陳陽 陳堅(jiān)澤 劉慶云

技術(shù)應(yīng)用

基于物聯(lián)網(wǎng)的新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)*

陳陽1陳堅(jiān)澤1劉慶云2

（1.廣東液冷時代科技有限公司，廣東 佛山 528000 2.廣東云伴智能科技有限公司，廣東 廣州 510610）

新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心在原數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)上引入了液冷技術(shù)，這對數(shù)據(jù)中心的監(jiān)控提出了更高的要求。為此，提出基于物聯(lián)網(wǎng)的新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括動力、防災(zāi)、節(jié)能、安防、日常維護(hù)管理等監(jiān)控模塊，并構(gòu)建新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心信息全方位鏈接網(wǎng)絡(luò)，助力管理智能決策，提升數(shù)據(jù)中心能效利用率與信息管理水平。

物聯(lián)網(wǎng)；液冷技術(shù)；射頻識別；節(jié)能數(shù)據(jù)中心；監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

隨著信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)建設(shè)需求也得到爆發(fā)式增長[1]。數(shù)據(jù)中心是互聯(lián)網(wǎng)的核心基礎(chǔ)設(shè)施，廣泛應(yīng)用于政府部門、電信、金融等行業(yè)。對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行節(jié)能、防災(zāi)、維護(hù)等監(jiān)控，是保證各行業(yè)業(yè)務(wù)正常、有序運(yùn)行的關(guān)鍵。隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模地不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)依靠人工的監(jiān)管手段，不僅需投入大量的人力資源，還存在監(jiān)管不到位、人工誤決策等問題，難以滿足當(dāng)前大型、復(fù)雜數(shù)據(jù)中心管理的需求?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控提供了有效的途徑[2-4]。張祖剛等[5]開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)中心智能運(yùn)維管理平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心智能化運(yùn)維管理；翟源偉[6-7]開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)房監(jiān)控及預(yù)警平臺，研究數(shù)據(jù)中心機(jī)房異常預(yù)警機(jī)制，保障了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全與平穩(wěn)地運(yùn)行；李苗等[8-9]研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的中心機(jī)房動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，將設(shè)備運(yùn)行情況通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇C端和手機(jī)客戶端，實(shí)現(xiàn)機(jī)房的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。目前，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)中心監(jiān)控系統(tǒng)多針對數(shù)據(jù)中心的日常維護(hù)、異常預(yù)警等單一業(yè)務(wù)進(jìn)行管理，或針對其中動力設(shè)備等單一設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，未能對數(shù)據(jù)中心的日常維護(hù)、防災(zāi)管理、資產(chǎn)監(jiān)管等進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控。另外，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大，其能耗問題引發(fā)了廣泛的關(guān)注。為節(jié)約能耗，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)引入新一代節(jié)能技術(shù)——液冷技術(shù)，這對數(shù)據(jù)中心監(jiān)控能力提出了更高的要求。

為此，本文針對新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心開發(fā)一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)日常維護(hù)、安防監(jiān)管、防災(zāi)預(yù)警、節(jié)能管理等業(yè)務(wù)的統(tǒng)一監(jiān)控與管理。

1 系統(tǒng)需求分析

本文研究對象為華南某數(shù)據(jù)中心。該數(shù)據(jù)中心由一棟主樓、一棟輔樓組成，其中主樓共6層，設(shè)置有IT機(jī)房、末端風(fēng)柜房、配電房等；輔樓共2層，第1層放置中央空調(diào)主機(jī)及相應(yīng)設(shè)備，第2層放置冷卻水塔。數(shù)據(jù)中心重點(diǎn)服務(wù)器的機(jī)柜已完成液冷技術(shù)改造，其采用間接液冷技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)節(jié)能控制。間接液冷技術(shù)原理圖如圖1所示。

圖1 間接液冷技術(shù)原理圖

圖1中，間接液冷技術(shù)采用液氣協(xié)同冷卻的方法，其中液冷通道主要負(fù)責(zé)精準(zhǔn)冷卻CPU，冷卻發(fā)熱量約占比65%～70%；氣冷通道主要負(fù)責(zé)冷卻其他發(fā)熱元件，冷卻發(fā)熱量約占比30%～25%；另有5%的冷卻發(fā)熱量為其他冷卻耗散。

