基于物联网的IDC机房智能监控系统

摘要

本发明涉及一种基于物联网的IDC机房智能监控系统，由感知层、汇聚层和调度层以及相应的反馈控制部分组成，感知层通过各类传感器采集数据传输至汇聚层进行校验筛选处理，再通过GPRS网络或者以太网将数据发往调度中心；调度中心收到环境数据以及机房内服务器状态信息后对数据进行解析并进行周期性处理，若发现环境参数与偏离阈值，则发送控制指令至反馈控制部分以调节机房环境及机房内服务器状态。本发明对IDC机房内的环境、设备数据信息进行实时准确地采集、上传和处理，准确下发并处理控制指令，动态调节机房环境和机房内服务器状态，实现了对IDC机房内环境和设备的智能监控，可使第三方设备通过加装无线模块的方式融入现有系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种智能监控技术，具体的说是一种基于物联网的IDC机 房智能监控系统。

背景技术

随着电子商务和企业信息化的发展，IDC（Internet Data Center,互联网 数据中心,简称IDC）机房建设的数量及规模不断扩大。机房作为各单位信 息交换及存储的枢纽，科学管理尤为重要。以往用户对于机房管理的重点 都集中在防黑客或非法入侵、电脑病毒、网络故障、数据备份等方面，往 往忽略了机房的环境变化，可能致使产生不可预见的后果，如机房的温度、 湿度过高、电力系统不稳定、机房安全措施不完善致使非核心工作人员进 出机房操作，造成的隐患或者故障而引发机房事故，导致不必要的经济损 失。

目前许多机房的管理人员不得不采用24小时专人值班，定时巡查机房 环境设备，这样不仅加重了管理人员的负担，而且更多的时候，不能及时 排除故障，对事故发生的时间及责任也无科学的管理。尤其目前国内普遍 缺乏机房环境设备的专业管理人员，在许多地方的机房不得不安排软件人 员或者不太懂机房设备管理甚至根本不懂机房设备维护的人员值班，这对 机房的安全运行无疑又是一个不利因素。

另一方面，随着机房设备高度的集成化，其能源效率偏差以及机房散 热量日渐增高的现象开始受到了各界强烈关注。伴随着我国低碳经济的到 来，各个行业针对节能减排的需求与日俱增，对于各数据中心机房尤其突 出，如何在业务量不断增加的情况在下，能够更有效的降低能耗成为必须 面对的一个问题。目前机房能耗问题始终是制约机房规模的瓶颈，机房日 常运行和维护产生的能耗开销十分庞大。

此外，目前使用的大多数机房环境监控系统内部布线复杂，自组织性 较差。与此同时，也没有统一的协议来保证其适用于不同的机房。

除此之外，IDC业务模式将是以后的利润的重要或主要来源，因此目 前几乎所有的电信运营商都在积极的进行IDC的建设。由此可见，IDC间 的激烈竞争不可避免。其中，环境监控是IDC建设中的关键环节，作为IDC 运营商都面临着如何提升环境监控进而提升企业的核心竞争力的问题。

目前，能够解决上述问题的技术方案尚未见报道。

发明内容

针对现有技术中IDC机房环境监控存在能耗大、能源利用率低等不足 之处，本发明要解决的技术问题是提供一种能够动态调节机房环境、保证 低功耗稳定运行的基于物联网的IDC机房智能监控系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明基于物联网的IDC机房智能监控系统，由感知层、汇聚层和调 度层以及相应的反馈控制部分组成，其中感知层通过各类传感器采集数据 传输至汇聚层进行校验筛选处理，再通过GPRS网络或者以太网将数据发 往调度中心；调度中心收到环境数据以及机房内服务器状态信息后对数据 进行解析并进行周期性处理，若发现环境参数与偏离阈值，则发送控制指 令至反馈控制部分以调节机房环境及机房内服务器状态。

所述感知层包括物管标签部分、电源监测部分、传感器部分以及图像 采集部分，在IDC机房内服务器、机柜、电源上均放置一个物管标签；在 温度敏感设备内放置温度传感器，IDC机房每规定面积内放置一个温湿度 传感器，电源加装无线智能电表，进出口及重要设备加装图像采集设备。

