基于无线传感器网络的机房环境感知系统设计

摘 要：近年来，随着信息采集技术的不断进步，无线传感器网络（WSN）技术取得了巨大突破，在环境监控领域获得了广泛应用，成为备受国际关注、高度知识集成的科研热点与前沿。WSN技术应用到机房环境感知监控中，提高了测量结果的准确性，并且部署方便、扩充性强，是一种低成本、高效率的监控系统设计方案。

关键词：无线传感器；机房环境；监控；系统设计

传统的机房环境感知系统大都基于有线集中监控模式，有线集中监控不仅结构臃肿、造价高昂，而且可靠性和准确性都比较差。目前，借助全新的技术改进，有线集中监控的成本和效率已大为改观，但仍然难以克服布线方面的困难，而通过无线传感器网络，使系统摆脱了对电源线及数据线的依赖，实现了“两线”瓶颈的成功跨越，对机房环境感知系统而言是一次巨大的技术飞跃。

1 WSN技术概述

WSN由一定数量的固定或移动式无线传感器组成，各无线传感器通过无线网络进行通讯，共同构成一个节点群。WSN运用了低功耗无线通信技术、专用计算机技术、微传感器技术、微型芯片技术、电路设计技术等。每个传感器节点由传感模块、处理模块、无线模块及电源模块四部分构成，其中传感模块的功能是采集监测数据，处理模块的功能是对采集到的相关数据进行简单处理及临时性存储，无线模块负责数据的无线交互，电源模块负责各传感器节点的电力供应。WSN能够实时感知应用现场的环境数据，并将信息进行简单处理，然后输送至用户端，使用户实时把握监控对象的状态。无线传感器网络不存在布线方面的障碍，并且安装方便、维护简单，非常适合在机房环境中部署和使用。

2 基于WSN的机房环境感知系统设计

2.1 总体架构

整个机房环境感知系统由WSN子系统和上层管理系统构成，其中WSN子系统即无线传感器终端节点群，采用动态协同自组织算法，各节点依据搭载的传感器类型，分别执行不同的数据采集任务，并借助无线模块来完成数据的转发及传送。上层管理系统运行于监控主机上，主要对WSN采集上传的信息进行分析和储存，为客户呈现一目了然的监控视图。WSN子系统与上层管理系统借助Sink节点和基站相连接，Sink节点和基站借助串口等接口相连接，传感器数据首先汇集到Sink节点，然后通过基站上传至监控主机。

2.2 硬件选型

在机房环境感知系统中，处理器采用嵌入式CPU或单片机MCU；通信单元采用短距、低耗的无线通讯元件，一般以ZigBee协议进行数据交互；传感器类型由传感器所属的功能模块及被监测对象的信号形式来决定，通常包括温度传感器、湿度传感器、浸水传感器、光强传感器、烟雾传感器等。

2.3 软件设计

⑴无线传感器网络。单个传感器的无线传输距离十分有限，无法将采集数据直接上传到主监控系统，因此必须将传感器以某种协议及技术进行互联，形成无线节点网络，数据在临近接点之间进行跳转，从而延长通信距离。机房环境感知系统的传感器基本不需要移动，采集的数据量也比较小，但对数据交互的实时性有一定要求，因此提出一种基于最小跳数的数据转发协议，网络内任一节点发出的信息均沿着最短路径向Sink节点传递。同时，为避免信息跳转过程中发生数据冲突、确保数据下发和控制，运用逐跳搜索法获取最短路径。

⑵无线传感器节点软件。要想无线传感器正常运作，软硬件条件缺一不可，因此必须为传感器嵌入相应的软件系统。与传感器的硬件结构相类似，软件系统同样由四大模块构成。

数据采集模块：激活传感器驱动程序，将采集到的模拟信号转换为数字信号，同时对数据进行初步校正，然后输出数据。

数据处理模块：对采集数据进行简单的预处理，比如对数据进行滤波，以消除信号杂音，降低宽带负荷。

数据收发模块：将处理之后的数据向外发送，或接收来自基站的数据，同时对无线模块的收发状态进行控制和切换。在数据收发之前，需要将数据按既定的帧格式进行打包或解压，以便于数据的传输或处理。

能源管理模块：在节能减耗的设计基础上，通过软件来调整无线模块的工作状态，同时控制微处理器的休眠和唤醒。

⑶sink节点软件。Sink节点负责WSN与上层管理软件之间的通信。本系统中，Sink节点使用的固定软件为WSN 节点操作系统TinyOS，由于Sink节点同基站之间以串口连接，导致多楼层监控中，需要在各楼层分别部署一个基站，部署成本及难度较高。因此可以对TinyOS中的TOS-Base程序加以改进，使Sink节点能够支持TCP/IP协议，这样只需一个基站就能够完成整个系统的通信运作。

⑷上层管理软件。上层管理软件基于C/S三层架构，能够实时处理传感器采集上传的数据，并将数据以用户关心的形成表现出来。上层管理软件负责网络中各个节点的跟踪管理，并借助后期优化处理来弥补WSN自身存在的不足。当监测到异常状况时，软件可通过声音、光线、短信、电话等形式进行报警。

本文从总体架构、硬件选型、软件设计三个方面对基于WSN的机房环境感知系统进行了设计描述。通过WSN有效解决了监控系统设计中的布线烦恼，部署极为方便，实现了实时、准确的机房环境感知和监控，并大大降低了机房监控人员的劳动量，具有较高的应用推广价值。

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