徐培富，張成挺

（浙江中煙工業(yè)有限責任公司，浙江寧波 315040）

微型光電傳感器控制的節(jié)能機房設(shè)計

徐培富，張成挺

（浙江中煙工業(yè)有限責任公司，浙江寧波 315040）

溫度和粉塵濃度是影響機房設(shè)備老化的主要原因，多數(shù)機房為維持溫度及環(huán)境粉塵濃度在標準之內(nèi)，常年將機房空調(diào)系統(tǒng)和風機系統(tǒng)打開。這樣雖然能夠達到要求，但也增加了耗能，造成能源浪費。文中提出一種實時環(huán)境監(jiān)控的智能綠色機房建設(shè)方案，通過監(jiān)測溫度來控制空調(diào)系統(tǒng)的打開與關(guān)閉，通過監(jiān)測粉塵濃度來控制風機系統(tǒng)的打開與關(guān)閉，避免了24 h打開空調(diào)系統(tǒng)與風機造成的能源浪費，提高能源利用率，降低機房PUE。

綠色機房；節(jié)能；傳感器；溫度監(jiān)控；粉塵監(jiān)控

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)的興起，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，全球范圍內(nèi)掀起數(shù)據(jù)中心建設(shè)熱潮。在建設(shè)數(shù)據(jù)中心的同時，其能耗問題也越來越引起業(yè)界的關(guān)注。綠色機房[1-2]，是近年來提出的新的概念，節(jié)能、合理化能源應(yīng)用分配、優(yōu)化場地設(shè)計是綠色機房的重要特點。

衡量綠色機房是否合理的指標是綠色網(wǎng)格組織提出的電能利用率PUE（power usageeffectiveness）[3]：PUE=機房的總用電量/IT設(shè)備的總用電量。PUE越低，則表示機房電能利用率越高；反之，則越低。目前，我國大多數(shù)機房PUE值在3左右，而發(fā)達國家機房PUE則在2左右。在機房使用過程中，除IT設(shè)備用電量較大之外，UPS電源系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等均耗電量較大。機房運行過程中，為保證機房IT設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，需要空調(diào)系統(tǒng)保證各個IT設(shè)備運行時的溫度以及機房環(huán)境總體溫度不至于過高而影響IT設(shè)備的性能，產(chǎn)生不必要的錯誤[4-8]。同時，風機系統(tǒng)要將IT設(shè)備產(chǎn)生的粉塵排出室外，凈化室內(nèi)環(huán)境，防止因粉塵過多、在IT設(shè)備沉積而導(dǎo)致的IT設(shè)備故障[9-11]。為滿足綠色機房節(jié)能要求，空調(diào)系統(tǒng)和風機系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)實際需求來開放或者關(guān)閉，保證IT設(shè)備正常運行的前提下，盡可能降低能耗。本文提出了一種基于nrf24le1單片機的溫度、粉塵濃度監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測機房環(huán)境溫度以及每個IT設(shè)備所在微環(huán)境的溫度和粉塵濃度，模塊化管理每個IT設(shè)備所在微環(huán)境空調(diào)、風機系統(tǒng)的打開與關(guān)閉，從根本上降低PUE的值，實現(xiàn)綠色機房的技能設(shè)計。

1 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)設(shè)計用于實時監(jiān)測機房溫度及粉塵顆粒物濃度，系統(tǒng)涉及到的3個主要模塊是單片機模塊、溫度采集模塊和粉塵顆粒濃度采集模塊，并設(shè)計對應(yīng)的軟件控制系統(tǒng)，對相應(yīng)模塊進行針對性的控制。

