基于ZigBee的高速公路机房环境智慧运维管理方案研究

摘" 要：为了提高高速公路机房管理水平，从山区高速公路机房运维实际需求出发，结合物联网和信息技术应用现状，应用一套基于物联网的机房环境智慧运维管理系统，通过ZigBee无线物联网技术实现远程监控，完善机房环境监控系统，由单点线下管理向多点联网管理转变，进一步提升机房数字化智慧运维水平。文章对适用于高速公路机电运维单位实时监测机房物理环境、设备运行状况及实现自动化监控报警的运维管理方案进行了分析研究。

关键词：动环监控；ZigBee；高速公路机房管理；智慧运维

中图分类号：TP39" " 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）10-0156-05

Research on the Intelligent Operation and Maintenance Management Scheme of Highway Internet Equipment Room Environment Based on ZigBee

HU Xiaogang

（Sanming Management Branch of Fujian Expressway Group Co.， Ltd.， Sanming" 365000， China）

Abstract： In order to improve the management level of expressway internet equipment room， starting from the actual needs of operation and maintenance of highway internet equipment room in mountainous areas， combined with the current situation of Internet of Things and information technology application， a set of intelligent operation and maintenance management system of internet equipment room environment based on the Internet of Things is applied. The remote monitoring is realized through ZigBee wireless Internet of Things technology， and the environmental monitoring system of the internet equipment room is improved， and the transformation from single-point offline management to multi-point network management is carried out， and the level of digital intelligent operation and maintenance of the internet equipment room is further improved. This paper analyzes and researches the operation and maintenance management scheme suitable for highway electromechanical operation and maintenance units to monitor the physical environment and equipment operation situation of the internet equipment room in real time， and realize automatic monitoring and alarm.

Keywords： power and environment supervision; ZigBee; highway internet equipment room management; intelligent operation and maintenance

0" 引" 言

随着智慧高速的快速发展，信息数据已经成为高速公路基本组成元素，对数据传输实时性及数据存储安全性的要求与日俱增，机房已经成为不可缺少的基础设施。由于高速公里机房分布零散、距离较远，所处地理环境一般比较复杂，不利于人工管理维护，且机房内部设备作为高速公路机电系统的核心设备，机房的环境、安全防护及管理关系到机电系统运行的安全与可靠，任何环境因素异变都可能会对机房整体运行的稳定性和安全性造成影响，如不能及时发现并处理有可能会造成设备受损甚至数据丢失等重大损失，进而影响到高速公路收费站车辆顺畅通行、隧道设备可靠管控等诸多方面[1-4]。

ZigBee技术作为一种国际通行的物联网通信技术，具有低功耗、近距离、低复杂度、低数据功率、低成本的特性，可快速在小范围内建立小型稳定网络，在环境感知、安防监控等领域都有较为深入的开发、应用[6，7]。

利用ZigBee技术可以实现高速机房内的传感器、空调、门禁系统等设备互联，通过搭建一套机房环境智慧运维管理系统，实时监控高速公路机房运行环境。本文将从ZigBee网络技术应用出发，分析高速公路机房运维需求，探讨一种高速公路机房环境智慧运维管理系统，为实现无人值守机房遥测、遥信、遥调、遥控、遥视提供可靠的技术支持[8-10]。

1" 高速公路机房环境智慧运维管理

1.1" 现有机房管理现状及痛点

随着近年来三明高速跨越式高质量发展，智慧高速不断延伸带来了机房内设备规模化应用，对机房环境稳定性提出了更高要求。作为山区高速，机电机房布设点多面广且多数采用无人值守方式，平时定期通过人工现场巡检、纸质化记录等方式完成机房内部环境检查，存在机房问题无法及时识别或漏检等情况，效率较为低下，巡检成本高，作为粗放型管理，难以满足今后机房运维需求。

1.2" 机房环境智慧运维管理的优势

机房环境智慧管理系统是利用物联网技术对机房的动力环境进行集中性智慧化管理，在机房内安装各类传感器及控制设备，对电源系统不稳定、温湿度过高或过低、空调系统故障、人员私自闯入等易影响到机房安全的隐患进行预警监测；集中监控，自动采集和分析数据，制定环境设备控制计划及智能联动策略；远程管理，自动化控制环境设备、视频设备等子系统，平稳调控设备运行环境；数据可视化，机房运维人员快速发现并应急处置，也可以通过指标预警，提前预防风险，整体提升机房环境运行稳定性，符合山区机房无人值守特点，降低运营成本，提升运维效率。

2" 机房环境智慧运维管理

机房环境智慧运维管理依托一套动力环境监控系统对机房环境及动力环境进行监控，包含感知单元、报警单元、动环主机、通信系统、软件平台等软、硬件设施。监控的对象一般是机房内的温湿度、渗水、空调、电力、UPS、消防、网络环境、视频监控、安防监控、门禁等，通常通过部署在机房主要位置的传感器或采集核心设备自身环境数据，有效监测和识别机房环境异常情况，例如温度偏高、非法闯入、烟雾弥漫等。

