基于Arduino的机房温湿度监控系统设计与实现

李 博，杨俊，王中行，于海鹏

（河南工程学院 计算机学院，郑州 451191）

0 引言

随着人工智能、虚拟现实等新兴技术的快速发展，互联网通信产业也在迅猛发展。伴随着网络规模的上升，机房作为互联网的神经中枢，其数量与规模也在不断朝多而广的方向发展。目前，对于银行、公安、消防等部门，机房管理存在的潜在问题尤为突出。如果因机房异常情况而导致宕机的发生，将对管理机构产生巨大的负面影响。合适的温湿度环境，是中心机房设备良好运行的基础，一旦机房环境出现问题，必然会影响到计算机系统的运行，对数据的可靠传输及存储造成一定影响，就可能对机房设备造成不可恢复的损坏，造成不可挽回的损失。

目前，环境监控系统主要用于检测大面积户外环境，由于户外环境的条件恶劣，造成大部分环境监控系统结构复杂，造价高昂。室内环境一般情况属于特定环境，假使将市面上的环境监控系统照搬进室内，会造成系统的不实用性与冗杂性。

物联网技术的发展为实现机房温湿度监控提供了解决条件，物联网通过有线通信或者无线通信等传输方式，将终端与互联网相连，实现数据的交换和通信，从而实现智能管理。

机房温湿度检控系统通过运用物联网技术达到实时监控机房温湿度环境变量的功能，这也是设计并实现本系统的主要目的。在机房的温湿度管理终端，对远程机房温湿度进行实时监测，对可能出现的温湿度异常进行有效计算处理与提供预警，将可能影响机房运转的异常处理在萌芽之中，保证机房的正常运转，同时减轻机房工作人员的负担，提高机房的利用率，实现机房的智能管理。

1 国内外研究现状

1999 年物联网的概念首次被提出，2005 年国际电信联盟首次对物联网进行阐述，定义物联网为通过信息采集设备，实时采集用户所需信息，并与互联网结合为一个巨大的网络。其目的是实现人与物、物与物的连接。物联网概念一经提出，就被广泛应用。如在智能交通，智能家具，公共安全，智能汽车，生物医疗等领域的应用，给人类生活带来巨大便利。

2004 年日本提出自己的物联网国家信息化战略，通过物联网促进技术革命，实现国民便利。基于物联网技术，松下提出了智能家电网络系统，可以实现对家庭电器网络化管理。同时，美国也将物联网技术升级为本国的国家战略，将其作为提升本国经济的重要引擎。例如，德克萨斯推出了智能数字电网，借用此系统，实现对电网异常的感知与异常处理。欧盟相应的也提出了物联网方案，在医疗健康领域实现对药品的监控，保障用户的用药安全。

国内物联网在外部环境的推动下，研究环境也在不断改善。在感知中国国家战略的引导下，物联网产业如雨后春笋，具有旺盛的生命力。研究工作着重点在物联网领域的传感器，网络协同以及软硬件结合，已经形成了一条从研发到市场应用的物联网产业链条。

2 系统结构

系统总体由传输控制系统，WEB 软件层，与云端平台组成。传输控制系统负责数据的采集，通过传输介质进行传输、异常处理、数据存储；WEB 软件层负责将数据库中数据采集出来供前端展示与后台处理；云平台负责数据远程存储与查询。系统总体结构如图1 所示。

图1 系统总体结构Fig.1 Overall system structure diagram

2.1 底层传输控制系统

底层传输控制系统采集并处理终端获取到的机房环境数据，完成数据库中环境变量的实时更新，异常检测任务。按功能划分为：机房温湿度数据采集模块、机房温湿度数据处理模块、机房温湿度数据存储模块。总体结构如图2 所示。

图2 底层传输控制系统总体结构Fig.2 Overall structure diagram of bottom transmission control system

2.1.1 数据采集

数据采集使用传感器，一方面完成对机房环境数据的准确检测，同时将采集到的数据传送到数据通信过程中。整个过程要保证机房环境数据的准确和及时的传送。

数据采集使用DHT11 温湿度模块，将该模块与Arduino 开发板进行正确连接，编写数据采集代码，对采集模块代码进行编译。验证获得温湿度数值是否正确。数据采集源码如下：

2.1.2 数据通信

数据通信模块需要保持与传感器终端的连接，及时完成数据传送功能，并具有对数据进行简单排错功能，以减少错误数据的上传。

受工作环境的影响，为了保证系统的稳定性，采用有线通信方式，通信协议采用Serial 串口通信进行数据传输。该通信方式稳定性高，受周围环境变化的影响范围小。由于Python的扩展库中包含串口通信协议pySerial，因此在PyCharm 中使用pyseial包进行代码编译，达到与Arduino 串口通信的目的。代码实现如下：

