姜海軍JIANG Hai-jun

（上海鑫融網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，上海 200030）

0 引言

隨著我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的大規(guī)?？焖侔l(fā)展，數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為各種社會(huì)活動(dòng)的信息中心，其安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行是至關(guān)重要的。然而，由于服務(wù)器、交換機(jī)、存儲(chǔ)和備份等設(shè)施分布密集，并且數(shù)據(jù)中心里不同的服務(wù)器上分配的負(fù)載不均勻，導(dǎo)致每個(gè)計(jì)算設(shè)備上產(chǎn)生的熱量也不相同。加上數(shù)據(jù)中心氣流的停滯性等因素，這些區(qū)域的溫度將會(huì)不斷上升，最終超過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的臨界工作溫度，這就形成了“熱點(diǎn)”現(xiàn)象[1]?！盁狳c(diǎn)”現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)，一方面，會(huì)導(dǎo)致單個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)工作在超過(guò)臨界工作溫度的環(huán)境中會(huì)大大增加硬件的故障幾率，甚至?xí)?dǎo)致頻繁的宕機(jī)現(xiàn)象；另一方面，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心、過(guò)度冷卻，而且大大降低了冷卻系統(tǒng)的冷卻效率，使電源使用效率（PUE）居高不下。針對(duì)數(shù)據(jù)中心的溫度控制問(wèn)題，國(guó)家相關(guān)部門制定了相應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行管理。GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)數(shù)據(jù)中心的工作溫度作出了明確要求：A/B 級(jí)機(jī)房，溫度23±1 攝氏度；C 級(jí)機(jī)房18-28 攝氏度[2]。

綜上所述，對(duì)于數(shù)據(jù)中心的溫度進(jìn)行全面的溫度監(jiān)測(cè)是非常必要的。目前使用的溫度監(jiān)測(cè)手段很多，都有一定的局限性，簡(jiǎn)介如下：①熱敏電阻、熱電偶、單總線數(shù)字溫度傳感器等電子溫度探頭，其測(cè)溫相對(duì)準(zhǔn)確，但易受電磁干擾，測(cè)溫穩(wěn)定性差；②分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)備（DTS），布設(shè)復(fù)雜，定位精度相對(duì)較差，易于錯(cuò)區(qū)。本文提供了一種基于光纖光柵溫度傳感技術(shù)的數(shù)據(jù)中心溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可以全面、真實(shí)、可靠的每套機(jī)柜的溫度信息，及時(shí)捕捉服務(wù)器機(jī)柜的“熱點(diǎn)”現(xiàn)象的出現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的精準(zhǔn)溫控。此外，除了數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的機(jī)柜溫控外，還可以對(duì)UPS 配電室、蓄電池、電纜橋架等處溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 光纖光柵溫度傳感原理

光纖光柵是一種波長(zhǎng)反射型光纖無(wú)源器件。研究表明[3]：假設(shè)應(yīng)變和溫度分別引起B(yǎng)ragg 波長(zhǎng)的變化是相互獨(dú)立的，則在兩者同時(shí)變化的情況下，Bragg 波長(zhǎng)λB的變化可以表示為：

式中，Pe為有效彈光系數(shù)，Pe=neff2（P12-ν（P11+P12））/2，其中P11、P12為彈光系數(shù)，ν 為光纖泊松比，ε 為軸向應(yīng)變，α為熱光系數(shù)，ζ 為熱膨脹系數(shù)，ΔT 為溫度的變化量。一般情況下，光纖光柵溫度傳感器讓光纖光柵形成一個(gè)弧度，去除應(yīng)變的影響，于是：

因此，光纖光柵溫度傳感器的中心反射波長(zhǎng)值隨光纖光柵所受環(huán)境溫度的變化而變化，并具有良好的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了溫度信息和光波長(zhǎng)絕對(duì)映射，而對(duì)光波信號(hào)的光強(qiáng)度變化不敏感，因此，采用光纖光柵作為溫度敏感元件可以獲得較高的測(cè)量精度，并具有良好的可靠性和穩(wěn)定性。鑒于此，基于光纖光柵傳感技術(shù)的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在溫度測(cè)量領(lǐng)域中倍受青睞，在數(shù)據(jù)中心溫度測(cè)控應(yīng)用中也具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。

