一种用于海底数据中心的监测系统及方法

1.本发明属于海底数据中心监测技术领域，具体涉及一种用于海底数据中心的监测系统及方法。


背景技术：

2.在陆地上建设数据中心受到了土地与能源消耗的限制，将数据中心沉入广袤的海底中，并利用海水冷却，可以大大降低数据中心能耗，有效地降低pue值，节约科技公司所需要支付的巨额空调费用以及其他成本。
3.海底数据中心作为idc(互联网数据中心)产业的前沿科技，是具有较强技术创新性的新型绿色节能基础设施，将以科技创新驱动建设，对推动可持续发展战略具有重要意义。
4.我国对海底监测系统还处于起步阶段，目前还没有一家企业自主研发一套完整的海底监测系统，但海底内存在许多不可控因素，可能会为海底数据中心的正常运行带来许多的麻烦，陆地上的机房里的服务器一旦产生故障可以随时派工程师前往现场排查检修，但水下的海底数据中心一旦产生了问题，就很难能够发现并及时维修，所以对海底数据中心实时监测系统的研究显得尤为重要。
5.海底环境复杂多端，海底数据中心将会面临一系列的问题，可能产生的问题主要有：(1)海底温度的变化会使得数据舱所处的温度环境发生变化，对舱内服务器散热效率产生影响，甚至导致电子设备故障失灵，而各个季节海水的温度又有所不同；(2)水位的变化会改变数据舱所处的温度环境，同时使得海底压强发生改变，对外壳材料造成影响；(3)如果湿度太大，水蒸汽可能在内部元件上凝结容易造成腐蚀，更严重的还会引起漏电。如果湿度太低，可能导致静电放电问题，电流击穿cpu等部件；(4)潜艇和海洋生物的冲撞或金属舱体腐蚀可能导致舱体破裂，巨大的水压将海水涌入数据舱，破坏数据中心的服务器，从而影响数据安全。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于海底数据中心的监测系统，其系统结构简单，设计合理，实现方便，结合监测方法，能够有效应用在海底数据中心的监测中，实现对海底数据中心罐体内外环境信息的实时获取和分析判断，极大地提升了海底数据中心警报的时效性和安全性，使用效果好，便于推广使用。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于海底数据中心的监测系统，包括海底单元和岸基单元，所述海底单元包括中央控制器模块和为所述海底单元供电的海底电源模块，以及均与中央控制器模块相接的第一无线通信模块和定位模块；所述中央控制器模块的输入端接有设置在海底数据中心罐体内的温度传感器和湿度传感器，以及设置在海底数据中心罐体表面的压力传感器和水下摄像机；所述岸基单元包括上位机和为所述岸基单元供电的岸基电源模块，以及与上位机相接且与第一无线通信模块无线连接
并通信的第二无线通信模块；所述上位机的输出端接有显示模块和报警模块。
8.本发明还公开了一种用于海底数据中心的监测方法，采用上述的监测系统，所述监测方法包括：
9.所述海底电源模块采用海底潮汐能发电；
10.所述第一无线通信模块与第二无线通信模块无线连接并通信，实现海底单元与岸基单元的监测数据传输；
11.所述定位模块监测海底数据中心罐体的位置信息；
12.所述温度传感器监测海底数据中心罐体内的温度；
13.所述湿度传感器监测海底数据中心罐体内的湿度；
14.所述压力传感器监测海底数据中心罐体处的海底水压；
15.所述水下摄像机监测海底数据中心罐体周围的环境信息；
16.所述显示模块显示监测到的位置信息、温度、湿度、海底水压和环境信息；
17.所述报警模块发出异常状态报警信号。
18.上述的一种用于海底数据中心的监测方法，所述海底电源模块包括海底潮汐能发电装置和蓄电池，所述海底潮汐能发电装置把海水的潮汐能转化成电能，当潮汐能充足时，多余的电能储存在蓄电池中；当潮汐能不足时，蓄电池参与放电；当潮汐能短缺时，蓄电池单独供电。
19.上述的一种用于海底数据中心的监测方法，所述温度传感器采用热电偶温度传感器。
20.上述的一种用于海底数据中心的监测方法，所述压力传感器采用水压传感器。
21.上述的一种用于海底数据中心的监测方法，所述水下摄像机采用imx258传感器，并通过图像处理算法对imx258传感器采集的图像进行图像增强。
