机柜环境监控的无线传感器网络集中管理快速响应的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及信息技术领域，尤其是机房环境监控时无线传感器网络的集中管理和快速响应的方法。
【背景技术】
[0002]在信息化建设中，机房运行处于信息管理的核心位置。机房内所有设备必须时时刻刻正常运转，而机柜的设备监控是机房监控的重中之重。机柜环境，包括电源，温度，湿度，漏水和烟雾等，对于设备的正常运行至关重要，否则一旦机柜运行环境出现问题，就会导致某台设备，包括主机，存储，网络等设备出现故障，对数据传输、存储及系统运行构成威胁，就会影响到全局系统的运行。如果不能及时处理，更有可能损坏硬件设备，耽误业务系统运转，造成的经济损失是不可估量的。因此，在我国现代信息化建设中，解决针对机柜的环境监控问题迫在眉睫。
[0003]然而，目前的机房监控把重点放在对机房整体环境及动力的监控上，没有一种有效的针对机柜环境监控的方法和装置。WSN，即Wireless Sensor Networks无线传感器网络，是一种可以用于监控的新兴的前沿技术，它是一种由低成本、低功耗的微型传感器节点组成，通过无线通信方式组成一个多跳的自组织网络。通过将WSN与机房环境融合，可以实现动态、实时监测机房环境，将潜在的安全隐患消灭在萌芽状态，大大减少由于机房故障而造成的设备和财产损失。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是通过将WSN与机房环境融合，解决现有技术没有一种有效针对机柜环境监控的问题。主要解决了机房环境监控的集中管理和快速响应相融合的问题，其中快速响应通过建立点到点链接完成，点到点的链接的建立通过下面介绍的广度优先算法来完成。
[0005]本专利与传统的WSN监测系统的不同之处在于，本专利增加了点到点通信的功能:如果碰见紧急情况(如发生火灾)，监测节点在上报集中管理器的同时，也可以通过点对点通信直接和执行器进行通信，执行器接收消息之后立刻处理(进行灭火)，从而大大降低了紧急情况下的处理时延，保证了紧急问题可以及时、有效地解决，做到对机房环境最大程度上的实时监控。
[0006]机柜环境监控的无线传感器网络集中管理快速响应的方法，由集中管理和快速响应两种功能相融合完成机房环境监控任务，完成集中管理功能的用于机房监测的WSN主要组成部分包括:集中管理器、网关、传感器节点，其中传感器节点包括监测节点，SINK节点和执行器；完成快速响应功能的点对点通信功能由广度优先算法支持，下面详细介绍WSN主要组成部分和支持点对点通信功能的广度优先算法:
O用于机房监测的WSN的原理框架
①集中管理器集中管理器用于实现WSN的集中化管理和维护，负责网络形成、新设备节点的加入配置以及网络的监测；在此过程中，集中管理器的网络管理功能，能够配置现场设备、调度设备间的通信资源，本发明的通信资源指时隙，生成并维护网络的路由信息，诊断网络状态以进行及时的更新维护；
②网关
网关是连接由现场设备组成的无线网络和工厂中其他自动化网络的枢纽；网关可以进行不同网络协议间的转化，从而提供了自动化网络与无线网络通信的途径，实现周期性、非周期性以及突发性的信息交互，方便了用户级的网络管理；
③传感器节点
传感器节点可以配置成不同类型的功能单元以满足在工业环境中不同的应用需求:
可以作为传感器单元即监测节点对物理环境的各类数据进行采集；
可以作为执行器对特定的器械设备执行特定操作；
也可以作为维护设备对其他网络设备进行配置或诊断校准，维护设备可以是手持设备;
④工作步骤
当系统正常工作时，监测节点采集机房的电源数据，温湿度数据，漏水数据，烟雾数据，并将其汇报至集中管理器；
集中管理器分析数据，并与其在数据库中的值进行对比，并生成环境数据报告；
若机房环境正常，不做故障相应；若数据异常，则集中管理器给执行器发送消息，执行器分析消息后执行对应操作，如:降温、增湿等操作；
2)点到点通信的功能
①利用广度优先算法(BFS)找到一条源点S到终点D的最小路径PS->D，这样既可以确保通信的实时性，又可以确定目标节点之间的相对位置；本发明在进行广度遍历时会考虑相邻节点之间的信号强度，实现最短路径下通信质量最优；具体算法步骤如下:
其中，queue表示FIFO队列，hi表示节点i的深度，P始终指向queue的首个出队节点，Pi指向节点i广度遍历后的父节点；
1.取源点S 加入 queue，hs=0，Ps=null，p=S，hp=0 ；
2.若queue不为空，从queue中取节点n，p=n;若hn Φ hp，贝丨J hp++ ；
3.遍历节点η的邻居列表，对任意节点m，若Pm=null，则hm=hp+l，Pm=n;否则找到Pm指向的节点X，若Wxm〈Wnm且hm>=hp+l，则Pm=n，将m加入queue，返回到步骤3 ；
4.若queue不为空，返回到步骤2；
5.结束；