間接液冷技術(shù)的引入，有效降低了空調(diào)系統(tǒng)的能耗，并實(shí)現(xiàn)重要服務(wù)器的精準(zhǔn)控溫，全面提升服務(wù)器性能。然而，間接液冷技術(shù)的引入亦給數(shù)控中心監(jiān)控提出了更高的要求，主要包括如下5個方面：

2）防災(zāi)監(jiān)控，火災(zāi)和漏水是嚴(yán)重威脅數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)行的重大災(zāi)害，需實(shí)現(xiàn)災(zāi)情即時預(yù)警，并盡可能排除誤報(bào)、漏報(bào)情況；

3）節(jié)能監(jiān)控，國家標(biāo)準(zhǔn)GB50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]規(guī)定，數(shù)據(jù)中心主機(jī)房、UPS系統(tǒng)等有相應(yīng)的溫度、濕度要求，節(jié)能監(jiān)控通過監(jiān)測當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度，對空調(diào)系統(tǒng)、液冷系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)節(jié)；

4）安防監(jiān)控，需保證數(shù)據(jù)中心資產(chǎn)安全，防止人為入侵破壞等；

5）日常維護(hù)管理，數(shù)據(jù)中心包括小型機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲、備份等上千套設(shè)備，設(shè)備種類繁多且數(shù)量大，需采取有效手段高效管理設(shè)備的資產(chǎn)錄入、定期盤點(diǎn)、臺賬登記等。

2 系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)框架設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)（internet of things, IoT）的概念由麻省理工學(xué)院Ashton教授提出[11]，一般包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中，感知層包括射頻識別（radio frequency identification, RFID）、紅外傳感、全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）、激光掃描等先進(jìn)感知技術(shù)與智能裝置，對物理世界進(jìn)行感知識別；網(wǎng)絡(luò)層基于電信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)，包括延伸網(wǎng)、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)等，實(shí)現(xiàn)感知信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與傳輸；應(yīng)用層通過應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施/中間件為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供集成、網(wǎng)絡(luò)管理等通用基礎(chǔ)服務(wù)設(shè)施、能力和資源調(diào)用接口。物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了人與物、物與物之間信息交互和無縫鏈接網(wǎng)絡(luò)，有效達(dá)到對物理世界實(shí)時控制、精確管理和科學(xué)決策的目的。因此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 總體架構(gòu)

新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)拓?fù)鋱D如圖2所示。

圖2 新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)拓?fù)鋱D

感知層設(shè)備主要包括電量儀、UPS、蓄電池、PDU等自帶的傳感器、煙霧傳感器、漏水傳感器、溫濕度傳感器、空調(diào)變頻溫控調(diào)器、視頻采集節(jié)點(diǎn)、RFID無線讀寫模塊、門禁等；網(wǎng)絡(luò)層主要包括RS485總線、LAN/WAN網(wǎng)絡(luò)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)等，攝像頭拍攝的視頻通過Wi-Fi接入TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，RFID無線讀寫模塊通過ZigBee無線接入服務(wù)器，其他傳感器基于RS485總線匯總后，由串口服務(wù)器接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用層主要包括客服端、設(shè)備代理服務(wù)器、智能監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器等，其中智能監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)電話預(yù)警、移動終端預(yù)警、現(xiàn)場聲光預(yù)警等功能。

當(dāng)代，社會不斷發(fā)展，人民精神追求日益增加，這也促使陶瓷藝術(shù)作品需求出現(xiàn)春天。由于文化藝術(shù)的多元化發(fā)展，也刺激陶瓷藝術(shù)作品中裝飾形式的多樣性，真可謂百花齊放。顏色釉在高溫?zé)七^程中的變幻莫測，耐人尋味，吸引著無數(shù)陶瓷藝術(shù)家為此耕耘數(shù)載，顏色釉的作品也受到眾多陶瓷藏家的青睞。當(dāng)在顏色釉基礎(chǔ)上的二次創(chuàng)作的陶瓷作品出現(xiàn)時，則迅速在陶瓷藝術(shù)界推廣開來。

2.2 系統(tǒng)主要功能模塊

基于物聯(lián)網(wǎng)的新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)主要包括動力監(jiān)控、防災(zāi)監(jiān)控、節(jié)能監(jiān)控、安防監(jiān)控、日常維護(hù)管理等功能模塊。

2.2.1 動力監(jiān)控模塊

動力監(jiān)控模塊一方面可以保證數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行，另一方面可有效獲取數(shù)據(jù)中心的能效信息，協(xié)助能效優(yōu)化決策。目前，數(shù)據(jù)中心機(jī)房能效評估指標(biāo)應(yīng)用較廣泛的是The Green Grid聯(lián)盟提出的電能利用效率（）[12]：