所述图像采集设备为在机房出入口处加设与配合物管标签配合检测的 红外触发开关侦测装置及摄像头。

所述汇聚节点根据机房实际大小布置，使每个数据汇聚节点能覆盖规 定范围内的感知层设备。

IDC机房智能监控系统的控制方法如下：

感知层采集数据，感知层数据通过短距离无线通信方式向外发送数据 到数据汇聚节点；

数据汇聚节点之间线性级联，每一级节点对数据进行校验筛选，并按 协议格式封装发送至其上一级节点；

最后一级数据汇聚节点通过短距离无线通信方式传送数据到调度层；

调度层软件接收到由汇聚层发送的数据并根据数据协议进行解析，将 解析结果写入相应数据库中用于数据分析；

调度层的数据分析模块对数据进行综合分析，判断IDC机房内设备是 否需要调节，如果需要调节，则由调度中心向汇聚节点发送控制命令；

汇聚层将反馈控制命令传送给反馈控制部分以控制相关设备调节机房 环境；机房内服务器根据调度层命令更改自身状态平衡任务负载。

所述感知层具有主动发送数据及被动接收控制命令功能均采用低功耗 控制，主动发送数据包括感知层采集的环境数据以及感知层采集的图像数 据，其中感知层采集的环境数据的主动发送数据步骤为：

采集节点启动；传感器数据采集；采集节点数据计算；采集节点数据 发送；采集节点休眠，接续汇聚节点筛选数据步骤。

感知层采集图像数据的主动发送数据步骤为：

红外触发开关侦测装置运行；

当有红外触发信号时，摄像头拍照；

将图像数据打包发往上层汇聚节点；

接续汇聚节点筛选步骤。

感知层被动接收控制命令步骤为：无线通信模块侦听到数据，唤醒采 集节点处理指令，节点控制设备运转，采集节点休眠，接续汇聚节点筛选 数据步骤。

调度中心向汇聚节点发送控制命令包括普通设备的调节及机房内服务 器的调节，其中普通设备的调节步骤为：

分析环境参数，生成相关指令；

调度层向汇聚层发送指令，汇聚层通过GPRS或以太网接收指令；

汇聚节点判断其所接收的指令是否为其覆盖范围内设备的控制指令；

如果是其覆盖范围内设备的控制指令，则将该指令发送给相应感知层 节点；

否则如果不是其覆盖范围内设备的控制指令，则将该指令发送给下一 级汇聚节点。

所述机房内服务器的调节步骤为：

分析机房内服务器的状态数据，生成相关机房内服务器控制指令；

通过以太网向机房内服务器发送指令；

机房内服务器收到指令后解析控制指令；

调用相应的shell脚本。

本系统数据通信采用变长协议，感知层上传数据分为具有多种字节的 多种协议，用于匹配不同数据类型需求。

本发明具有以下有益效果及优点:

1.本发明系统在不影响机房内部整体结构的同时，整个系统能够低功耗 地稳定运行，保证了各个模块之间的有效数据通信，能够对IDC机房内的 环境、设备数据信息进行实时准确地采集、上传和处理，能够准确下发并 实时处理控制指令，动态调节机房环境和机房内服务器状态，减少了机房 管理人员的工作量，实现了对IDC机房内环境和设备的智能监控。

2．本发明系统为机房设备布置感知层节点结合图像采集，可对设备进 行有效的资产管理，感知层节点内可写入相关设备基本信息，设备离开监 控区域时能及时发现并有图像记录。

3.本发明系统设计并应用一套支持第三方设备扩展的应用层通信协 议，可使第三方设备通过加装无线模块的方式融入现有系统。

附图说明

图1为本发明基于物联网的IDC机房智能监控系统的拓扑图；

图2为本发明系统的总体控制流程图；

图3为本发明系统中感知层主动发送数据的低功耗控制流程图；

图4为本发明系统中感知层被动接收控制命令的低功耗控制流程图；

图5为本发明系统中感知层采集图像数据控制流程图；

图6为本发明系统中机房环境控制流程图；

图7为本发明系统中机房内服务器状态调整流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，基于物联网的IDC机房智能监控系统由感知层、汇聚层 和调度层三个层次以及相应反馈控制部分组成，其中感知层通过各类传感 器采集数据传输至汇聚层进行校验筛选处理，再通过GPRS网络或者以太 网将数据发往调度中心；调度中心收到环境数据以及机房内服务器状态信 息后对数据进行解析并进行周期性处理，若发现环境参数与偏离阈值，则 发送控制指令至反馈控制部分以调节机房环境。

