近幾年，以移動互聯網為代表的互聯網技術得到了快速發展，新業務不斷涌現，互聯網企業規模的也在不斷擴大，目前國內大型互聯網企業的設備規模都在萬臺以上，機房數量達到幾十個。
做為企業的支柱，數據機房的穩定運行保證了線上業務的正常開展。同時，通過有效的技術手段控制機房的能耗可以顯著降低企業的運營成本，增強企業競爭力。嵌入式技術，Web技術，網絡通信技術的發展為機房能耗智能監管提供了越來越多的可行解決方案。機房能耗監控管理系統就是將機房內的設備、電表有機地連接在一起，使所有設備、電表形成聯動并能夠進行信息交互，通過有效監控用電量為進一步控制能耗，保障設備硬件安全提供必要的基礎。ZigBee數傳技術的發展為研究能耗監控管理系統提供了基礎，本文構建了機房能耗監控系統的整體框架、系統軟件平臺，實現了監控管理中心對各設備、電表節點的功能監控管理，最終目的是為機房的安全用電，保障系統穩定運行，控制機房能耗，降低企業成本提供一種技術手段和解決方案思路。
ZigBee是一種短距離無線通信技術，它可與254個節點聯網，節點包括儀器和家庭自動化應用設備，它本身的特點使得其在工業監控、傳感器網絡、家庭監控、安全系統等領域有很大的發展空間。相比其它短距離無線通信技術，ZigBee技術具有低功耗、低成本、時延短、網絡容量大等明顯優勢，對于數據機房內的采集監控網絡而言，傳輸數據量小，在傳輸速率上要求不高，但網絡容量大，電表數量多，要求信息實時性好，成本低。在這種網絡環境下，ZigBee技術能夠很好地滿足實際組網的需求。
1 系統整體方案設計
數據機房能耗監控系統主要由三部分構成：中央控制器，數據采集/控制終端、遠程用戶訪問端。本系統主要由I610-G12服務器、Web通信模塊、ZigBee無線模塊、數據采集/控制終端、電源電路、訪問終端等組成。系統總體框圖如圖1所示。
圖1 機房能耗監控系統總體框圖
此系統可完成ZigBee數據采集和初步控制功能。ZigBee數據采集終端通過MODBUS總線讀取各電表的運行參數，包括電能、電壓、電流、功率、功率因數等，將采集到的數據通過ZigBee無線模塊傳輸給中央控制器，中央控制器將機房內所有ZigBee數據采集終端上報的數據匯總處理后存入Web通信模塊的數據庫，遠程用戶通過PC機訪問機房Web服務器，實時獲取各設備運行狀況。同時，用戶可以通過訪問數據庫獲取歷史數據。
2 系統硬件設計
2.1 中央控制器
本系統采用Web應用服務器做為中央控制器，中央控制器是系統的核心控制部分，完成指令的收發，數據的收集、分發和處理等功能。中央控制器由處理器、內存、網絡控制器、硬盤控制器、供電電源、網卡和相關端口等組成。本系統采用中科曙光公司生產的一款雙路機架服務器I610-G12，其基于Intel Xeon E5-2600系列多核處理器，完全滿足一般互聯網企業數據機房網絡的設計要求。采用Web應用服務器做為中央控制器的一個好處是既滿足了系統和網絡的性能需求，又避免了額外部署中央控制器造成的不必要成本支出。
2.2 ZigBee無線通信設計
2.2.1 ZigBee組網設計
ZigBee組網分為星型、網型、樹簇型，根據智能電表監控系統的特點，本設計采用星型結構組網，星型網絡節點有兩種，中心節點和外圍節點。
網絡中的中心節點是整個網絡的核心，負責組網，整個網絡由中心節點執行集中式通信控制管理，各節點間的通信都要通過中心節點。本系統中的中央控制器做為中心節點，數據采集/控制終端做為外圍節點，采用星型組網后，系統控制簡單，易于網絡監控和管理，同時單個連接點的故障只影響一個設備，不會影響全網，并可快速定位故障。
2.2.2 ZigBee模塊設計
本系統采用飛思卡爾公司生產的MC13224V平臺做為ZigBee模塊組網的解決方案，該解決方案在單一封裝中集成了ZigBee無線通信模塊的所有必要組件，從而可以減少組件數量并降低系統成本。做為飛思卡爾公司的第三代2.4GHz IEEE802.15.4平臺，具有諸多特性：AES 128位硬件加密/解密，帶隨機數生成器；JTAG調試端口；不需要外部RF組件等。
2.2.3 ZigBee抗干擾性能分析
ZigBee數傳模塊的抗干擾特性主要是指抗同頻干擾，而對于同頻干擾的抵御能力是至關重要的，因為它直接影響到設備的性能。IEEE802.15.4無線通信標準中提供了很多機制來保證ZigBee數傳模塊在2.4GHz頻段和其它無線技術標準的共存能力，如：動態信道選擇、空閑信道評估、信道算法等。
