高速公路机房智能监控系统研究_刘迪.pdf

1引言随着不断提高的社会信息化程度，在人们生产生活中计算机越来越普及，多数企业的数据信息被储存到服务器中，因而增加了许多服务于计算机系统的配套设备以便于管理1。当前，物联网已经是国内重点发展的新兴战略产业之一。该技术有效实现了物与人的互连，未来几年，具体行业的应用将会是物联网研究的主要目标。但从物联网技术最新的行业应用数据可以知道，其在监控领域的占比仅有3%，表明在监控领域还未能有效普及物联网技术2，因此，对机房环境智能监控系统的研究非常有现实意义。2高速公路机房监控系统功能需求分析在研究分析中，系统功能需求的分析是重要环节。考虑到机房环境异常会导致系统崩溃，引起数据流失，甚至可能会引起火灾等情况3，为满足机房环境监控需求，解决现存不足，提出如图1所示的机房环境监控系统功能需求，以使机房环境监控更加科学化。机房环境监控系统功能需求系统预警处理后台管理服务前台用户应用服务异常报警管理数据分析与存储远程通信环境参数实时监测图 1机房环境监控系统功能需求示意图【作者简介】刘迪（1993），男，河北石家庄人，助理工程师，从事高速机电系统日常养护研究。高速公路机房智能监控系统研究Research on Intelligent Monitoring System of Expressway Computer Room刘迪（河北冀翔通电子科技有限公司，石家庄 050000）LIU Di(Hebei Jixiangtong Electronic Technology Co.Ltd.,Shijiazhuang 050000,China)【摘要】为确保高速公路机房监控系统的稳定性，从高速公路机房环境监控系统功能需求出发，依托于物联网技术构建了高速公路机房环境智能监控总体框架，并分析了该系统的数据流，详细设计了系统的 4 层体系架构。其中，感知层和传输层为监控终端，应用层为服务器端，显示层为客户端。在所构建的系统中，以 MQTT 协议和 WiFi 通信技术实现了系统高效的实时性。【Abstract】In order to ensure the stability of the highway room monitoring system,based on the functional requirements of the highwayroom environmental monitoring system,based on the Internet of Things technology,the overall environment intelligent monitoringframework of the highway room was constructed,and the data flow of the system was analyzed,and the four-layers architecture of thesystem was designed in detail.Among them,the awareness layer and the transport layer are the monitoring terminal,the application layer isthe server,and the display layer is the client.In the constructed system,MQTT protocol and WiFi communication technology are used toachieve efficient real-time performance of the system.【关键词】高速公路；机房；环境监控；物联网技术；MQTT 协议；高速公路【Keywords】expressway;computer room;environment monitoring;Internet of Things technology;MQTT protocol;high speed highway【中图分类号】U495【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）06-0157-04【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.048Intelligentialize and Informatization智能与信息化157Construction&DesignForProject工程建设与设计2.1实时监控功能该部分需将有关DTU终端的采集节点安装布置到机房中，并基于相关传感器实时监测机房环境状况，再经单片机传输所取得数据到服务器端，以实现对机房环境参数和功耗情况的实时智能控制。