感知层包括物管标签部分、电源监测部分、传感器部分以及图像采集 部分，在IDC机房内服务器、机柜、电源等重要设备均放置一个物管标签， 机房内服务器、机柜等温度敏感设备内放置温度传感器，IDC机房每规定 面积（本实施例为5平方米）内放置一个温湿度一体传感器，电源加装无 线智能电表，进出口及重要设备加装图像采集设备（摄像头及红外触发开 关）；在感知层设备布设完毕后，根据机房实际大小，加装数据汇聚节点， 使每个数据汇聚节点能覆盖规定范围（本实施例约15平方米）内的感知层 设备。

本实施例中，本系统微控制单元在感知层模块使用16位，超低功耗的 MSP430F2012，汇聚层模块的阅读器使用32位高性能、低功耗的NXP LPC1768FBD100，无线传输模块使用CC1101，温度传感器芯片型号为 18B20，温湿度传感器芯片型号为DHT11。

本发明IDC机房智能监控系统的控制方法如图2所示，感知层采集数 据，感知层数据通过短距离无线通信方式向外发送数据到数据汇聚节点；

数据汇聚节点之间线性级联，每一级节点对数据进行校验筛选，并按 协议格式封装发送至其上一级节点；

最后一级数据汇聚节点通过短距离无线通信方式传送数据到调度层；

调度层软件接收到由汇聚层发送的数据并根据数据协议进行解析，将 解析结果写入相应数据库中用于数据分析；

调度层的数据分析模块对数据进行综合分析，判断IDC机房内设备是 否需要调节，如果需要调节，则由调度中心向汇聚节点发送控制命令；并 结合机房内服务器管理接口返回的机房内服务器状态信息，生成反馈控制 命令发往汇聚层及机房内服务器；

汇聚层将反馈控制命令传送给反馈控制部分以控制相关设备调节机房 环境；机房内服务器根据调度层命令更改自身状态平衡任务负载。

本实施例中，感知层定期采集数据并通过短距离无线通信方式发送给 汇聚层相应的数据汇聚节点，汇聚节点对数据进行校验筛选，将筛选后数 据进行封装，若数据量达到封装上限或者到达发送触发时间，汇聚节点将 数据逐级上传，因感知层设备发送数据采用广播形式，所以每一级汇聚节 点都要对数据进行去重操作，以尽可能减少数据量防止广播风暴。若数据 到达某一串行链路上最后一级汇聚节点，该汇聚节点通过GPRS网络或者 以太网将数据发往调度中心。另一方面，机房内服务器周期性的将自身状 态信息通过以太网传送给调度中心，调度中心收到环境数据以及机房内服 务器状态信息后对数据进行解析并进行周期性处理，若发现环境参数与偏 离阈值，则发送控制指令控制风机、空调、冷却水泵等设备调节机房环境， 若机房内服务器状态异常，则发送指令调用机房内服务器端脚本控制机房 内服务器状态。

感知层主要负责采集数据，它主要由四个部分组成，分别是物管标签 部分、电源监测部分、传感器（温度传感器、温湿度一体传感器、电压传 感器）部分和图像采集部分。所使用的传感器都保证了低功耗，系统正常 运行状态下，物管标签及传感器部分采用锂电池供电可保证其工作2至3 年。感知层具有主动发送数据及被动接收控制命令功能均采用低功耗控制， 主动发送数据包括感知层采集的环境数据以及感知层采集的图像数据，其 中感知层采集环境数据的主动发送数据步骤如图3所示：

采集节点启动；传感器数据采集；采集节点数据计算；采集节点数据 发送；采集节点休眠，接续汇聚节点筛选数据步骤。

感知层采集图像数据的主动发送数据步骤如图5所示：

红外触发开关侦测装置运行；

当有红外触发信号时，摄像头拍照；

将图像数据打包发往上层汇聚节点；

接续汇聚节点筛选步骤。

如图4所示，感知层被动接收控制命令步骤为：无线通信模块侦听到 数据，唤醒采集节点处理指令，节点控制设备运转，采集节点休眠，接续 汇聚节点筛选数据步骤。

感知层设备周期性启动并采集发送相关数据，之后进入休眠状态，在 休眠状态下，节点功耗在微安数量级。当节点处于休眠状态时，无线模块 侦听数据，若有指令数据到来，则通过中断唤醒采集节点，节点处理完命 令后再次进入休眠状态。图像采集功能分为红外触发和定时触发，监控进 出人员，保证重要设备的安全。