②执行完上述算法，可得到一棵分层遍历树，树上源点S到终点D的路径为最短路径PS->D ;在此结构基础之上，实现源点S到终点D的点到点图路由:从源点S沿着PS->D路径，为相邻两节点(这里称为关键点)间的链路寻找另一条冗余链路，直到终点D ;在尽可能多的保证具有冗余父节点的节点个数条件下，优先选择信号质量更优的链路，最终得到源点S到终点D的图路由；
具体算法步骤如下:
其中，Ui表示分层树中深度为i的节点集，ki表示PS->D路径上深度为i的关键点，hv表示分层树中节点V的深度，Con (m, η)表示节点m和η互为邻居，Lmn表示节点m和η的连接。
[0007]1.初始化Gp(Vp，Ep)，Vp包含所有的关键点，包含所有关键点间的连接。i=0，j=0，p=null ；
2.1++，若 ki=null，跳到步骤 3 ;遍历 U1-1,若节点 m 满足 Con (k1-1, m)&&Con (ki, m)，贝丨J m加入L (k1-1, ki);遍历Ui，若节点η满足Con (k1-1, n)&&Con (ki, η)，贝丨J η加入L(k1-1, ki);返回步骤 2;
3.j++，若 kj+l=null，跳到步骤 8 ;若 p=null，分别从 L(kj_l, kj)和 L(kj, kj+1)中寻找满足Con(x，y)且信号强度最大的节点对(x，y);否则x=p，从L(kj，kj+1)中寻找满足Con (X，y)且信号强度最大的节点y ；
4.若(X，y)存在，p=y，将节点x，y 加入 Vp，将连接 Lkj-lx，Lxkj，Lkjy，Lxy，Lykj+l 并入到Ep，返回到步骤3;
5.若p=null，寻找L(kj-1,kj)和L(kj，kj+1)中的公共节点且信号强度最大z，否则z=p，从L(kj, kj+Ι)中寻找节点z ；
6.若z存在，p=z，将节点z加入到Vp，将连接Lkj-lz，Lzkj，Lzkj+l并入到Ep，返回到步骤3 ；
7.若p=null，从L(kj-1,kj)和L(kj，kj+1)中选择信号强度最大的节点x，y加入到Vp，将连接Lkj-lx，Lxkj，Lkjy，Lykj+l并入到Ep ;否则从L (kj, kj+Ι)中选择信号强度最大的节点z加入到Vp，将Lkjz，Lzkj+1并入到Ep，p=z ;返回到步骤3 ；
8.结束；
③根据上述算法形成的点到点链路图Gp (Vp，Ep)，可以在通信设备之间形成了一条时延最小且通信质量最优的有效路径，路径上的关键节点通过冗余加强来提高通信的可靠性，即每个关键点都能保证有两条转发链路，首选的一条与另一个关键点相连用于正常通信，另一条则作为备份以应对异常情况。
[0008]有益效果
将WSN部署在机房内，监测节点将机房数据采集，通过SINK节点和网关的转发，发送到集中管理器。如果监测消息表明机房环境出现问题，则集中管理器给执行器发送故障消息，执行器对机房环境进行调整。如果出现紧急问题，监测节点可以通过点对点通信，直接向执行器发送处理命令，可保证故障处理的实时性。
【附图说明】
[0009]图1是本发明的原理框架图；
图2是本发明的点到点通信算法示意图；
图1的标号说明:
I集中管理器，2 SINK节点，3监测节点，4网关，5机房设备，6执行器。
【具体实施方式】
[0010]参看图1至图2实现本发明的机柜环境监控的无线传感器网络集中管理快速响应的方法由集中管理和快速响应两种功能相融合完成机房环境监控任务，完成集中管理功能的用于机房监测的WSN主要组成部分包括:集中管理器1、网关4、传感器节点，其中传感器节点包括监测节点3，SINK节点2和执行器6 ;完成快速响应功能的点对点通信功能由广度优先算法支持，下面详细介绍WSN主要组成部分和支持点对点通信功能的广度优先算法:
O用于机房监测的WSN的原理框架
①集中管理器I
集中管理器I用于实现WSN的集中化管理和维护，负责网络形成、新设备节点的加入配置以及网络的监测；在此过程中，集中管理器I的网络管理功能，能够配置现场设备、调度设备间的通信资源，本发明的通信资源指时隙，生成并维护网络的路由信息，诊断网络状态以进行及时的更新维护；
②网关4
网关4是连接由现场设备组成的无线网络和工厂中其他自动化网络的枢纽；网关可以进行不同网络协议间的转化，从而提供了自动化网络与无线网络通信的途径，实现周期性、非周期性以及突发性的信息交互，方便了用户级的网络管理；
③传感器节点
传感器节点可以配置成不同类型的功能单元以满足在工业环境中不同的应用需求:
可以作为监测节点3对物理环境的各类数据进行采集；
可以作为执行器6对特定的器械设备执行特定操作；
也可以作为维护设备对其他网络设备进行配置或诊断校准，维护设备可以是手持设备;
④工作步骤
当系统正常工作时，监测节点3采集机房的电源数据，温湿度数据，漏水数据，烟雾数据，并将其汇报至集中管理器I ;
集中管理器I分析数据，并与其在数据库中的值进行对比，并生成环境数据报告；
若机房环境正常，不做故障相应；若数据异常，则集中管理器I给执行器6发送消息，执行器6分析消息后执行对应操作，如:降温、增湿等操作；
2)点到点通