基于无线传感网络的智能机房环境监控系统的设计与实现

摘要：针对传统人工采集费时费力和有线监控布线复杂、维护困难的局限性，将传感器与ZigBee无线网络技术相结合，提出了无线传感网络的智能机房环境监控系统的设计方案，并进行了实现。该系统利用ZigBee技术实现对采集数据及信息的无线收发，通过公共网关接口CGI将数据和控制信息传送到互联网，操作人员从远距离的PC机上实时查看数据、实施控制，从而实现了真正意义的远程监控。
关键词：ZigBee；无线网络；传感器；环境控制；CGI

现有的机房监控主要采用人工监控和有线监控两种方法。传统的人工检测和控制方法费时费力；有线传输面临着布线复杂、维护和更新升级困难，而无线传感网络技术的诞生给它带来了一场全新的革命。
文中提出了一种基于ZigBee无线网络技术的智能机房环境监控系统设计方案，通过对机房的湿度、温度、光照、火警和水浸等几个重要因素进行实时的智能化监测和控制，同时还可以通过手机短信通知管理者。文中重点介绍了基于ZStack的应用程序开发，实现了对机房内多种信息的远程监测、处理和控制。

1 ZigBee无线网络技术
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术。它是一种介于无线标记和蓝牙之间的技术方案。ZigBee是建立在IEEE 802．15．4标准之上的，IEEE规定了ZigBee的物理层和媒体接入控制层，网络层、应用支持子层和高层应用规范由ZigBee联盟制定。ZigBee协议规定了3个可用频段868 MHz、915 MHz和2．4GHz，分别提供：1个、10个和16个共计27个信道。其中2．4GHz为全球通用频段，传输速率达250Kb／S。 ZigBee技术采用CSMA—CA的信道接入方式，可有效避免通信的冲突。
ZigBee网络支持星状、网状和树状三种自组织无线网络类型，其连接地址分为16位短地址和64位长地址，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，可组成多达65 000个节点的大网，一个区域可以有100个ZigBee网络同时存在。
基于ZigBee技术的无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统，具有低成本、低功耗、低速率、高可靠性等特点。

2 系统总体设计
2．1 系统结构
以自动控制原理为理论基础，应用传感器与执行器件构成闭环控制系统。传感器节点配有传感器感知机房环境，控制节点配有执行器件改善机房环境。传感器节点与控制节点相互配合，共同为机房内机器运行提供适宜的环境。

本系统由无线传感器网络、网关和主控中心组成。无线传感器网络是物联网的神经末梢，负责感知环境的变化，并将数据通过网关传输到互联网。系统结构如图1所示。
2．2 网关系统结构
网关是互联网与无线传感器网络之间的数据通讯桥梁。本方案提供了3种网关接入方式：本地访问、手机访问和互联网访问。网关系统结构如图2所示。

2．3 传感器网络结构
ZigBee网络存在3种逻辑设备类型，即协调器、路由器、终端设备，并且在一个ZigBee网络中有且只有一个协调器。当协调器被激活后，它就会建立一个自己的网络。本方案采用的是星型网络，在星型网络结构中只有一个唯一的PAN主协调器，通过选择一个PAN标识符确保网络的唯一性。路由或终端都可以加入到这个网络中来。

3 硬件设计
本系统硬件主要包括3部分，其中无线传感器网络核心是基于TI公司的CC2430开发的无线模块；网关是基于ARM微处理器的嵌入式平台；主控中心是PC机。
CC2430是挪威Chipcon公司的一款真正符合IEEE802．15．4标准的片上ZigBee产品。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2．4 GHz ISM波段应用，及对低成本、低功耗的要求。CC2430无线单片机在待机时的电流消耗仅0．2μA，在32 kHz晶振下运行时的电流消耗小于1μA。因此，使用小型电池寿命可以长达10年。