基于ZigBee技术的机房温湿度监测系统的设计

1、 2010.1165技 术 应 用基于ZigBee 技术的机房 温湿度监测系统的设计张凤英1,2 薄文彦1 王秀慧11山西大同大学教育科学与技术学院 山西 0370092北京邮电大学自动化学院 北京 100876摘要:系统选择采用JENNIC 高增益大功率模块JN5121-Z01-M02作为数据处理和无线数据收发器件,实现环境温湿度的采集和无线传输。上位机基于Labwindows/CVI 开发图形界面用户管理软件,实时显示并保存环境温湿度参数,实现对机房环境的有效监测。关键词:机房监测;温湿度;WSN ZigBee ;Labwindows/CVI0 前言机房内安装的负载设备,其正常运行对环境温

2、湿度有比较高的要求。良好的机房温湿度监控,对充分发挥计算机系统的性能,延长机器使用寿命、确保数据安全性以及准确性是非常重要的问题。计算机设备中,通常使用了大批的半导体器件、电阻器、电容器等。在计算机加电工作时,环境温度的升高部会对它们的正常工作造成影响。当温度过高时,可能会导致某些元器件不能正常工作甚至完全失去作用,进一步导致计算机设备的故障。因此,必须按照各种设备的要求,把温度控制在设定的范围之内。为了确保计算机安全可靠地运行,除严格控制温度之外,还需要把湿度控制在规定的范围之内。为此我们设计了一款通用的机房温湿度监测系统,对机房环境参数进行实时监测,温湿度超过阈值报警通风,以保证机房设备的

3、良好运行。1 无线传感器网络及系统架构机房设备复杂多样,采用传统有线传输存在布线困难,维护工作量大,不可移动等缺点。无线传输则摆脱了线缆的束缚,有安装周期短,易于维护,扩容能力强等优点,并且组网灵活,无需为新添加设备铺设网络,增加设备即可实现远程监测。基于此本设计采用无线传输监测方案。无线传感器网络(Wireless Sensor Network是由大量低成本、能耗低的微小传感器节点(Sensor node构成的无线网络测控系统。采用多跳对等的通信方式,将具有传感器、数据处理单元及通信模块的大量智能节点部署在监测区域,节点以自组方式形成网络,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象信息

4、并处理、传送到需要的用户,具有自治、自适应等智能属性。本机房温湿度监测系统由一个ZigBee 协调器和若干个外接传感器的终端节点组成。连接温湿度传感器的终端节点置于机房各种设备附近,依据程序设定时间定时采集,数据采集结束后,将数据以约定格式打包并通过无线收发模块发作者简介:张凤英(1980-,女,毕业于北京邮电大学,硕士研究生,研究方向:嵌入式系统与无线传感器网络。 2010.1166 技 术 应 用送数到协调器,协调器将接收到的数据通过串口传输到客户管理PC 机,通过PC 机上的基于CVI 图形界面显示各类设备附近环境的的温湿度。系统框图如图1所示。图1 系统结构框图2 系统硬件设计WSN

5、节点属于一个微型嵌入式系统,它构成了WSN 的硬件基础平台,一般由传感器模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块四部分组成。从实际情况,本着低成本、低功耗的原则对该系统软硬件进行设计。硬件节点主要方框图如图2所示。图2 硬件节点方框图解决方案。JN5121使用硬件MAC 和高度安全的AES 加密加速器,保证了低功耗和处理器的最小工作负荷,同时也提供了丰富的开关量和模拟量接口用于连接用户的应用。传感器模块负责采集指定监视区域的温度、湿度并完成数据转换,本设计采用瑞士Sensirion SHT11数字温湿度传感器。SHT11是瑞士Sensirion 公司推出的基于CMOSens TM 技术的

6、新型高精度智能温湿度传感器。SHT11智能温湿度传感器具有数字式输出,并具有免调试、免标定、免外围电路及可全互换等特点。SHT11将温湿度传感器、信号放大调理、A/D 转换、二线串行接口全部集成于一个芯片内,体积仅与大火柴头相近,使传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点。从而克服了传统模拟式湿度传感器需要设计信号调理电路,以及所需要的复杂校准和标定过程,同时也大大提高了湿度传感器的测量精度。为方便调试,电源管理模块选通所用到的传感器,节点电源由两节1.5V 碱性电池组成,采用LM1117稳压芯片,未来趋势将采用微型纽扣电池应用到终端节点上,以进一步减小节点体积,便于安装

