基于WSN与Web3D的信息机房环境三维仿真监测

3D Simulated Telecommunication Room Environment Monitoring Based on WSN and Web3D

何　辉1　龚成莹2　邢敬宏1

(兰州工业学院信息中心1，甘肃 兰州　730050；兰州工业学院电子信息工程学院2，甘肃 兰州　730050)

基于WSN与Web3D的信息机房环境三维仿真监测

3D Simulated Telecommunication Room Environment Monitoring Based on WSN and Web3D

何辉1龚成莹2邢敬宏1

(兰州工业学院信息中心1，甘肃 兰州730050；兰州工业学院电子信息工程学院2，甘肃 兰州730050)

摘要：针对信息机房环境监测的需求，设计并实现了一种基于无线传感网和Web3D的信息机房三维仿真监测系统。利用JN5148组成的无线传感网进行数据的采集和通信，通过ARM11实现嵌入式数据网关，采用Web3D技术实现实景的三维仿真监测，解决了传统方式不易扩展、互操作性差的缺点。实际应用表明，该系统适用于网络的运维管理工作，便于扩展和管理。

关键词：机房监测无线传感网三维仿真Web3D嵌入式网关

Abstract：In accordance with the requirements of environment monitoring for telecommunication room, the 3D simulated telecommunication room environment monitoring system based on WSN and Web3D has been designed and implemented. In this system, data acquisition and communication are conducted by adopting the WSN consisting of JN5148; and embedded data gateway is implemented by ARM11; the 3D simulated environment monitoring is realized by using Web3D technology. Thus, the disadvantages of difficult to expand and poor interoperability in traditional method are overcome. The practical application shows that this expandable system is suitable for operation, maintenance and management of the network.

Keywords：Telecommunication room monitoringWireless sensor network3D simulationWeb3DEmbedded gateway

0引言

信息机房作为信息化设备的承载地点，其安全性不仅关系到信息化的正常运行，也关系到设备安全、财产安全以及人生安全。目前,许多单位都拥有不止一个信息机房，这些机房分布在不同的区域和楼宇，特别是一些机房常年无人职守。直观并高效地对信息机房实施仿真监测就显得十分必要。

信息机房的环境监测包括对环境温度、湿度、烟雾、水侵、防盗等参数的监测，尤其对于一些无人职守的机房，当发生由于空调故障导致的室温超高、设备温度过高导致的火灾、房间漏水等问题时无法及时处理。对于一些机房设备还有必要进行精细化的监测，如对不同的机柜状态进行分别监测。除专业技术运维人员，非专业的领导者和其他使用者也希望了解信息机房的环境运行情况。这就要求打破传统的监测方法，以更为直观、友好的界面将机房环境运行状态传递给用户。

针对这些问题和需求，本文将无线传感网(WSN)应用在机房环境的监测中，在Web上通过三维仿真的方式对信息机房环境状态进行实时监测。相对于传统的信息机房环境监测，基于无线传感网的三维仿真环境监测具有更多的优点：①传感节点之间使用无线通信，无需布线，不用改造原有的网络线路，节点集成了传感数据采集、数据处理和通信功能；②WSN具有自组织和大规模性的特点，可以对机房环境进行分布式处理，甚至可以对每个机柜进行监测，可以动态添加节点，有利于后期扩展，传感节点具有较低的购买成本[1]；③在Web上用三维方式仿真信息机房实景环境状态，界面直观，便于观察。

1系统设计

系统结构框图如图1所示。系统分为三个部分，即利用无线传感网的机房环境监测部分、嵌入式网关部分、基于Web3D的三维仿真系统部分。机房环境监测部分利用各类传感器件对机房及机柜的环境状态进行采集，用无线传感网进行数据通信；采集到的数据通过WSN协调器节点传送到嵌入式网关，并由嵌入式网关处理后传送到三维仿真系统服务器；在服务器端进行机房环境的三维仿真显示。

图1　系统结构框图

1.1　机房环境状态感知

根据信息机房的环境特点，利用各类传感器进行环境状态的感知(数据采集)。传感器节点部署在机柜内部及机房的关键部位，以采集局部环境状态信息。系统使用SHT10进行温湿度采集，采用MQ-2进行烟雾状态采集，其他传感器根据实际需求进行配置。传感器尽量选择具备数字式接口的传感器件，如Sensirion公司的SHT系列数字式温湿度传感器等。部分模拟传感器需进行信号的处理后送入无线传感节点，气敏式烟雾传感器MQ-2的信号还需电路调离。MQ-2信号处理电路如图2所示，信号经过运放电路处理后送入JN5148无线节点。