动力环境监控系统打通各子系统数据壁垒，实现对机房内各环境参数汇总、分析、处理，解决机房“孤岛”问题，可有效降低区域内机房维护成本。依托下层硬件平台，软件平台具有数据实时监测、告警阀值设定、在线智能诊断、告警预测、告警时结合应急预案采取相应处理策略等特点，实现机房环境有效监控，确保机房环境处于健康状态，为设备可靠运行提供有力保障。

2.1" 感知单元

感知单元主要包括温湿度、停断电、UPS、空气调节、蓄电池氢气等传感器。按数据类型可分为模拟量型传感器和RS-485数字型传感器。感知单元通过各类传感器搭建感知系统获取现场环境参数，也可通过SNMP（简单网管协议）采集机房服务器、网络设备（交换机、路由器等）等核心设备状态数据，监控设备工作状态。

2.2" 报警单元

报警单元主要包括火灾、漏水、烟雾、震动、红外探测等传感器和安防系统，具有火灾报警、漏水报警、机房门禁管理、入侵防盗报警管理、视频监控、IP对讲等功能，有效防范机房安全，实现远程无人在线值守。

2.3" 动环主机

动环主机是动力环境监控系统的核心硬件设备，对接前端传感器和控制模块，使用Modbus、SNMP、DNP3.0、IEC104、BACnet和KNX等协议标准，支持接入模拟量实时监测数据，外部传感器设备等，负责实时分析、处理现场设备传回的信息，实现对数据的实时监控、存储及输出的功能，记录报警事件，实时检测各类设备与传感器的运行状态，具有集中监控、远程管理、逻辑控制、数据存储、平台对接、二次开发等功能。

2.4" 通信网络

动力环境监控系统可支持多元化通信网络类型，包括有线网络及4G/5G、Wi-Fi、LoRa、ZigBee、物联网等无线网络。

鉴于山区高速无人值守机房均与干线网络连接，可通过干线网络将各分散机房动力环境监控局域网络实现接入。在机房内局域网搭建上，因感知单位和报警单元在机房内布局分散，且机房空间小，为避免大量布线影响设备运行，考虑采用短距离无线通信网实现机房内网络覆盖。目前常用的无线传输技术主要有ZigBee技术、蓝牙技术和Wi-Fi技术，这三种技术有着各自的优点和特征，也分别适用于不同的使用场合。ZigBee技术作为一种国际通行的短距离无线通信技术，具有低功耗、近距离、低复杂度、低数据功率、低成本的特性。同时ZigBee可以嵌入各种设备，网络采用资组织组网，能够抵抗单点失效，非常适合机房无线环境监控需要。考虑到感知单元实时性小数据量传输、可灵活部署等需求，可多节点组网的ZigBee在建立机房室内感知局域网方面具有更强的应用优势，其较低的功耗（两节五号电池可使用6～24个月）也帮助降低了无人值守机房人工成本。

2.5" 软件平台

软件平台通过融合信息技术与设备管理，实现对高速公路分散机房的集中运维及可视化管理，达到机房环境遥测、遥信、遥调、遥控、遥视等目的。平台接收机房动环主机、服务器及交换机等设备上传的环境监测参量、设备状态，在记录和处理相关数据后，提供数据查询、比较，并可通过数据表格、曲线、图示等多种方式进行展示。平台软件具备报警级别管理、报警弹窗、报警阈值设置、历史数据查询、告警查询等功能。

3" 系统实施方案

三明南通信机房作为三明高速数据中心，IT设备、动力设备、环境设备、网络设备等数量已达300台以上，设备种类多样，时效性要求高，传统机房管理模式已无法满足高效运维的需求，如何保持机房内设备运行环境稳定，及时侦测故障或异常，对机房管理自动化、运维智能化和决策科学化提出了更高的要求。本项目以建设三明南通信机房环境智慧运维管理系统为例简要介绍具体方案。

3.1" 系统功能

系统采用B/S软件架构，管理员可以多点登录Web浏览器对机房环境进行远程全天候监控。软件界面为全中文界面，采用可视化技术直观显示机房的环境运行状态，实现动力、环境、安防的一体化综合监控，关注问题快速定位与及时处理，保障机房的安全可靠运行。软件具备的数据采集、清洗、处理、调度等能力，可满足管理人员报表统计、数据智能分析、数据图形化展示等需求，提供历史数据查询比较。软件具备的监测报警功能，可根据不同监控对象报警事件划分报警级别，设置相应报警等级、时间优先级、报警频率等，在检测系统和设备的运行情况后通过报警弹窗、发送短信等方式进行报警。

