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摘要：由于目前C/S架構(gòu)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)模塊之間耦合度高，開發(fā)調(diào)試工作量大。針對(duì)這種情況，提出一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過3dsMax進(jìn)行設(shè)備建模，并用Photoshop構(gòu)建貼圖；在Unity3D上導(dǎo)入模型和貼圖搭建虛擬機(jī)房場(chǎng)景；使用Qt開發(fā)客戶端與服務(wù)器端程序，并通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景與客戶端控制界面的交互；最終完成整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)。經(jīng)測(cè)試表明：設(shè)計(jì)方案能夠降低系統(tǒng)各部分的耦合度，減少開發(fā)調(diào)試的工作量。為基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)提供了一些參考。

關(guān)鍵詞：C/S架構(gòu)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；

1引言

機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一種對(duì)機(jī)房動(dòng)力、環(huán)境、消防等設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)集中監(jiān)控管理的系統(tǒng)。機(jī)房工作人員可以通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)查看機(jī)房設(shè)備的運(yùn)行情況，同時(shí)也能通過短信、語(yǔ)音、郵件等方式告知機(jī)房管理人員設(shè)備報(bào)警情況以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。目前，二維機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)仍然占有主要市場(chǎng)。其設(shè)備數(shù)據(jù)大多是以圖表的方式展現(xiàn)給用戶。雖然能直觀地展現(xiàn)參數(shù)趨勢(shì)，但是發(fā)生設(shè)備報(bào)警或者需要對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)整時(shí)則很難馬上確定設(shè)備的具體位置，給機(jī)房管理人員帶來(lái)極大的不便。虛擬現(xiàn)實(shí)通過各種感官作用于用戶，使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逐漸成熟，二維機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)紛紛向虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)房動(dòng)力環(huán)境管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。虛擬機(jī)房場(chǎng)景可以將多源信息融合在一起，直觀地向用戶展示各種機(jī)房設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，同時(shí)交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和設(shè)備的實(shí)體行為系統(tǒng)仿真也能使用戶更加高效地對(duì)機(jī)房設(shè)備進(jìn)行管理[1-4]。文獻(xiàn)[4]中指出C/S架構(gòu)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)成本較高，過程復(fù)雜，需要重新配置整個(gè)系統(tǒng)，并且調(diào)試工作量較大。因此，本文針對(duì)此問題提出了一個(gè)設(shè)計(jì)方案。用于降低虛擬場(chǎng)景界面與客戶端、客戶端與服務(wù)器端之間的耦合度，減少程序的調(diào)試量并加快系統(tǒng)的開發(fā)速度。

2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)需求分析

機(jī)房負(fù)責(zé)大量的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存與處理，并且365(天)×24(小時(shí))不間斷運(yùn)行，所以對(duì)于數(shù)據(jù)中心機(jī)房動(dòng)力與環(huán)境設(shè)備的監(jiān)控就顯得至關(guān)重要。機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能有：(1)動(dòng)力設(shè)備監(jiān)控(如：UPS、配電柜等)；(2)環(huán)境設(shè)備監(jiān)控(如：空調(diào)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、溫濕度、漏水、新風(fēng)機(jī)等)；(3)消防監(jiān)控(如：消防控制器、煙感探測(cè)器等)；(4)安防監(jiān)控(如：門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等)；(5)人員管理。虛擬現(xiàn)實(shí)機(jī)房場(chǎng)景需要根據(jù)實(shí)際機(jī)房結(jié)構(gòu)以及設(shè)備的具體位置制作。其主要功能有設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示、當(dāng)前設(shè)備報(bào)警的顯示，以及一些人機(jī)交互的功能(如：視角切換、設(shè)備類數(shù)據(jù)顯示切換、自動(dòng)巡檢等)。