22.上述的一种用于海底数据中心的监测方法，所述图像处理算法的具体步骤包括：
23.步骤a1、通过改进空间域核函数，利用旋转窗函数确定像素差异尺度参数，推导出改进的双边滤波函数的数学模型；
24.步骤a2、利用改进的双边滤波函数代替高斯卷积函数对入射光分量进行估计，从而达到滤波去噪的目的，同时可以最大限度地保留图像的边缘信息；
25.步骤a3、将图像从rgb色彩空间转换为hsi色彩空间，亮度图像经过改进双边滤波功能的retinex算法处理，转换回rgb图像；
26.步骤a4、对处理后的rgb图像进行gauss
‑
laplacian金字塔下采样，对下采样后的金字塔图像通过改进双边滤波函数的retinex算法进行处理，得到不同层次的高斯金字塔图像；
27.步骤a5、采用拉普拉斯金字塔重构算法得到最终的增强图像。
28.上述的一种用于海底数据中心的监测方法，所述第一无线通信模块和第二无线通信模块采用sim800模块，以gprs传输方式进行无线数据传输。
29.上述的一种用于海底数据中心的监测方法，所述上位机包括labview软件，所述labview软件处理海底单元无线上传的数据，并实时显示波形，超过设定阈值就进行实时的报警，温度阈值设为24℃，湿度阈值设为47％，水压阈值设为12pmpa。
30.本发明与现有技术相比具有以下优点：
31.1、本发明系统结构简单，设计合理，实现方便。
32.2、本发明完备性好、系统性强、可靠性高，labview软件全面监控海底数据中心的状态和参数信息，同时对数据进行分析计算，防止一些特殊的影响因素影响海底数据中心的正常运行与工作，具有很高的实用性。
33.3、本发明采用gprs无线通信技术，实现了数据传输的无线化，省去了海底布线的环节，物联网通信技术一方面使系统经济效应最大化，另一方面使系统更加智能化。
34.4、本发明能够有效应用在海底数据中心的监测中，实现对海底数据中心罐体内外环境信息的实时获取和分析判断，极大地提升了海底数据中心警报的时效性和安全性，使用效果好，便于推广使用。
35.综上所述，本发明系统结构简单，设计合理，实现方便，结合监测方法，能够有效应用在海底数据中心的监测中，实现对海底数据中心罐体内外环境信息的实时获取和分析判断，极大地提升了海底数据中心警报的时效性和安全性，使用效果好，便于推广使用。
36.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
37.图1为本发明的系统组成框图；
38.图2为热电阻的三线制接法图；
39.图3为热电阻的温度特性曲线图；
40.图4为热敏电阻温度传感器的电路原理图；
41.图5为热敏电阻的温度特性曲线图；
42.图6为热电偶温度传感器的电路原理图；
43.图7为水压传感器的电路原理图；
44.图8为本发明的labview软件操作界面图；
45.图9为本发明的温度频域分析波形图；
46.图10为本发明的水压频域分析波形图。
47.附图标记说明:
48.1—中央控制器模块；
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2—海底电源模块；
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3—第一无线通信模块；
49.4—定位模块；
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5—温度传感器；
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6—湿度传感器；
50.7—压力传感器；
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8—水下摄像机；
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9—上位机；
51.10—岸基电源模块；
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11—第二无线通信模块；12—显示模块；