3.2" 软件系统架构及功能组成

机房环境智慧运维管理系统依据集散控制原理，分散控制、集中管理的设计原则，采用B/S架构，由以下四层构成：展现层、应用系统层、接入层、感知层，如图1所示。

3.2.1" 展现层

图形化、模块化界面，操作便捷，信息交互简洁明晰。多子系统数据整合调用、窗口展示，多样化的数据展现形式，可展示表格化或图形化的运维、资产、报警信息，具有详细信息调取，历史数据查询对比等功能，为一线运维人员提供日常运维工作的辅助手段，界面如图2所示。

3.2.2" 应用系统层

应用系统层主要包含设备及资产管理、统一设备监控、统计分析、日常作业等功能。对机房的资产、资源、人员等进行集中化部署和管理，面向管理人员提供一致性服务，可一点查看各机房环境监控数据并跟踪后续变化情况，对各机房的环境状态、质量等进行管理和分析。实时处理来自各IT和基础设施设备的监控告警数据，协调各子系统间的联动管理，关注问题快速定位与及时处理，保障机房的安全可靠运行。如果系统检测到机房环境存在异常状况，系统可向管理人员发出短信进行预警。

3.2.3" 接入层

接入层具备设备接入、设备管理、设备控制、监控运维、设备安全以及ZigBee节点、动环主机管理等能力，实现了感知层设备的统一接入、集中管控、数据传输处理等功能，并与应用系统层建立稳定的数据传输通道。

3.2.4" 感知层

由分布于机房各处的传感器、检测设备组成，采用ZigBee短距离无线通信通道与动环主机建立通信。动环主机采集传感器或工况运行参数，数据处理后，实现所有监控子系统的集成，实现对机房内部的全景监测和控制。

3.3" 硬件系统监控对象及实现方式

机房环境监控系统主要针对环境系统、机房动力系统、安防系统等子系统运行情况进行监控。为降低室内布线对机房内部影响，优化布线，机房环境监控网络结构主要采用ZigBee短距离无线通信组成的星型网络，构建无线传感网，实现机房内监测数据传输和交互。硬件系统拓扑图如图3所示。

3.3.1" 环境系统监控

1）温湿度监测：通过温湿度传感器进行区域温湿度实时监测；将采集的温湿度值通过ZigBee网络传输至动环主机。

2）空调监测：实时监测空调的运行状态和出风温度，通过动环主机可远程修改空调设置参数（温度）及远程开关机。

3）烟感监测：通过烟感传感器实时监测烟雾浓度，一旦感应到烟雾存在，会立即进行报警和发送信息。

4）漏水监测：通过漏水传感器实时监测机房内空调、门窗、水管等存在漏水可能的地方，将采集的数据通过ZigBee网络传输至动环主机。

3.3.2" 动力系统监控

UPS监测：通过UPS主机RS485通信接口及通信协议接入动环主机，实时地监视UPS整流器、逆变器、电池、旁路、负载等各部分的运行状态与参数。

智能电源模块：通过智能PDU对机柜内多台设备的用电量进行监测、管理和控制，接入动环主机，可实现用电保护策略制定、告警等功能

3.3.3" 安防系统监控

1）门禁监控：监控所有门禁控制门的人员进出，对机房区域出入口的管理，并采用单向/双向刷卡/指纹的进出方式；记录人员出入信息、刷卡记录，可进行人员授权，并通过ZigBee网络接入动环主机管理。

2）视频监控：实现对机房无死角视频监控，对人员进出机房和在机房内活动情况进行实时视频监控。

3）消防监测：对机房内消防报警系统运行情况进行监控，实时监测其报警状态，并通过ZigBee网络接入动环主机管理。

4）红外对射及振动传感器：在门窗等区域安装红外对射及振动传感器，进行周界防御，防范非法入侵，监测人体活动情况，并通过ZigBee网络接入动环主机管理。

3.3.4" 设备状态数据采集

通过SNMP协议监测并采集机房内服务器、路由器等主要设备运行状态信息，掌握设备运行情况。

4" 结" 论

高速公路通信机房的智慧化管理不仅是确保高速公路收费、通信网络安全畅通的一项基础创新，更是提高高速公路运营单位整体管理水平，保障高速公路安全通行的重要举措。

本文通过介绍基于ZigBee的三明南通信机房环境智慧运维管理系统，提出了根据智慧机房运维功能需求，利用短距离无线传输技术组成独立机房环境感知网络，形成了机房有机监控体系；并依托有线局域网实现管理扩展，互联各机房感知网，实现山区高速分散的无人值守机房统一管理的实现方式，以期为智慧高速公路机房运维工作实现管理自动化、运维智能化和决策科学化提供一定的借鉴。

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作者简介：胡晓刚（1986.01—），男，汉族，福建莆田人，中级机电工程师，本科，研究方向：高速公路机电系统监控设施。