其中，數(shù)據(jù)中心機(jī)房總用電量包括IT設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等用電量。越小，表明數(shù)據(jù)中心機(jī)房電能的利用效率越高。

動力監(jiān)控模塊通過電量儀、UPS、蓄電池、PDU等自帶的傳感器，經(jīng)RS485總線匯總后，由串口服務(wù)器接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，傳輸至用戶業(yè)務(wù)層，實(shí)現(xiàn)動力設(shè)備故障預(yù)警、數(shù)據(jù)中心能效的管理與決策。

2.2.2 防災(zāi)監(jiān)控模塊

防災(zāi)監(jiān)控包括消防監(jiān)控與漏水監(jiān)控兩個方面。消防監(jiān)控通過監(jiān)測煙霧報(bào)警器、紅外感應(yīng)信息，及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸監(jiān)控管理服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)電話、短信以及現(xiàn)場聲光等預(yù)警。漏水監(jiān)控實(shí)時接收漏水傳感器信息，發(fā)現(xiàn)水位異常時，通過電話、短信以及現(xiàn)場警報(bào)燈發(fā)出預(yù)警信息。

2.2.3 節(jié)能監(jiān)控模塊

數(shù)據(jù)中心各設(shè)備24 h運(yùn)行，若產(chǎn)生的熱量較大，將影響設(shè)備的高效運(yùn)行。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心采用中央空調(diào)進(jìn)行散熱，其能耗約占系統(tǒng)總能耗的35%以上，影響數(shù)據(jù)中心的能效利用率。新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心除了傳統(tǒng)中央空調(diào)散熱外，還對重點(diǎn)IT設(shè)備引入間接液冷技術(shù)，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)服務(wù)器的溫度。因此，節(jié)能監(jiān)控模塊包括液冷管流量控溫與中央空調(diào)控溫控濕2部分。數(shù)據(jù)中心機(jī)房機(jī)柜節(jié)能監(jiān)控布局如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)中心機(jī)房機(jī)柜節(jié)能監(jiān)控布局圖

數(shù)據(jù)中心機(jī)房的各機(jī)柜背對背或面對面布局，溫濕度計(jì)放置在數(shù)據(jù)中心周圍。各機(jī)柜服務(wù)器設(shè)有液冷管道，冷液通過液冷管道與外設(shè)冷卻塔進(jìn)行熱交換。液冷管道控制系統(tǒng)根據(jù)CPU溫度，調(diào)整液冷管道冷液流量，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)CPU溫度，在提升CPU性能的同時節(jié)約能耗。中央空調(diào)變頻控制系統(tǒng)根據(jù)溫濕度傳感信息變頻調(diào)整空調(diào)模式與出風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)智能溫控。

2.2.4 安防監(jiān)控

安防監(jiān)控模塊的門禁系統(tǒng)對進(jìn)入數(shù)據(jù)中心的人員進(jìn)行自動登記與記錄，并按時上傳監(jiān)控管理服務(wù)器，以便事后校對核驗(yàn)。通過攝像頭獲取的視頻信息，經(jīng)Wi-Fi接入TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸至中控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行視頻圖像識別。若識別到非法入侵行為，通過電話、短信以及現(xiàn)場警報(bào)燈發(fā)出預(yù)警信息。

2.2.5 日常維護(hù)管理

數(shù)據(jù)中心設(shè)備種類較多，且各設(shè)備維護(hù)規(guī)則多樣。設(shè)備維護(hù)業(yè)務(wù)主要包括設(shè)備入庫、設(shè)備維護(hù)出庫、設(shè)備報(bào)廢回收、設(shè)備盤點(diǎn)、資產(chǎn)減值、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、維修記錄等。采用RFID讀寫設(shè)備自動采集設(shè)備狀態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心設(shè)備高效管理?；赗FID的數(shù)據(jù)中心設(shè)備管理業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