52.13—报警模块。
具体实施方式
53.如图1所示，本发明的用于海底数据中心的监测系统，包括海底单元和岸基单元，所述海底单元包括中央控制器模块1和为所述海底单元供电的海底电源模块2，以及均与中央控制器模块1相接的第一无线通信模块3和定位模块4；所述中央控制器模块1的输入端接有设置在海底数据中心罐体内的温度传感器5和湿度传感器6，以及设置在海底数据中心罐体表面的压力传感器7和水下摄像机8；所述岸基单元包括上位机9和为所述岸基单元供电的岸基电源模块10，以及与上位机9相接且与第一无线通信模块3无线连接并通信的第二无
线通信模块11；所述上位机9的输出端接有显示模块12和报警模块13。
54.具体实施时，中央控制器模块1采用stm32单片机，湿度传感器6采用dht11湿度传感器，dht11湿度传感器作为一款低成本、可靠、长期稳定的湿度传感器，采用了专用的数字模块采集技术和湿度传感技术。
55.本发明的用于海底数据中心的监测方法，包括：
56.所述海底电源模块2采用海底潮汐能发电；
57.所述第一无线通信模块3与第二无线通信模块11无线连接并通信，实现海底单元与岸基单元的监测数据传输；
58.所述定位模块4监测海底数据中心罐体的位置信息；
59.所述温度传感器5监测海底数据中心罐体内的温度；
60.所述湿度传感器6监测海底数据中心罐体内的湿度；
61.所述压力传感器7监测海底数据中心罐体处的海底水压；
62.所述水下摄像机8监测海底数据中心罐体周围的环境信息；
63.所述显示模块12显示监测到的位置信息、温度、湿度、海底水压和环境信息；
64.所述报警模块13发出异常状态报警信号。
65.本实施例中，所述海底电源模块2包括海底潮汐能发电装置和蓄电池，所述海底潮汐能发电装置把海水的潮汐能转化成电能，当潮汐能充足时，多余的电能储存在蓄电池中；当潮汐能不足时，蓄电池参与放电；当潮汐能短缺时，蓄电池单独供电。
66.具体实施时，蓄电池作为潮汐能发电装置的储能设备，起着协调、平衡发电量和负载用电量的关键作用，使潮汐能得到更充分的利用，蓄电池采用锂离子电池。
67.本实施例中，所述温度传感器5采用热电偶温度传感器。
68.具体实施时，温度传感器5的选用进行了具体的对比分析，目前就市场上而言，温度传感器有很多种，其原理包括三类，分别为热电阻、热敏电阻和热电偶。
69.热电阻温度传感器(rtd)，引线与电阻串联产生的电动势将会影响到测量数据，造成误差。因此，热电阻式传感器多采用三线制接法，如图2所示，这三根导线具有相同的电阻值，当热电阻和电桥配合使用时，采用这种三线制接法能够消除导线电阻带来的误差，提高传感器检测精度。
70.常见的rtd材料有：铂(pt)、镍(ni)和铜(cu)。
71.rtd热电阻在不同温度下的阻值为
72.r＝r0[1+at+bt2+c(t
‑
a)3]
[0073]
其中，a、b、c、a为常数。
[0074]
可以用公式来近似计算：r＝r0(1+αt)
[0075]
其中，r0表示热电阻式传感器在0℃时的电阻值；α为常数，表示温度改变1℃时电阻所改变的阻值；t表示测量温度，单位为℃。
[0076]
实验中改变热电阻的温度时，响应几乎是线性的，如图3所示。但该传感器存在缺点，就是将信号转化为电信号的模拟电路的复杂程度根据所需功能的不同而定，但是放大器和模数转换器等主要电路元件是必不可少的，以下是两种热电阻传感器的设计思路：
[0077]
传感器仅在需要时供电运行，但会使得模拟电路比没有该功能时复杂得多，将增加传感器得成本；
[0078]
传感器长时间通电所产生的功率会使其内部温度升高，从而影响测量精度。虽然供电的电流只有几毫安，这种自热效应会产生温度误差。
[0079]
热敏电阻温度传感器的电路原理图如图4所示，比例式：
[0080][0081]
热敏电阻在不同温度下的阻值为：
[0082][0083]
其中，r与r1分别为t与t1时的电阻值；b为常数，与半导体内部的物理结构有关。热敏电阻的阻值随着温度的升高而下降，而且热敏电阻的温度特性曲线线性度极差，如图5所示。
[0084]