图2　MQ-2信号处理电路

1.2　无线传感网构建

WSN由部署在信息机房监测区域内诸多的传感器节点组成，传感节点通常包含传感器、嵌入式处理器和无线收发模块。WSN节点以自组织、多跳的方式构成无线传感器网络，无线传感网通过节点间的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的状态信息。WSN具有规模大、自组织性、动态性、可靠性和以数据为中心等特点[2]，其典型的网络结构如图3所示。

系统采用恩智浦公司的JN5148无线传感节点进行设计。JN5148面向低功耗无线网络应用，片内包含一个增强型32位RISC处理器和IEEE 802.15.4收发器；通过可变宽度指令实现高编码效率，通过可编程时钟速度和各种睡眠模式实现低功耗运行。JN5148包括128 kB的ROM、128 kB的RAM以及各种模拟和数字外设组合。JN5148可以同时运行ZigBee PRO网络协议栈或恩智浦的专有JenNet网络协议栈。JN5148的工作电流小于18 mA，允许直接使用钮扣电池工作。JN5148附加上M04高功率模块后可以实现可视距离1.6 km的数据传输范围。另外，JN5148对2.4 Gbit/s传输网没有干扰，采用DES128位加密[3]。

由传感器采集到的数据经JN5148处理后形成数据包，数据包传向自组网后(采用ZigBee PRO协议)的Router节点。Router路由节点同时采集自身传感信息，并将所接收到的数据传向上级Router节点或者Cordinate中心节点，Cordinate节点最终将数据送入嵌入式网关。

图3　WSN典型结构

1.3　嵌入式网关

无线传感网Cordinate中心节点与ARM11嵌入式网关(以S3C6410为基础的ARM11构建)通过串口连接，以115 200 bit/s的高波特率交换数据；也可以使用JN5148的SPI接口进行通信。如果选择使用SPI接口，须将Cordinate节点作为SPI从设备，ARM11作为SPI主设备，实现高速的数据传输。ARM11接收到数据后，以图表或曲线的形式在LCD屏上显示节点温湿度。嵌入式网关与Web服务器建立Socket连接，通过IP网络将数据发送到服务器端[4]。

1.4　服务器端设计

服务器端接收到嵌入式网关通过IP网络送来的Socket数据后，进行数据处理、数据显示和数据存储。机房环境状态数据最终以三维仿真的方式显示在用户浏览器端。

1.4.1Socket数据通信与处理

Web服务器端用C#语言实现负责进行Socket通信的DLL程序，运行时需要在IIS服务器中进行注册。该DLL实现服务器与嵌入式网关的Socket通信，采用Modbus通信协议[5]。

Socket基本通信格式及每一部分所占字符数如表1所示。

表1　Socket通信数据格式

Modbus协议的ASCII模式，用符号“:”(ASCII值为3AH)指示信息开始，回车换行符CRLF(ASCII值为OD 和 OAH)表示信息结束。错误校验码为 2 个 ASCII 字符，校验字符采用纵向冗余校验(LRC)计算。

1.4.2Web3D三维仿真的实现

Web3D即网络三维，在虚拟现实技术的基础上，通过虚拟的三维立体展示及互动浏览操作对信息机房的环境进行展示。相比数据在Web上的其他展示方式而言，Web3D使用户具有浏览的自主感，并能以自己的角度对信息机房环境进行观察和互动操作。根据信息机房环境仿真检测的需求和Web3D技术的开发资源，系统从众多的Web3D技术中选择Flash3D技术进行开发，开发框架采用TWaver3D[6]。

TWaver3D作为一种前台三维UI解决方案，其简化了3D模型的创建，处于MVC(其中M代表模型，V代表视图，C代表控制器)开发模式的View(视图)层(如图4所示)。它提供了多种基本原型，包括立方体、圆锥体、球体、圆角立方体、多边形体、平面、圆柱体、直线、合体场景、球形场景等，支持多种渲染方式，支持阴影效果和多种3D格式的导入；同时，提供了一套可视化的建模工具，通过编辑器可以快速创建出信息机房的3D实景图[7]。

图4　Web3D层次结构

① 3D场景

简便起见，利用编辑器设计三维场景，仿照真实机房场景。设计好的3D场景保存在XML文件中，为每个对象建立ID标志属性BID。3D场景中还包含了地板、墙壁、机柜和其他对象，场景XML文件中定义了对象的位置、大小、立体面贴图(用来渲染机柜)等属性。