2.2远程通信功能该部分以WiFi和MQTT协议实现智能DTU终端实时远程传输机房环境至云服务器端的功能。2.3数据分析和存储功能该部分需部署和连接各类传感器，并将所采集到的各类传感器数据传输到云服务器端进行分析和储存。2.4异常报警管理功能以设定阈值的方式对各监测节点进行监测和报警：在数据值大于阈值时，即自动开启声光报警，并在数据库中实时储存异常报警信息，相关异常信息将会以短信方式告知管理员。2.5前台用户应用服务功能即人机交互功能，该功能包括远程信息显示和监控功能，具体可通过Web端访问。远程云服务器端需接收、显示、储存和管理机房环境变量信息，并以反馈闭环的方式对机房环境加以控制。2.6后台管理服务功能即为警告功能，含有短信警告模块，可在出现异常问题时以短信方式告知管理员，以便于应急措施的及时开展。2.7系统预警处理功能该部分以BP神经网络算法进行编辑，其在服务器端里分类故障数据信息，并根据分类情况进行的预警信息分级和预测，以便及时进行预警，降低故障率，提高机房稳定程度。3系统架构总体设计所搭建的高速公路机房智能监控系统主要由4部分构成，分别是感知层、传输层、应用层和显示层。系统总体规划如图2所示。从所搭建的总体架构可以知道，各设备均采用终端DTU进行监控，此外，监控终端还具有报警、警告和采集视频信息的功能。经MQTT传输协议和WiFi可将感知层数据信息传输到云端，并传输到应用层服务器中开展数据分析和预警处理，最后再储存到数据库中。在显示层中，管理员可在Web端中实时订阅相关数据信息，以实时监控和管理机房环境。3.1感知层1）终端采集模块：监控的主要对象有设备和环境等。采集对象包括智能设备和非智能设备。智能设备为具备智能通信端口的设备，该种设备在和第三方设备交互数据信息时可直接通过接RS232接口和设备协议进行，而无须借助传感器等，具体包括空调和UPS电源等。非智能设备为不含有智能接口的设备，该种设备在信息采集时需借助变送器来实现该功能；在监控环境时，主要监控对象为非智能设备的环境变量，具体是指有关于环境监控的非电量型信号，包括漏水、烟雾和湿度等情况。在所构建的系统里，设备和环境监控数据的采集主要通过RS485总线并联结构实现，并通过数据轮询采集机制保障一体性；用过MQTT协议实现传输数据的时间性，并在转化为JSON格式后打包上述数据，且选择以WiFi网络进行通信，有效确保系统实时性。在信号量的采集上，按采集对象可包括模拟量和开关量。模拟信号即模拟量，其为连续曲线；开关量即开关信号，其仅图 2系统总体规划示意图感知层传输层应用层显示层WebAppWiFiMQTTMQTT服务器数据分析数据处理数据库InternetDTU 自诊断温湿度传感器水浸传感器烟感市电传感器空调设备UPS 电源设备摄像头短信告警报警158有闭合和断开两种状态，为离散型。2）终端DTU自诊断模块：终端DTU监控节点可自诊断线路连接情况，并及时发现问题和发出警告，可有效排除因监控终端自身问题所引起的异常情况。3）报警功能模块：终端DTU与报警器由继电器连接，在收到报警指令后即会触发有关程序进行报警。4）短信警告功能模块：通过GSM短信收发模块与终端控制器连接，以GSM网络将报警信息实时以短信方式传输到短信息中心后再发送到管理员手机，以便于及时处理故障情况，确保机房运行的稳定性。3.2传输层该层包括远程通信网络和MQTT协议，通过WiFi无线网络实现远程传输。在所构建的系统中所使用的数据传输协议为MQTT协议。通过轻量级发布/订阅模型传输MQTT的协议数据4-5。在消息传输中，一方面，终端DTU以MQTT协议通过WiFi网络传输机房环境信息到云服务器，并将其储存到云端中加以分析；另一方面，通过MQTT协议客户端通过订阅云服务器里的有关信息以进行监控。MQTT协议数据交换如图3所示。从图3可以看出，在传输层和应用层中均应用了MQTT协议。