通過實驗可以證明：正確選擇信道、增大頻偏可以減小ZigBee數傳模塊的干擾性。WiFi與ZigBee可以近距離（小于2m）共存；而藍牙設備卻采用調頻技術，對網絡的干擾很小，所以兩者也能很好地共存。因此ZigBee在2.4GHz頻段能可靠地與WiFi、藍牙等無線通信技術共存。
2.3 數據采集/控制終端
ZigBee數據采集/控制終端主要包括電壓采集模塊、電流采集模塊、功率采集模塊、電能采集模塊、協議轉換模塊以及指令執行模塊等。各個ZigBee數據采集/執行模塊基于MODBUS協議對電表參數進行采集，并都與協議轉換模塊相連，協議轉換模塊負責將MODBUS總線采集的電表運行參數格式裝換為ZigBee協議格式，以支持ZigBee網絡傳輸。機房數據采集/控制系統通過ZigBee模塊將所有的ZigBee數據采集/控制終端進行無線連接，完成室內組網，實現數據、指令的傳輸。
機房ZigBee數據采集/控制系統通過ZigBee網絡進行數據、指令的傳輸，中央控制端完成數據的收集、分發、存儲以及指令的生成、發送，采集/控制終端完成數據采集及指令的接收、執行。數據采集/控制終端節點框圖如圖2所示。
圖2 數據采集/控制終端節點框圖
Web通信模塊主要實現遠程用戶通過Web界面的形式實時監控設備、電表的運行狀態。Web通信模塊主要包括Web應用服務器、數據庫服務器、數據存儲磁盤、交換機等。數據庫服務器通過交換機與中央控制平臺相連，實現數據的讀取，Web應用服務器實現數據以Web界面的形式呈現。
遠程用戶可以使用PC機、智能手機、平板電腦通過Internet實時獲取設備、電表的運行參數，并與中央控制器進行信息交互。Web通信模塊節點框圖如圖3所示。
圖3 Web通信模塊節點框圖
3 系統軟件設計
本文軟件設計可以分為兩部分：中央控制器部分和數據采集/控制終端平臺部分。主控平臺的軟件系統運行在中央控制器上，接收數據采集/控制終端平臺通過ZigBee網絡傳送的機房設備、配電柜電表參數，經過數據處理操作，以web界面的形式將設備運行狀態實時呈現給遠程用戶；遠程用戶通過Internet可以實時監控、查詢相關設備的狀態，能耗情況等，并可以根據實際情況，下發相應控制指令，如控制指定設備進入待機或低功耗狀態，關閉指定設備等，從而實現對機房整體能耗的控制。如果某臺設備局部電流過大，超過閾值，用戶也可以遠程處置，保證機房安全。
3.1 Web通信模塊應用服務器的軟件實現
本系統主程序流程如圖4所示，主程序運行在中央控制器上，由許多實現相應功能的子程序組成，主要包括Web通信程序、ZigBee無線通信程序、數據采集處理程序、各模塊控制程序等。
圖4 本系統主程序流程圖
系統初始化后，用戶遠程登錄系統Web服務器，數據采集模塊采集的各個參數將以Web形式實時呈現，用戶可以通過查看設備狀態判斷設備是否運行正常，通過查看配電柜參數了解各個設備的能耗情況及機房的整體能耗。如果發現用電異常或某些設備暫時不需運行，用戶通過發送控制指令即可實現遠程控制，并獲取系統返回的結果。
3.2 數據采集/控制終端模塊的軟件實現
流程數據采集/控制終端模塊主要是采集機房設備、配電室電表等參數，經過協議轉換后通過ZigBee數傳網絡將數據傳送至中央控制單元，同時接收中央控制單元下發的控制指令并執行。數據采集/控制終端模塊的軟件流程圖如圖5所示。
圖5 數據采集/控制終端模塊軟件流程圖
系統上電后，各采集/控制節點進行初始化，隨后采集模塊實時采集預設的設備、電表參數，通過ZigBee數傳模塊網絡發送至中央控制單元；如果收到控制指令，首先解析此控制指令，判斷出是對哪臺設備進行何種控制，然后執行此指令，并把執行結果反饋給主控單元，不斷循環返回。
4 總結與展望
本文提出了一種應用于互聯網企業數據機房的能耗監控管理系統設計，給出了設計思路和系統框圖，從硬件實現和軟件流程兩個方面對系統進行了詳細描述。本文旨在為控制機房能耗，降低企業運營成本，保障設備安全運行提供一種技術思路和必要的數據基礎。本系統采用ZigBee數傳模塊，實現了機房內的無線組網，以完成數據的收集和指令的傳輸，避免了綜合布線帶來的成本增加和其它不便；中央控制單元完成數據的處理和指令的生成，通過ZigBee模塊網絡將控制指令下發至控制終端模塊，對設備能耗進行相應的控制；利用Web通信模塊，用戶可以通過互聯網實時查看設備的能耗、運行狀態，下發相關指令，并可以查詢相關數據。
本系統基本實現了對機房設備能耗狀況和運行狀態的有效監控，但仍有很多問題需要解決，下一步的研究重點將集中在以下幾方面：（1）對系統設備運行參數全面、智能的監控，保障安全運行；（2）設備智能能耗控制，在保證設備正常運行的情況下，最大限度的降低設備的能耗，降低企業成本。