② 3D对象的引用

利用DIB属性为建立好的三维场景添加引用，将被监控信息映射到3D场景，以便在程序中进行调用，并可以改变三维对象的外观颜色、告警状态等特征。

③ 场景控制与鼠标交互

场景控制包括对象的相对位置、观察视角、比例缩放等。鼠标交互指3D场景和3D对象对鼠标事件(单击、双击、拖动等)的侦听。这些功能都可以利用Twaver3D的系统函数或自定义函数实现。

④ 后台数据的获取

系统的前台使用Flex(Flash)开发，Flex与后台.NET中编写的DLL要进行数据通信，这样才能将环境状态信息反映到三维场景上。当环境状态发生变化或者告警时，改变3D对象的外观状态(如颜色)，鼠标点击3D对象可以观察到环境状态的具体数据。常见的通信方式有WebService、HTTPService、URLLoader、FluorineFx等方式，这里采用FluorineFx的AMF协议。该协议比基于HTTP、WebService的SOAP通信方式效率更高。

⑤ 利用Twaver3D实现的机房三维环境

在三维场景中仿真出信息机房的机柜，用三维对象外观颜色的变化反映机柜的当前温度。鼠标拖动场景，转动场景，改变观察视角，进行全方位的观察。双击三维对象可以拉近、放大；单击三维对象,可打开该对象上无线传感节点采集到的环境状态。

1.4.3机房环境对象状态显示

利用Web组态实时显示被测对象的状态值和变化曲线。有两种方案可供选择，一种是定时从后台获取传感器数据，另一种是后台收到数据后直接向浏览器端推送数据。前者是传统的B/S模式中Request请求和Response响应方式，需要不断刷新页面；后者无需刷新页面即可显示数据，用户友好度较好。系统采用了后者，利用支持Flex的实时消息传送协议(real-time message protocol,RTMP)[8]。运行界面状态曲线如图5所示。

图5　状态曲线

2结束语

本文针对信息机房管理的需求，利用无线传感网(WSN)节点实现机房环境状态的采集，构建可以自组网、多跳、便于扩展的传感数据通信网络，解决了机房内多点状态采集和数据处理的问题。采用ARM11设计无线传感网的嵌入式网关，处理高效，接口丰富；利用Web3D技术实现信息机房实景环境的三维仿真，解决了传统机房监测手段不够直观和互操作性差的问题。

限于篇幅，短信告警等一些功能在文中未予介绍。另外，利用Web3D还可以进一步将机柜内部的设备状态(如接口状态、流量状态)进行三维仿真显示，做到机房环境和网络设备的同时仿真监测，这也是下一步将要研究的重点。

参考文献

[1] 胡爱娜,蔡晓艳.WSN在配电房环境安全健康中的应用[J].山东轻工业学院学报:自然科学版,2011,25(4):81-84.

[2] 黄绪勇,苗世红,刘沛.基于无线传感器网络的配电线故障监测的可行性研究[J].继电器，2008,36(8):11-15.

[3] 甘志强,杨志勇,王科.基于JN5148组建无线传感器网络的研究与实现[J].气象水文海洋仪器，2013(1):28-31,35.

[4] 赵双萍,邢敬宏,何辉.多路通道无线传感网络测控系统的研究[J].自动化仪表，2012(5):35-37.

[5] 郭少华,李晓林,李丽宏.基于Modbus/TCP协议和ASP.NET技术的远程网络监控系统[J].电子设计工程，2011,19(3):21-24.

[6] ServaSoftware.TWaver3D[EB/OL].[2014-08-02].http://www.servasoftware.com/.

[7] 柴清,何辉,龚成莹.基于Web3D的IT运维三维仿真监测系统[J].自动化与仪器仪表，2013(5):143-144.

[8] 何辉,龚成莹,邢敬宏.一种新型家用远程健康监测系统的设计[J].工业仪表与自动化装置，2012(3):34-36.

中图分类号：TH81;TP393

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201508013

甘肃省科技支撑计划资助项目(编号：1204GKCA043)；

甘肃省高等学校研究生导师科研计划资助项目(编号：2013B-097)。

修改稿收到日期：2015-01-08。

第一作者何辉(1978-)，男，2010年毕业于兰州交通大学交通信息工程及控制专业，获硕士学位，副教授；主要从事计算机测控领域的研究。