终端DTU在和服务器端口1连接后，就会传输机房环境状况的有关信息到服务器端，在用户订阅了后即可实时关注相关信息。用户在发布指令时，也是先连接到服务器端口2，再通过服务器发布以“机房环境控制命令”为主题的相关命令，终端在订阅该主题且收到控制指令后，即会对设备加以控制。3.3应用层应用层位于远程云服务器中，其作用主要有存储、处理和分析数据。1）存储数据：在本系统中，所用数据存储中心为MYSQL数据库，该数据库的优点在于操作简单且效率较高，可为用户提供灵活的服务，所占资源较少，现已得到广泛应用。2）处理数据：系统数据的处理分为系统功耗数据和预警两部分处理内容。主要通过能耗数学模型控制系统中的功耗；预警处理则是通过BP神经网络算法判断系统预警，再以阈值判断所上传数据的异常情况，并分类整合各异常情况以划分预警等级并做出多级预警，最后再整合阈值判断和预警结果，并将相关信息传输到云服务器中。3）数据分析：通过阀门判断的方式对所上传数据进行分析，若数据数值在阈值之上，则会开启预警程序和下发警告短信等。3.4显示屏显示层即指客户端，主要作用在于提供人机交互窗口。4系统整体数据流设计在所构建的系统中，监控终端、服务器端和客户端是主要的3部分内容。监控终端包括数据采集器和终端控制器。服务器端的主要功能在于数据处理和提供数据库，在数据处理里含有预警处理和基于阈值的异常情况判断，数据库中有具备数据储存和调取功能。客户端分为手机端和计算机端。整体数据流见图4。从图4可知，所构建系统主要采用RS485总线、I/O端口和以太网等传输所采集的数据信息，而其余各项参数在通过RS485总线采集后以串口转RS485模块实现和Arduino的连接，市电通断状况监测和Arduino通过I/O连接，视频信息采集通过交换机经由以太网将数据传输到服务器，并进行视频图 3MQTT 协议数据交换示意图Intelligentialize and Informatization智能与信息化159Construction&DesignForProject工程建设与设计信息的解码和存储。在完成数据信息的采集、解析和格式转换后，通过USB数据线将数据传输到终端控制器，在终端控制器完成信息的分析后就会将其传输至数据采集器。终端控制器与GSM短信收发模块相连接，可发挥警告功能，在出现异常时，经GSM网络，短信息就会传输到消息中心并传输给管理员。服务器端是数据存储、交换和处理的核心，数据库是服务器存储数据的场所；终端控制器、客户端和交换机的通信即为数据交换；数据处理包括报警和预警，通过阈值判断启动报警程序，通过BP神经网络启动预警程序，步骤为：搭建BP神经网络模型，初始化阈值，利用训练标本进行训练，以验证所需验证的样本。5结语在物联网技术快速发展的时代背景下，在高速公路机房监控系统中应用物联网技术已经成为必然趋势。但当前多数高速公路机房的监控方式仍较为传统，所需人力物力较多，取得的效果也较差。针对高速公路机房环境监控的现存问题，本文通过物联网技术有效实现了远程监控的智能化，构建了高速公路机房环境智能监控系统，为机房中的各项设备提供了稳定可靠的运行条件，也为物联网技术的发展应用提供参考。【参考文献】1董国梁.信息化机房智能监控系统设计与研究J.电子测试,2022,36(14):5-7,28.2张伟伟,杨美华.高速公路机房智能监控系统J.中国交通信息化,2019(10):140-142.3李阳,苏杨,余萱.信息机房智能监控系统研究J.贵州电力技术,2017,20(3):75-78.4郑峰.基于MQTT的云推送平台的研究及应用D.杭州:杭州电子科技大学,2016.5王田丰,孙洪欣,谢振华.接入间及中小机房空调智能控制节能系统的研究与应用J.电信技术,2017(4):15-16.【收稿日期】2022-12-06图 4系统整体数据流UPS 输入电流UPS 输出电流UPS 输入电压UPS 输出电压空调风机状态空调压缩机状态温度湿度烟感水浸空调开关空调温度摄像头市电通断以太网交换机数据采集器I/O以太网485 总线MQTTWiFi路由器WiFi预警功能服务器建立 BP神经网络模型初始化权值阈值报警功能数据存储数据调取报警数据存储实时数据存储历史数据存储告警数据存储短消息中心GSM 短信收发模块管理员Web控制查询发布订阅数据库指令下发短信告警终端控制器数据解析格式转换信息分析阈值判断阈值设置用训练样本进行训练用验证样本进行验证160