2.2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境管理系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)(即客戶端/服務(wù)器端架構(gòu))，系統(tǒng)具體可分為：用戶層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層。用戶層表現(xiàn)為可交互的虛擬機(jī)房場(chǎng)景，通過TCP/IP協(xié)議向業(yè)務(wù)邏輯層傳遞用戶的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，如設(shè)備參數(shù)修改、歷史信息查詢等；當(dāng)接收到業(yè)務(wù)層返回的數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在虛擬機(jī)房的實(shí)際位置上。業(yè)務(wù)邏輯層表現(xiàn)為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中樞并且連接著用戶層與數(shù)據(jù)層。業(yè)務(wù)邏輯層包含了：服務(wù)器、系統(tǒng)功能模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊。該層的主要功能是根據(jù)用戶層返回的業(yè)務(wù)請(qǐng)求調(diào)取數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)并處理成用戶層需要顯示的數(shù)據(jù)形式返回給用戶層以實(shí)現(xiàn)不同的場(chǎng)景功能(查詢歷史數(shù)據(jù)、顯示機(jī)房設(shè)備參數(shù)狀態(tài)等)，以及處理數(shù)據(jù)采集模塊采集上來(lái)的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)層的需要處理后存入到數(shù)據(jù)層中。數(shù)據(jù)層主要包含了機(jī)房設(shè)備的配置信息、虛擬機(jī)房模型信息、用戶管理信息、歷史數(shù)據(jù)信息等。數(shù)據(jù)層采用了流行的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)能大大降低開發(fā)的難度，提高系統(tǒng)的兼容性，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[5,6]。數(shù)據(jù)層通過MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)與業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行交互。并根據(jù)業(yè)務(wù)層的不同業(yè)務(wù)請(qǐng)求，返回指定的數(shù)據(jù)參數(shù)。客戶端顯示界面和數(shù)據(jù)采集模塊由Qt開發(fā)平臺(tái)(跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架)開發(fā)，由于Qt擁有直觀、強(qiáng)大的API[7]，所以對(duì)于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的操作便捷，開發(fā)方便。虛擬機(jī)房場(chǎng)景界面不直接向數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)，而是通過TCP/IP協(xié)議與客戶端顯示界面交互，通過這種方式減少虛擬機(jī)房場(chǎng)景需要獲取及處理的設(shè)備數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化虛擬機(jī)房場(chǎng)景界面程序，提高虛擬場(chǎng)景界面的顯示效果和操作體驗(yàn)。

2.3開發(fā)流程設(shè)計(jì)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境管理系統(tǒng)可分為兩部分分別是客戶端(虛擬機(jī)房場(chǎng)景界面和客戶端控制界面)和服務(wù)器端(數(shù)據(jù)采集模塊)。

(1)客戶端開發(fā)流程

①采集各種機(jī)房設(shè)備的實(shí)物圖和實(shí)際尺寸。②利用3dsMax建模軟件對(duì)數(shù)據(jù)中心機(jī)房墻體、機(jī)柜、門體、精密空調(diào)、溫濕度、電量?jī)x等設(shè)備進(jìn)行建模。根據(jù)建好的設(shè)備模型的UV圖，用Photoshop制作模型貼圖。③將制作好的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D游戲引擎中，貼上制作好的貼圖。根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)中心機(jī)房構(gòu)造搭建虛擬機(jī)房場(chǎng)景。④編寫與模型對(duì)應(yīng)的C#腳本以實(shí)現(xiàn)界面人機(jī)交互、數(shù)據(jù)顯示以及報(bào)警信息顯示等功能。⑤根據(jù)與虛擬場(chǎng)景之間的通訊，用Qt開發(fā)客戶端控制界面程序，并測(cè)試客戶端運(yùn)行情況。

(2)服務(wù)器端程序開發(fā)流程

①根據(jù)整體系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。②根據(jù)設(shè)備的通訊協(xié)議使用Qt開發(fā)服務(wù)器端程序(數(shù)據(jù)采集模塊)。最后，測(cè)試客戶端與服務(wù)器端整體系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并完善人機(jī)交互與數(shù)據(jù)顯示功能，最終完成基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，打包系統(tǒng)。

3動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1機(jī)房場(chǎng)景虛擬實(shí)現(xiàn)