7、,但是电量不足以和碱性电池媲美。由于机房监测环境的特殊性,交流电供电方便,实际使用过程中可以选择交流电变压稳压给节点供电。3 系统软件设计系统基于ZigBee 协议栈进行开发,根据实际机房温湿度监测需求,建立星型网络。协调器负责管理网络、汇聚数据和提供与计算机管理软件的接口,终端设备用来在协调器的控制下完成传感器数据的采集和其它特定的功能。星型网以网络协调器为中心,所有设备只能与网络协调器进行通信,星型网络中的终端设备如果需要通信,先把各自的数据包发送给网络协调器,然后由网络协调器转发给对方。协调器工作过程如下:系统上电后,微处理器首先对系统进行初始化,初始化协议栈,中断使能,开中断,选择频段

8、以及PANID 建立网络。网络建立成功后进入空闲状态,无线收发模块一旦接收到数据后,引发接收中断,检查数据包接收是否完整正常,数据包接收正常则通过串口上传到无线传感器网络管理软件进行相应的数据处理并显示。串口传输完毕后,再次进入空闲状态,协调器工作程序流程如图3所示。终端节点工作过程为:系统初始化过程和协调器相同。 2010.1167技 术 应 用初始化完成,入网,成功后进入休眠状态,定时器定时唤醒进行数据采集,终端节点遵循睡眠被唤醒数据采集打包发送睡眠的工作模式。 终端传感器节点工作程序流程如图4所示。图3 协调器程序流程图 图 4 终端节点程序流程图4 上位机管理界面设计监测系统用户管理监

9、控界面采用基于虚拟仪器编程语言的Labwindows/CVI 软件编写。LabWindows/CVI 是美国NI(National Instrument公司推出的交互式C 语言开发环境,是专门用于虚拟仪器开发的可视化编程语言。与其他编程语言相比,它更具有图形化交互式设计方法、丰富的库文件、提供对多种来自于不同厂家的硬件支持、数据库支持、internet 支持等特点。在系统开发过程中,以其丰富的虚拟仪表控件简化了图形用户接口的设计,利用其强大的数据处理、分析工具,使得大多数系统分析功能仅仅通过简单调用其库函数就可以实现。监测系统用户管理软件具有数据显示、数据保存等功能。管理界面如图5所示。5 结

10、束语针对机房环境监测系统的和发展趋势以及当前机房温湿度监测系统的不足,提出了一种全新的基于计算机监控,无线传感器网络的无线监测系统。有线通信和无线通信都有各自的优势和局限性,不同的无线通信网络技术使用场合、环境各异。ZigBee 这种崭新的无线网络通信技术的出现,为机房环境无线监测搭建了一个全新的技术平台。参考文献1李志刚.网络中心机房动力环境监控系统的建设J.南京广播电视大学学报.2009.2樊春,杨天颖等.高校机房动力及环境监控系统的设计J.中山大学学报(自然科学版.2009.3曹长修,纪强军.基于ZigBee 技术的温度控制系统的实现J.自动化博览.2006.4金海红.基于Zigbee

11、的无线传感器网络节点的设计及其通信的研究D.合肥工业大学.2007.5郑明智,孙丽萍.基于无线传感器网络的机房温度监控系统J.自动化技术与应用.2009.Temperatre and Humidity of Engine Room Monitoring System Based on ZigbeeZhang Fengying 1,2,Bo Wenyan 1,Wang Xiuhui 11School of Education Science And Technology, Shanxi Datong University, Shanxi,037009,China2School of Automa

12、tion of Beijing University of Posts and Telecommunications , Beijing,100876,ChinaAbstract:A kind of engine room monitoring system solution of wireless sensor networks(WSN based on ZigBee is presented in order to improve the insufficiency of the existing monitoring ways. High-gain power module JN5121-Z01-M02 of Jn5121 series from JENNIC act as controller and radio transceiver,is responsible to data collecting,data