感知层将这些采集到的数据，按照设计好的系统通信数据协议，通过 CC1101无线传输模块发送到以数据汇聚节点为核心的汇聚层。每个汇聚节 点可采集多个上传而来的信息，并且将采集的信息进行去重，防止广播风 暴。由于采用无线发送与接收，汇聚节点与采集节点之间的距离在安全区 域限制内可调，整个系统灵活性较高。本实施例中汇聚节点包括两个无线 通信模块、一个微控制器（MCU）、外围电路、3路串口、4路开关量。

汇聚节点通过CC1101无线传输模块接收数据，并将这些数据汇总起 来，经过一定的数据上传周期将其通过网口或者GPRS方式发送到调度层。 汇聚节点还需定期上传心跳包信息表明设备处于正常工作状态，如果调度 层在设定时间内没有收到心跳包信息，系统将会报警，告知维修人员维修 或更换相应汇聚节点。

调度层可以向数据汇聚节点发送指令，用于调整数据上传周期、心跳 包上传周期、报警阈值等。

另一方面，本系统采用反馈控制机制。当机房内设备温度过高时，若 不能及时处理，将会使能耗剧增，并可能造成机器损坏、数据丢失甚至引 起电源短路、火灾等事故。因此，本系统采用反馈控制机制，动态调节机 房环境及机房内服务器设备运行状态。调度中心向汇聚节点发送控制命令 包括普通设备的调节及机房内服务器的调节，其中普通设备的反馈控制调 节步骤如图6所示：

分析环境参数，生成相关指令；

调度层向汇聚层发送指令，汇聚层通过GPRS或以太网接收指令；

汇聚节点判断其所接收的指令是否为其覆盖范围内设备的控制指令；

如果是其覆盖范围内设备的控制指令，则将该指令发送给相应感知层 节点；根据机房环控设备（风机、空调、冷却水泵）具体情况，制定反馈 控制的具体方式，例如对于提供控制接口的设备应使用控制指令进行控制， 对于传统环控设备可采用开关量形式。汇聚节点自身提供4路开关量，也 可在感知层节点提供开关量。

否则如果不是其覆盖范围内设备的控制指令，则将该指令发送给下一 级汇聚节点。

如图7所示，机房内服务器的反馈控制调节步骤为：

分析机房内服务器的状态数据，生成相关机房内服务器控制指令；

通过以太网向服务器发送指令；

机房内服务器收到指令后解析控制指令；

调用相应的shell脚本。

调度层程序周期性分析综合分析环境参数和机房内服务器状态数据， 若分析结果显示参数偏离阈值，则生成相应指令经由汇聚层发往感知层。 指令分为两类，一类指令控制机房环境，另一类指令控制机房内服务器状 态。如图6所示为机房环境控制部分，将空调、风机、冷却水泵的控制指 令通过本系统封装后发送给相应设备进行控制；如图7所示为机房内服务 器状态控制部分，在机房内服务器端预先运行控制程序并封装相应控制脚 本，通过以太网发送指令调用相应脚本进行机房内服务器控制。例如根据 机房环境的温湿度状态，调度层发送指令动态调节空调、风机、冷却水泵 的运行状态；根据负载状态，调度层上位机会通过机房内服务器通信接口 发送命令，动态调节机房内服务器状态，减少低负载机房内服务器的能耗， 或将高负载机房内服务器中的任务动态分配到其他机房内服务器。实时有 效地使得整个系统始终处于低功耗运行状态。

本系统数据通信采用变长协议，感知层上传数据分为5字节、8字节、 12字节、21字节四种协议，用于匹配不同数据类型需求，而任何新接入设 备只要符合这些长度标准均可无缝接入系统，只需在调度层加入相应解析 模块。汇聚层的通信数据协议如表1所示，有效载荷部分数据协议如表2 所示。

表1  汇聚层通信数据协议定义表

①数据长度

长度：1字节

定义：有效载荷部分数据长度。

②分隔符

长度：1字节

定义：分隔符FF（16进制数），分隔前导部分与有效载荷部分

③有效载荷部分

长度：根据①数据长度定义

定义：有效载荷部分数据。

④校验和

长度：1字节

定义：有效载荷部分各字节数据校验和。

表2  有效载荷部分数据协议定义表

表3  反馈控制指令协议定义表

1byte 2byte 4byte Nbyte 1byte 指令类型 汇聚节点ID 感知设备ID 指令内容 校验和