，露點是資料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，對裝置所造成的危害不言而喻，在監控單元設計中，將STH10 分別部署在機櫃冷風或熱風口，露點可以透過STH10 所測得的溫溼度值計算得到：LogEW=(0.66077+7.5×T/(237.3+T)+(log10(RH)-2)T 為溫度值，RH 為溼度值。露點：Dp=((0.66077-logEW)×237.3/(logEW-8.16077)
3.3 線上式風速感測器的設計
資料中心的空氣流動有兩個重要特點：風向穩定、風速較低，鑑於測量精度要求不高，則採用微型葉輪式分速感測器，其優點是：體積小、成本低、結構穩定、適合做資料中心風速的長期線上監測使用，其間的空氣流動帶動葉輪旋轉，產生電壓訊號，經過放大後由CC2530 做ADC 轉換為相應的數值，感測器在使用時需要在標準風洞中做初始標定。
3.4 煙霧感測器的設計
採用雙路MS5100 煙霧感測器組合， 分別監測機櫃上部與下部空間的煙霧氣體變化情況，MS5100 屬於半導體煙霧感測器，體積小、靈敏度高，可以探測0~2000ppm 範圍的煙氣，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感測器，形成密集型的複合監測單元。
4 環境監控單元程式設計
監控單元的程式設計目標是在ZigBee 協議棧基礎上建立多種環境感測器複合的無線網路採集系統， 使用IAR 微控制器的開發環境，程式可執行在CC2530 的主控制晶片上，其主要功能如下：
(1)監控單元管理(協調器、路由器、終端裝置)，包括裝置初始、裝置自檢、裝置重啟等;
(2)ZigBee 無線網路管理，包括監控單元繫結管理、自組網管理、訊號強度監測等;
(3)各類感測器驅動管理、初始化、復位等;
(4)感測器資料採集、傳輸、儲存的過程控制。
5 結束語
資料中心複合式環境監測單元的軟硬體部分已經設計完成，與資料中心運維管理系統聯合部署，複合式環境監測單元的提出為資料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。