2.1.3 数据处理及异常处理

首先，数据处理模块需要对传送过来的原始数据进行校验，排出无关数据；其次，通过一定的规则，对数据进行解析，根据解析结果传输到不同的数据库中。底层传输控制系统感知终端获取到的机房环境数据，判断是否异常，根据判断结果，自动做出处理。

在Arduino ide 编写通过DHT11 获取温湿度的代码，打开串口调试工具，观察串口调试界面是否获取到温湿度，再次编译代码，添加自动控制函数；根据机房最佳温度为40°以下，因此将判断值设定为40。当机房环境变量中的温度值大于40 时，异常处理模块打开，对机房进行降温处理，待机房温度下降到30°之下，风扇自动关闭。代码实现如下：

2.2 WEB 控制系统

2.2.1 用户认证

由于HTTP 其安全性较低，而本WEB 软件需要对使用者进行身份认证以及跟踪操作。因此，当用户登录网站时，WEB 软件记录用户信息，匹配后台数据库，根据匹配结果，给用户设定操作权限。该模块还提供用户注册界面，给未注册的用户注册权限。

WEB 用户认证过程中需要用到Flask—Login与 Werkzeug 扩展模块；此外，还需要 Flask—bootstrap 前端引擎渲染HTML模板文件。

用户使用账号、密码进行登录时，若用户名及密码与后台匹配均正确，跳转到home 页面，否则返回登录界面，进行再次登录。代码实现如下所示：

2.2.2 数据库访问与前端页面可视化

本系统使用MySQL 数据库存储信息，使用python 语言和pyMySQL 完成系统与MySQL 数据库的通信。将对象写入数据库，Flask—SQLAlchemy 为每个模型类都提供了query 对象，可以进行数据库查询。代码实现如下所示：

通过link 标签引入jquery.min.js、bootatrap.min.js 文件，使一个常规的H5 页面转化为bootatrap模板，为HTML 页面标签中的class 属性添加bootrap前端框架含有的属性，实现实例化Boostrap的功能创建网页。

采用图表曲线的方式展示机房环境变化，能够给用户直观的感受，从而使用户更加清楚准确的掌握机房环境的变化。本系统采用Echart 图表库（使用JavaScript 实现的开源可视化库），在data 页面中引入echart.js 库，实现网页中交互性图表及浏览器页面中数据图表的展示。

3 实验验证

3.1 数据传输

使用命令行工具打开数据库。在命令提示符下输入MySQL-hlocalhost-uroot。选择本地数据库并输入密码，使用MySQL 查询，结果如图3 所示。

图3 数据传输结果Fig.3 Experimental results of data transmission

3.2 读取机房温度数据

当传感系统正常工作时，打开机房温度监控系统进行登录操作。选择温度或湿度展示，前端页面将展示温湿度曲线图。温湿度曲线如图4、图5 所示。

图4 温度曲线Fig.4 Temperature curve

图5 湿度曲线图Fig.5 Humidity curve

3.3 用户管理

若以管理员身份登录系统，选择查看用户信息，可以查看最近登录用户信息，其中包括用户ID、用户名、用户密码和创建时间等，同时软件系统支持对用户信息进行管理。为及时发现底层传感设备的情况，系统支持用户通过Web 页面对监控系统进行反馈，实现用户与系统管理员的异步交互。用户反馈数据展示如图6 所示。

图6 用户反馈数据展示Fig.6 User feedback data display diagram

3.4 云端存储

真实环境下，不仅要求数据可以在局域网络查看，还应当支持远程广域网查看。本系统连接物联网云平台，对用户提供数据的云端实时查询服务。通过系统的WIFI模块，向云端服务器发送温湿度数据，将数据存储在云端。用户通过登录云平台，访问本地机房温湿度的实时数据。从云端访问本地机房温湿度的数据曲线如图7、图8 所示。

图7 温度展示图Fig.7 Temperature display diagram

图8 湿度展示图Fig.8 Humidity display diagram

4 结束语

本研究在了解了国内机房温度设备远程监控的现状后，针对机房监控存在的突出问题，设计了有别于传统监控软件的监控系统。与现存的环境监控系统相比，本系统具有稳定性好、成本低廉的优势。

尽管本文完成了机房监控系统的设计和实现，但由于知识水平、实践经验等限制，在许多方面还不够完善，还有许多不足需要解决。接下来，对数据展示功能继续更新，给用户提供更好的使用效果；针对用户身份的不同，保证数据的安全使用，为用户分配合理权限；接入云平台的邮件通知，为基于Arduino的机房温湿度监控系统产品提供预警功能。