圖4 基于RFID的數(shù)據(jù)中心設(shè)備管理業(yè)務(wù)流程圖

設(shè)備購入后貼上資產(chǎn)二維碼與RFID電子標(biāo)簽；RFID讀寫設(shè)備讀取標(biāo)簽，完成設(shè)備入庫狀態(tài)更新，設(shè)備進(jìn)入臺賬管理；臺賬按設(shè)備維護(hù)規(guī)則，推送維護(hù)信息，管理人員進(jìn)行出庫維護(hù)或呼叫廠家進(jìn)廠維護(hù)；管理人員記錄突發(fā)維護(hù)信息；設(shè)備臺賬定期推送盤點(diǎn)業(yè)務(wù)，盤點(diǎn)人員利用RFID讀寫設(shè)備進(jìn)行盤點(diǎn)操作，打印盤點(diǎn)清單；設(shè)備臺賬每年按規(guī)則進(jìn)行減值處理；資產(chǎn)報(bào)廢出庫后，設(shè)備臺賬清零。

3 系統(tǒng)開發(fā)

基于物聯(lián)網(wǎng)的新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)包括傳感感知層、網(wǎng)絡(luò)接入層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、決策平臺層、展示服務(wù)層等，軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

傳感感知層通過傳感器及其相關(guān)接口獲取動力、防災(zāi)、節(jié)能、安防、日常維護(hù)等監(jiān)測信息；這些信息通過網(wǎng)絡(luò)接入層，經(jīng)WLAN、LAN/WAN傳輸至業(yè)務(wù)應(yīng)用層；業(yè)務(wù)應(yīng)用層基于監(jiān)測信息，執(zhí)行動力監(jiān)控、防災(zāi)監(jiān)控、節(jié)能監(jiān)控、安防監(jiān)控、日常維護(hù)管理等功能，另外業(yè)務(wù)應(yīng)用層還包括用戶管理和權(quán)限管理等系統(tǒng)管理功能；決策平臺層配置聯(lián)動控制、數(shù)據(jù)引擎、算法庫、診斷規(guī)則、知識庫等，協(xié)助用戶設(shè)定/設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控規(guī)則/方法；展示服務(wù)層通過可視化大屏、移動app、個人工作臺、報(bào)表展示、報(bào)警信息等展示數(shù)據(jù)中心運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件基于LabVIEW上位機(jī)實(shí)現(xiàn)傳感感知層的監(jiān)測信息可視化界面的開發(fā)。利用JSP和JavaScript搭建的Servlet服務(wù)器模型，完成業(yè)務(wù)應(yīng)用層處理需求?；贏ndroid/iOS系統(tǒng)開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)移動app，提供便捷的數(shù)據(jù)中心實(shí)時監(jiān)控功能。

4 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有：1）實(shí)時在線獲取動力、防災(zāi)、安防等監(jiān)控信息；2）根據(jù)環(huán)境溫、濕度做出節(jié)能智能決策，提升數(shù)據(jù)中心能效；3）重點(diǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)全生命周期臺賬管理。

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Intelligent Monitoring System of New Generation Energy-saving Data Center Based on Internet of Things

CHEN Yang1CHEN Jianze1LIU Qingyun2

(1.Guangdong Liquid Cooling Technology Co., Ltd., Foshan 528000, China 2.Guangdong Yunbang Technology Co., Ltd., Guangzhou 510610, China)

The new generation of energy-saving data center introduces liquid cooling technology on the basis of the original data center, which puts forward higher requirements for the monitoring of the data center. Therefore, a new generation intelligent monitoring system for energy-saving data center based on the Internet of Things is proposed. The system includes power, disaster prevention, energy conservation, security, daily maintenance management and other monitoring modules, and builds a new generation of energy conservation data center information all-around link network to help manage intelligent decision-making and improve the energy efficiency utilization and information management level of the data center.

internet of things; liquid cooling technology; RFID; energy saving data center; monitoring system

TP391.44; TP308

A

1674-2605(2022)06-0008-06

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.06.008

陳陽,陳堅(jiān)澤,劉慶云.基于物聯(lián)網(wǎng)的新一代節(jié)能數(shù)據(jù)中心智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動化與信息工程,2022,43(6):46-51.

CHEN Yang, CHEN Jianze, LIU Qingyun. Intelligent monitoring system of new generation energy-saving data center based on internet of things[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(6):46-51.

佛山市高新區(qū)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)專項(xiàng)(2020197000110)；佛山市“藍(lán)海人才計(jì)劃”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（2030032000083）。

陳陽，男，1984年生，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究。E-mail: gdcc_chenyang@foxmail.com

陳堅(jiān)澤，男，1983年生，碩士研究生，主要研究方向：電氣自動化、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究。

劉慶云，男，1985年生，碩士研究生，主要研究方向：計(jì)算機(jī)軟件工程。