2 數(shù)據(jù)中心溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成

基于光纖光柵溫度傳感技術(shù)的數(shù)據(jù)中心溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要由光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵測(cè)溫報(bào)警主機(jī)、通信光纜、系統(tǒng)工作站、配套的數(shù)據(jù)中心溫度在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件以及光纖配線架、交換機(jī)等配套設(shè)備組成，其系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

該系統(tǒng)的主要工作流程如下：

①分別將光纖光柵溫度傳感器安裝在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)部的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口位置，用于測(cè)量各個(gè)服務(wù)器機(jī)柜的溫度信息；②將光纖光柵溫度傳感器安裝在UPS的風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口位置，用于測(cè)量UPS 的溫度信息；③將光纖光柵溫度傳感器安裝在蓄電池組貨架的上方，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的溫度信息；④將光纖光柵溫度傳感器安裝在配電柜的靜觸點(diǎn)接頭位置，用于測(cè)量配電柜電纜接頭的溫度信息；⑤光纖光柵測(cè)溫報(bào)警主機(jī)安裝在監(jiān)控室內(nèi)，測(cè)量各個(gè)光纖光柵溫度傳感器的波長(zhǎng)信息，進(jìn)而解調(diào)出各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度信息；⑥將實(shí)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)工作站，然后通過(guò)數(shù)據(jù)中心溫度在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和存儲(chǔ)等工作，并發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警指令；⑦不同測(cè)點(diǎn)的溫度報(bào)警信息用于指導(dǎo)數(shù)據(jù)中心配置的精準(zhǔn)溫控空調(diào)，動(dòng)態(tài)調(diào)整其制冷溫度以及出風(fēng)量，對(duì)數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器機(jī)柜溫度進(jìn)行精細(xì)化溫控，避免形成“熱點(diǎn)”現(xiàn)象；⑧數(shù)據(jù)中心管理人員可以對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問(wèn)與查詢。

3 數(shù)據(jù)中心溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)介

BJ-FBG1600 型光纖光柵測(cè)溫報(bào)警主機(jī)是一款具有波長(zhǎng)測(cè)量精度高，長(zhǎng)期可靠性和穩(wěn)定性好光纖光柵溫度傳感解調(diào)設(shè)備，滿足GB16280-2014《線型感溫火災(zāi)探測(cè)器》[4]。可用于對(duì)接入各通道的光纖光柵傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，配備標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)口，滿足Modbus/TCP 通信協(xié)議，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、處理等功能。其實(shí)物圖片如圖2 所示，其光學(xué)通道數(shù)為32 ，采樣頻率：同步采集速度為25Hz；波長(zhǎng)測(cè)量范圍：1525～1565nm；工作溫度范圍：-5℃～+50℃。

圖2 BJ-FBG1600 型光纖光柵測(cè)溫報(bào)警主機(jī)圖片

BJT011 型光纖光柵溫度傳感器，外殼為不銹鋼，具有耐磨、防銹功能，而內(nèi)芯為紫銅材料，導(dǎo)熱速度快，使溫度傳感器的熱響應(yīng)速度快，可以24 個(gè)傳感器串聯(lián)在一通道里，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式溫度測(cè)量，其測(cè)量精度可達(dá)±0.5℃，具有測(cè)溫精度高、定位精度高、響應(yīng)速度快、布設(shè)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足數(shù)據(jù)中心溫度監(jiān)測(cè)的技術(shù)需求。其傳感器和傳感器串的實(shí)物圖片分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 單支BJT011 型光纖光柵溫度傳感器