1.1 單片機模塊

監(jiān)控系統(tǒng)采用nrf24le1作為其核心處理器，完成各IT設(shè)備微環(huán)境及整體機房環(huán)境的溫度和粉塵濃度的監(jiān)測。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System block diagram

nRF24LE1采用美國Nordic公司最新的無線和超低功耗技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括電腦外設(shè)、高級遠程控制、安全系統(tǒng)、醫(yī)療健康和運動、遙控玩具等。

nRF24Le1單片機采用16位的RISC指令，運算效率高，并且對復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理有著良好的效果。I2C接口電路、SPI接口、A/D轉(zhuǎn)換器存儲于單片機內(nèi)部，I/O接口具有較好的驅(qū)動能力，能夠與設(shè)備直接連接，通過這些控制模塊能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸和交換。該單片機還可以把數(shù)字和模擬信號集成到同一個芯片中來進行有效的處理，從而大幅減小數(shù)據(jù)處理中的信號損失，提高了抗干擾能力。同時，該系列單片機還具有多時鐘模式，能夠?qū)﹄姎庠O(shè)備實現(xiàn)良好的欠數(shù)據(jù)加密、欠壓保護、程序調(diào)試等功能。片上存儲器能夠滿足復(fù)雜的運算處理要求，但對于需要大量存儲數(shù)據(jù)的情況，需要外擴存儲。本系統(tǒng)中，nRF24Le1單片機的工作電路如圖2所示。

圖2 單片機接線電路Fig.2 MCU wiring circuit

本設(shè)計中，nRF24Le1單片機的主要功能如下：①機房總體環(huán)境信號的采集與傳送；②各IT設(shè)備微環(huán)境溫度的采集與傳送；③粉塵顆粒濃度的采集與處理；④與上位機的無線通信：將采集到的各種數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)缴衔粰C進行處理與顯示；⑤測試過程的控制：單片機控制整個采集系統(tǒng)的有序運行，通過單片機內(nèi)部分的程序編寫來實現(xiàn)；溫度、粉塵顆粒濃度的數(shù)據(jù)處理通過單片機內(nèi)的編程來實現(xiàn)。

1.2 溫度采集模塊

系統(tǒng)采用對環(huán)境溫度靈敏度較高的溫度傳感器LM35DZ。LM35DZ是由national semiconductor生產(chǎn)的溫度傳感器，其輸出電壓為攝氏溫標如圖3所示。

圖3 LM35DZ工作電路及實物圖Fig.3 LM35DZ working circuit and physical map

LM35DZ的供電電壓為12 V，輸出電壓傳送到nRF24Le1單片機中進行處理，計算出實時溫度值，并通過nRF24Le1的無線傳輸功能上傳至上位機。當實時溫度值＞70℃時，上位機即控制打開空調(diào)系統(tǒng)，對IT設(shè)備進行降溫處理；在凌晨或其他機房使用率較低時，實時溫度值低于70℃，上位機控制關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)，使之處于待機狀態(tài)。

特別的，除監(jiān)測機房環(huán)境溫度外，每個設(shè)備均安裝LM35DZ溫度傳感器，實現(xiàn)對單一設(shè)備所處微環(huán)境的實時監(jiān)測。有些設(shè)備經(jīng)常在低速運行，并不需要對其進行降溫處理，因此，如果此時關(guān)閉它，所對應(yīng)的空調(diào)就可以達到節(jié)能要求。

1.3 粉塵顆粒物濃度采集模塊

粉塵是影響設(shè)備壽命的重要因素，機房中粉塵濃度過高，會大幅降低設(shè)備的使用壽命；設(shè)備部件老化會增加能耗，提高機房PUE值。所以綠色機房除了要控制設(shè)備的微環(huán)境溫度外，還要控制總體環(huán)境中粉塵顆粒的濃度。

本系統(tǒng)采用PMS1003傳感器，其是一款數(shù)字式通用顆粒物濃度傳感器，可以測定單位體積內(nèi)空氣中0.3～10 μm懸浮顆粒物濃度，并以數(shù)字接口形式輸出。這款傳感器采用激光散射原理來測定顆粒物濃度：使用激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，收集散射光即可得到與顆粒物濃度相關(guān)的散射光強，經(jīng)單片機處理后即可得到空氣中顆粒物濃度。