(1)機(jī)房設(shè)備三維建模

機(jī)房設(shè)備模型的建立使用的是3dsMax建模軟件。3dsMax是一種以三維動(dòng)畫技術(shù)作為基礎(chǔ)的圖像渲染和制作軟件。當(dāng)前，虛擬場(chǎng)景建模中3dsMax的使用最為廣泛，例如在游戲制作、動(dòng)漫制作、建筑設(shè)計(jì)等廣泛領(lǐng)域內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用。由于3dsMax中的單位長(zhǎng)度與Unity3D中的單位長(zhǎng)度不同，所以在用3dsMax搭建機(jī)房設(shè)備與環(huán)境模型時(shí)需要注意尺寸轉(zhuǎn)換的比例。這里3dsMax在建模時(shí)需要選擇厘米(cm)為單位，這樣模型在Unity3D中尺寸長(zhǎng)度1就為1厘米。考慮到數(shù)據(jù)中心機(jī)房虛擬場(chǎng)景在加載時(shí)需要加載的設(shè)備和環(huán)境的數(shù)量，若模型的細(xì)節(jié)制作的比較細(xì)致，那么每個(gè)模型的大小會(huì)相對(duì)比較大，界面加載的時(shí)間相應(yīng)的也會(huì)變得很長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的CPU和顯卡的負(fù)擔(dān)也會(huì)比較大，在做界面操作的時(shí)候很容易出現(xiàn)卡頓的現(xiàn)象，用戶體驗(yàn)就大打折扣。因此，在界面中有動(dòng)畫動(dòng)作的設(shè)備(如：機(jī)柜、冷通道移門等)，按照實(shí)際尺寸用長(zhǎng)方體等多面體來(lái)表示，盡量減少模型的細(xì)節(jié)，如圖3(a)所示；部分不需要在界面有動(dòng)畫動(dòng)作的設(shè)備(如：UPS、精密空調(diào)、服務(wù)器、工控機(jī)等)按照實(shí)際尺寸采用長(zhǎng)方體代替表示，同時(shí)也盡量減少模型的細(xì)節(jié)，如圖3(b)所示。

(2)機(jī)房設(shè)備真實(shí)化立體呈現(xiàn)

機(jī)房設(shè)備建模完成以后，模型外表并不美觀，同時(shí)有些形狀類似的模型甚至無(wú)法僅從外表做區(qū)分。所以機(jī)房設(shè)備模型貼圖的制作就顯得很重要。首先將建立的模型通過UV展開，展開模型時(shí)需要注意不破壞模型結(jié)構(gòu)的同時(shí)要利于貼圖的繪制，還要最大限度利用UV坐標(biāo)格，尤其注意要在模型隱蔽的地方進(jìn)行UV接縫的拆分[9]。如圖4所示。拆分完之后需要用棋盤格來(lái)檢測(cè)UV縮放比例是否正確，即判斷棋盤格的形狀是否有太大的扭曲。然后在Photoshop中根據(jù)導(dǎo)出的UV位圖繪制設(shè)備模型的貼圖。在Photoshop中導(dǎo)入U(xiǎn)V位圖后將實(shí)物圖片拆分填入，注意接縫處的紋理銜接。(3)虛擬機(jī)房場(chǎng)景搭建數(shù)據(jù)中心機(jī)房虛擬場(chǎng)景的搭建使用的是Unity3D游戲引擎。Unity3D具有強(qiáng)大的跨平臺(tái)開發(fā)能力與絢麗的3D渲染效果。目前Unity3D已經(jīng)可以橫跨25個(gè)主流游戲平臺(tái)，并且應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，在建筑、醫(yī)療、工業(yè)、娛樂、虛擬現(xiàn)實(shí)、動(dòng)畫、電影和藝術(shù)等行業(yè)都可以看到Unity的身影[11]。搭建虛擬機(jī)房場(chǎng)景時(shí)，首先Unity3D場(chǎng)景中先根據(jù)機(jī)房的平面圖繪制機(jī)房地板和墻體，地板和墻體也同樣使用貼圖的形式；然后需要將3dsMax導(dǎo)出的FBX文件格式的模型，以及模型對(duì)應(yīng)的貼圖導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D項(xiàng)目中；然后將貼圖制作成材質(zhì)球加載到模型；然后將設(shè)置好的模型創(chuàng)建預(yù)設(shè)，這樣就簡(jiǎn)化了模型的使用；最后根據(jù)機(jī)房設(shè)計(jì)圖紙將模型放置到相應(yīng)位置就完成了虛擬機(jī)房的場(chǎng)景搭建。