因为热敏电阻的非线性和多跳点性增加了复杂度和成本，所以热敏电阻通常应用在一些所需功能较少的物体上，比如烤面包器、电冰箱和吹风机等。另外，热敏电阻在高温情况下热敏电阻的阻值很低。因此，热敏电阻温度传感器不能很好地应用在海底数据中心监测中。
[0085]
热电偶温度传感器的电路原理图如图6所示，热电偶传感器的工作性能稳定，可测量的温度范围大，常被应用与各种复杂环境场景中，且测量时能够直接将热量转化为电信号。
[0086]
根据塞贝克系数得：
[0087][0088]
则电动势为：
[0089]
ε＝∫
t
(s
a
‑
s
b
)dt＝∫
t
s
ab
dt
[0090]
其中，s
ab
为两种材料间的相对塞贝克系数；
[0091]
电流通过两种不同金属构成的结点时会吸收或释放热量的原因就在结点处集结的珀尔帖电动势珀尔帖电动势为：
[0092][0093]
由电子从热端向冷端的扩散产生的汤姆逊温差电势差为：
[0094][0095]
联立以上公式得到回路电动势
[0096][0097]
通过对比分析，温度传感器5采用热电偶温度传感器，因为热电偶温度传感器的稳定性高，响应速度快等，适合于海底数据中心所处环境。
[0098]
本实施例中，所述压力传感器7采用水压传感器。
[0099]
具体实施时，水压传感器是工业实践中较为常用的一种压力传感器，其广泛应用
于工业自动化、水利水电工程、交通建筑设备、航天航空技术等领域中。
[0100]
水压传感器的电路原理图如图7所示，由单晶硅片压力敏感元件与r1、r2、r3和r4的惠斯通电桥所组成，具有精度高、耐冲击、稳定性好、响应速度快、整体防水的优点。
[0101]
液体施压使半导体单晶硅发生压阻效应，改变r4得到差分电压信号，利用信号放大器将此信号转化成标准模拟信号，
[0102]
假设bc两端电压为u，ad两端电压为r0，根据电桥平衡得：
[0103][0104]
则
[0105]
桥臂上的电阻r4发生变化：
[0106]
r4′
＝r4+δr4[0107]
则
[0108][0109][0110]
令略去分母中的得到：
[0111][0112]
得到电压灵敏度为：
[0113][0114]
因此，只要调节好r3与r4的比值，就能保持水压传感器较快的响应速度，为海底中可能出现的海洋灾害做出及时预警。
[0115]
本实施例中，所述水下摄像机8采用imx258传感器，并通过图像处理算法对imx258传感器采集的图像进行图像增强。
[0116]
具体实施时，海底环境多样，海底生物如苔藻、鱼类众多，为了对海底水下环境有更加直观的了解，采用水下摄像机8对海底环境进行监测。
[0117]
本实施例中，所述图像处理算法的具体步骤包括：
[0118]
步骤a1、通过改进空间域核函数，利用旋转窗函数确定像素差异尺度参数，推导出改进的双边滤波函数的数学模型；
[0119]
步骤a2、利用改进的双边滤波函数代替高斯卷积函数对入射光分量进行估计，从而达到滤波去噪的目的，同时可以最大限度地保留图像的边缘信息；
[0120]
步骤a3、将图像从rgb色彩空间转换为hsi色彩空间，亮度图像经过改进双边滤波功能的retinex算法处理，转换回rgb图像；
[0121]
步骤a4、对处理后的rgb图像进行gauss
‑
laplacian金字塔下采样，对下采样后的金字塔图像通过改进双边滤波函数的retinex算法进行处理，得到不同层次的高斯金字塔图像；
[0122]
步骤a5、采用拉普拉斯金字塔重构算法得到最终的增强图像。
[0123]
本实施例中，所述第一无线通信模块3和第二无线通信模块11采用sim800模块，以gprs传输方式进行无线数据传输。
[0124]
本实施例中，所述上位机9包括labview软件，所述labview软件处理海底单元无线上传的数据，并实时显示波形，超过设定阈值就进行实时的报警，温度阈值设为24℃，湿度阈值设为47％，水压阈值设为12pmpa。
[0125]
具体实施时，labview软件操作界面如图8所示，labview软件能够对数据进行频谱分析，温度频域分析波形如图9所示；水压频域分析波形如图10所示。
[0126]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。