PMS1003測出機房環(huán)境實時粉塵濃度，并傳至上位機，通過與預(yù)設(shè)粉塵濃度比對來決定是否要通風以及通風時間。當環(huán)境粉塵顆粒物濃度低于預(yù)設(shè)值時，即可關(guān)閉通風；當環(huán)境粉塵顆粒濃度高于預(yù)設(shè)值時則進行通風，直到粉塵濃度達到要求。這樣，可以大幅減少空調(diào)及風機系統(tǒng)的能耗。

2 實時監(jiān)控數(shù)據(jù)和控制結(jié)果

將上述監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于目標機房，該機房主要由4臺大型IT設(shè)備構(gòu)成，同時機房內(nèi)設(shè)計了相應(yīng)地顆粒監(jiān)測裝置。圖4給出了4臺設(shè)備在隨機觀測的近10 min內(nèi)實時監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)和自動控制結(jié)果。圖5給出了監(jiān)測顆粒系統(tǒng)的工作情況。

圖4 4臺IT設(shè)備實時溫度監(jiān)測和控制Fig.4 Real time temperature monitoring and control of IT equipment

圖4反映了隨機觀測10 min內(nèi)，不同設(shè)備的溫度監(jiān)測情況，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的溫度，需要控制設(shè)備溫度在20～50℃?？梢钥闯觯?臺設(shè)備目前溫度持續(xù)升高，但并沒有超過溫度上限，第4臺設(shè)備因為過熱，正處于空調(diào)降溫過程中，基于本系統(tǒng)的監(jiān)控裝置可以實現(xiàn)對設(shè)備的精確調(diào)控，從而減小能耗。

圖5給出了機房監(jiān)測9 h的實時顆粒含量，可以看出機房整體的顆粒含量一般都符合低于100的普通要求，除了偶發(fā)的短時顆粒含量超標，在進行了通風后，也達到了標準要求。

圖6給出了對比本文設(shè)計的傳感監(jiān)測體統(tǒng)和傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)之間的差別?？匆钥闯觯疚奶岢龅南到y(tǒng)由于是動態(tài)分析和監(jiān)測機房設(shè)備，所以其平均耗能明顯低于傳統(tǒng)的連續(xù)開啟的監(jiān)測系統(tǒng)。

圖5 監(jiān)測機房的灰塵顆粒含量Fig.5 Dust content in monitoring room

圖6 監(jiān)測機房的耗能對比Fig.6 Comparison of energy consumption in monitoring room

3 結(jié)語

通過對機房環(huán)境溫度與粉塵顆粒物濃度的監(jiān)測，可根據(jù)測得結(jié)果控制空調(diào)及風機系統(tǒng)的工作，相比傳統(tǒng)機房空調(diào)及風機系統(tǒng)24 h工作的情況，大幅降低了機房耗能；通過對每個設(shè)備所處微環(huán)境的監(jiān)測，進一步提高了能源的利用率。

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Design of Energy Saving Room Controlled by Micro Photoelectric Sensor

XU Peifu，ZHANG Chengting
（Zhejiang Tobacco Industry Co.，Ltd.，Ningbo 315040，Zhejiang，China）

The temperature and dust concentration is the main reason for the aging of equipment，to control room environment temperature and dust concentration is important.At present，most of the engine room open the room air conditioning system and fan system to maintain the temperature and ambient dust concentration within the standard.Although this can meet the requirements，but the corresponding increase in energy consumption，resulting in energy waste.In this paper，a real-time environment monitoring intelligent green room construction scheme is adopted.The air-conditioning system is opened and closed by monitoring the temperature.The dust concentration is determined to determine the opening and closing of the fan system.This can improve energy efficiency，reduce the engine room PUE.

green computer room；power saving；sensors；temperature control；dust control

2017-04-20。

徐培富（1974—），男，工程師，研究方向：煙草工廠數(shù)字化、煙草信息化系統(tǒng)；

（編輯 張曉娟）

1674-3814（2017）05-0083-04

TM92

A

國家自然科學基金（61033004）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（61033004）.

張成挺（1985—），男，工程師，研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)、煙草數(shù)字化工廠。