浅析数据中心复合式环境监控单元的设计与应用

1 数据中心复合式环境监控单元的设计模型

数据中心复合式环境监控单元为数据中心最小监控单元，监控单元集成了环境传感器、控制器、执行器三个主要部分，单元是为适应数据中心环境监控需求所设计的，其内部则为局部环境变量的闭环控制系统， 会根据局部环境值的变化做出适当的调整。

许多数据中心将用于环境监测的传感器布置在场地中某个位置，由于机柜部署在不同的位置，所形成的冷热风道在场地中交替分布， 单点传感器所获取的值并不能准确反映数据中心局部环境变化的实际情况， 而且对于安装在机柜内部的某个具体设备而言， 场地中某一点的环境数值对该设备实际控测毫无帮助， 除非能连续监控该设备所在的局部空间的环境变量，即使在同一机柜内部，从底部到顶部也因安装了不同发热量的设备，环境数值也呈现出非均一性的变化特性，而复合式环境监控单元的设计满足了这一需求， 单元的监控对象是局部空间而不是一点，而且是多种环境传感器的复合体，拥有独立的控制器与执行机构， 除了完成数据中心局部空间环境变量的采集，并能根据局部变化做出微调，使得环境监控体系更为有效和精准。单元的组织与部署形式灵活，可在每个机柜中部署，也可在数据中心的某一空间中连续部署，有些采用紧耦合冷却的数据中心受限于场地形状， 规划中不可避免产生超长型冷热风道和L 型风道， 架空地板下可连续部署多个监控单元，这样不仅有助于了解风道的温度与风速的变化，并通过单元所控制的风机来自动维持风道出风口压力。

每个监控单元都有独立的控制器， 控制器通常采用成本低、体积小、功耗低的嵌入式微控制器EMCU，EMCU 可以完成复杂的计算任务，但不需要运行复杂系统，拥有较高的稳定性与实时性， 也可编程控制多路环境传感器的采集过程与采集数据处理。当多个单元协同工作时，控制器之间可采用以太网网、ZigBee、CAN 或其它工业总线等方式连接， 尤其是采用ZigBee 无线连接的监控单元在部署方式上更为灵活。监控单元可以根据监控目标不同， 灵活调整环境传感器的类型与数量， 用于机柜的监测单元需要多路矩阵式温度传感器，而用于风道监测单元则需要烟雾传感器和风速传感器，数据中心所用的不同类型监控单元都可以做出适当的裁剪，避免不必要的资源浪费与系统开销。

监控单元的功能包括三个主要方面：传感器驱动、环境数据采集与控制、数据通讯协议，在数据中心中环境监控单元的大量使用，会导致采集数据量的大幅增长，因此单元程序设计的难点在于： 如何均衡传感器数据采集精度与单元执行效率的问题， 当然数据通讯协议设计的是否合理也会影响到整个监控网络的效率。

2 复合式环境监控单元总体架构

2.1 环境监控单元总体架构

整个数据中心环境监测单元采用多层架构， 底层为采集层，由环境监控单元构成，这里采用ZigBee 控制系统，单元的主控程序运行于ZigBee 协议栈之上， 单元与单元之间组成ZigBee 无线网络，ZigBee 无线网络具有：组网速度快、网络自恢复等优点，保障了环境数据采集的实时性与可靠性;上层为管理层，管理层主要职责是：向底层发出监控指令和收集监控单元所返回的环境数据，并对数据进行分析与存储。

2.2 环境监۵控单元部署方式

数据中心环境监控单元以上位机与下位机方式部署，上位机的主要作用就是控制下位机和管理环境数据， 下位机系统则由Zigbee 协调器、ZigBee 节点组成，下位机的主要功能是采集各类环境数据， 并实时推送给上位机。上位机与下位机的通讯可依赖于不同的物理途径，可以采用通用串行总线或以太网连接的方式。

3 复合式环境监控单元硬件实现

复合式环境监控单元的硬件由单元控制器与复合式环境传感器组成，其中单元控制器可采用TI 公司主流的ZigBee 芯片CC2530，该芯片特点是兼容51 指令集，复合式环境传感器由多路数字温湿度传感器、数字烟雾传感器、以及风速传感器等组成，用于采集数字信号的环境数据。其中环境监控单元常用数字传感器♛列表如下：

3.1 监控单元中矩阵式温度传感器设计

DS18B20 是美国DALLAS 半导体公司推出的单总线接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、抗干扰强等优点，可直接将温度 ϡ转化成单片机可读的数字信号， 其测量的温度范围是-55~125℃，测温误差0.5℃，可编程分辨率9~12 位，其最大的优点是可在一条总线上挂接多个传感器分别读取测量值，鉴于缩短采集时间和保障传感器工作电流前提下，设计为一条总线上挂接4 个传感器， 方便组成24 或44 矩阵式温度传感器组合。

3.2 监控单元中露点值测量方法

温湿度传感器SHT10 是由瑞士Sensirion 推出的数字温湿度传感器，具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性，全量程标定，两线数字接口，可与单片机直接相连，湿度测量精度：4.5% RH温度测量精度：0.5℃，露点是数据中心环境的重要指标，当温度冷却到露点，空气变得饱和，就会出现结露现象，对设备所造成的危害不言而喻，在监控单元设计中，将STH10 分别部署在机柜冷风或热风口，露点可以通过STH10 所测得的温湿度值计算得到：LogEW=+-2)T 为温度值，RH 为湿度值。露点：Dp=237.3/

3.3 在线式风速传感器的设计

数据中心的空气流动有两个重要特点：风向稳定、风速较低，鉴于测量精度要求不高，则采用微型叶轮式分速传感器，其优点是：体积小、成本低、结构稳定、适合做数据中心风速的长期在线监测使用，其间的空气流动带动叶轮旋转，产生电压信号，经过放大后由CC2530 做ADC 转换为相应的数值，传感器在使用时需要在标准风洞中做初始标定。

3.4 烟雾传感器的设计

采用双路MS5100 烟雾传感器组合❣， 分别监测机柜上部与下部空间的烟雾气体变化情况，MS5100 属于半导体烟雾传感器，体积小、灵敏度高，可以探测0~2000ppm 范围的烟气，在机房架空地板下或其他密闭空间中， 可连续部署多组烟雾传感器，形成密集型的复合监测单元。

4 环境监控单元程序设计

监控单元的程序设计目标是在ZigBee 协议栈基础上建立多种环境传感器复合的无线网络采集系统， 使用IAR 单片机的开发环境，程序可运行在CC2530 的主控制芯片上，其主要功能如下：

监控单元管理，包括设备初始、设备自检、设备重启等;

ZigBee 无线网络管理，包括监控单元绑定管理、自组网管理、信号强度监测等;

各类传感器驱动管理、初始化、复位等;

传感器数据采集、传输、存储的过程控制。

5 结束语

数据中心复合式环境监测单元的软硬件部分已经设计完成，与数据中心运维管理系统联合部署，复合式环境监测单元的提出为数据中心精细化管理提供了新的工具与方法，✯ 但在实际应用过程中还需开展工程化验证。