3.2服務(wù)器端設(shè)計(jì)

服務(wù)器端程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房動(dòng)力設(shè)備、環(huán)境設(shè)備、消防設(shè)備、安防設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，根據(jù)設(shè)備通訊協(xié)議解析采集的數(shù)據(jù)，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中指定的數(shù)據(jù)表中，等待被客戶端程序查詢。服務(wù)器端程序的開發(fā)方式為主程序加動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的功能是解析各種設(shè)備返回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并分析處理成所需的數(shù)據(jù)形式，再存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)只需根據(jù)不同設(shè)備協(xié)議進(jìn)行修改就能處理不同設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。這樣的開發(fā)方式加快了程序的開發(fā)速度。

3.3客戶端設(shè)計(jì)

客戶端由兩部分組成分別是虛擬機(jī)房場(chǎng)景和客戶端控制界面。客戶端控制界面主要實(shí)現(xiàn)的功能為用戶管理、報(bào)警設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)以及與虛擬場(chǎng)景界面的交互功能。虛擬場(chǎng)景交互的功能主要有場(chǎng)景視角切換、設(shè)備數(shù)據(jù)顯示切換、報(bào)警顯示等。客戶端控制界面通過TCP/IP協(xié)議與虛擬機(jī)房場(chǎng)景做數(shù)據(jù)通訊。根據(jù)用戶的選擇將需要顯示的設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給虛擬機(jī)房場(chǎng)景，虛擬機(jī)房場(chǎng)景就能根據(jù)指令以特定視角展示設(shè)備數(shù)據(jù)。如圖8所示客戶端控制界面向虛擬機(jī)房場(chǎng)景發(fā)送了查看溫濕度設(shè)備數(shù)據(jù)指令，虛擬場(chǎng)景界面則將接收到的溫濕度數(shù)據(jù)以特定的視角實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。同樣，虛擬機(jī)房場(chǎng)景中對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，虛擬機(jī)房場(chǎng)景也能通過TCP/IP協(xié)議向客戶端控制界面獲取相應(yīng)的設(shè)備數(shù)據(jù)。如圖9所示在虛擬機(jī)房場(chǎng)景中點(diǎn)擊UPS設(shè)備并顯示設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4運(yùn)行調(diào)試分析

運(yùn)行調(diào)試測(cè)試了虛擬機(jī)房交互功能、客戶端控制界面與虛擬機(jī)房的通訊，以及設(shè)備數(shù)據(jù)獲取情況。虛擬機(jī)房交互功能測(cè)試是通過鼠標(biāo)左鍵右鍵調(diào)整不同的視角查看機(jī)房的各種設(shè)備，通過點(diǎn)擊設(shè)備來(lái)查看設(shè)備的運(yùn)行情況；客戶端控制界面通訊測(cè)試是通過點(diǎn)擊客戶端控制界面上的功能按鈕控制虛擬機(jī)房場(chǎng)景顯示各種設(shè)備的位置、運(yùn)行狀態(tài)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；設(shè)備數(shù)據(jù)獲取則是通過比對(duì)采集到的數(shù)據(jù)是否與實(shí)際設(shè)備的數(shù)據(jù)相同，并測(cè)試數(shù)據(jù)獲取的成功率。經(jīng)過測(cè)試，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)論

借助Unity3D游戲引擎、3dsMax、Photoshop構(gòu)建了虛擬數(shù)據(jù)中心機(jī)房場(chǎng)景。通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與客戶端控制界面的數(shù)據(jù)交互，減少了虛擬機(jī)房場(chǎng)景需要處理的數(shù)據(jù)量。通過模塊化的方式開發(fā)服務(wù)器端程序，加快了程序開發(fā)的速度。因此降低了虛擬場(chǎng)景界面與客戶端、客戶端與服務(wù)器端之間的耦合度，減少了系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試的工作量。這種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案為虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)力環(huán)境管理系統(tǒng)的開發(fā)提供了一種參考。

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作者:孫卓晟 彭來(lái)湖 倪利明 胡旭東 單位:浙江理工大學(xué)浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州勤誠(chéng)微電子科技有限公司