圖4 BJT011 型光纖光柵溫度傳感器串

4 東山精密數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目應(yīng)用案例分析

4.1 東山精密數(shù)據(jù)中心簡(jiǎn)介

東山精密數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目建設(shè)面積約1200 平方米，分為核心服務(wù)器機(jī)房區(qū)域、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房區(qū)域、配電區(qū)域、操作室、消防間、ECC 控制中心等區(qū)域，其鳥瞰圖如圖5 所示。

圖5 東山精密數(shù)據(jù)中心鳥瞰圖

東山精密數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目采用了封閉冷通道制冷方案[5]，其原理示意圖如圖6 所示。

圖6 封閉冷通道原理示意圖

其中，核心服務(wù)器機(jī)房由3 個(gè)冷通道組成，共有78 臺(tái)服務(wù)器機(jī)柜。本文采用光纖光柵溫度傳感技術(shù)重點(diǎn)對(duì)78臺(tái)服務(wù)器機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)測(cè)量得到的溫度信息，為各個(gè)服務(wù)器機(jī)柜提供精準(zhǔn)的溫控方案。

4.2 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布置情況

1 臺(tái)FBG1600 型光纖光柵測(cè)溫報(bào)警主機(jī)安裝在數(shù)據(jù)中心的監(jiān)控室中的機(jī)柜內(nèi)，而光纖光柵溫度傳感器分別安裝在待測(cè)機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口位置上。在每個(gè)機(jī)柜的前面板（即進(jìn)風(fēng)口）左右兩側(cè)的高度在1.4-1.6m 之間的位置分別布設(shè)一支光纖光柵溫度傳感器，共2 支傳感器；而在后面板（即出風(fēng)口）左右兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，在21U-22U 之間位置分別布設(shè)一支光纖光柵溫度傳感器，共2 支傳感器。光纖光柵溫度傳感器的具體布設(shè)情況如圖7 所示?，F(xiàn)場(chǎng)安裝圖片如圖8 和圖9 所示。

圖7 服務(wù)器機(jī)柜中傳感器布設(shè)位置圖

圖8 服務(wù)器機(jī)柜前面板布設(shè)情況

圖9 服務(wù)器機(jī)柜后面板布設(shè)情況

綜上所述，在東山精密數(shù)據(jù)中心的每個(gè)服務(wù)器機(jī)柜中布設(shè)4 支光纖光柵溫度傳感器，共布設(shè)了312 支光纖光柵溫度傳感器。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況分析

基于光纖光柵溫度傳感技術(shù)的數(shù)據(jù)中心溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行一段時(shí)間之后，隨機(jī)選取了一個(gè)冷通道中的兩臺(tái)服務(wù)器機(jī)柜，分別為2#服務(wù)器機(jī)柜和5#服務(wù)器機(jī)柜，其溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分別如圖10和圖11 所示（縱坐標(biāo)單位為：℃，橫坐標(biāo)為時(shí)間）。

從圖10 和圖11 中可以得出如下結(jié)論：

圖10 2# 服務(wù)器機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口溫度趨勢(shì)對(duì)比圖

圖11 5# 服務(wù)器機(jī)柜進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口溫度趨勢(shì)對(duì)比圖

①兩個(gè)服務(wù)器機(jī)柜的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口溫度的變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明空調(diào)起到了良好的制冷作用；

②當(dāng)出風(fēng)口溫度超過(guò)某一閾值時(shí)（設(shè)定閾值：27℃），即可加大通風(fēng)量，使溫度回到數(shù)據(jù)中心要求的溫度范圍內(nèi)；

③當(dāng)出風(fēng)口溫度低于某一閾值時(shí)（設(shè)定閾值：25.5℃），即可減少通風(fēng)量，使機(jī)柜溫度回升至數(shù)據(jù)中心要求的溫度范圍；

④觸發(fā)閾值條件后，溫度控制有時(shí)會(huì)有延遲，是由于溫度過(guò)沖以及精密空調(diào)制冷的調(diào)整時(shí)間導(dǎo)致的；

⑤通過(guò)本系統(tǒng)溫控措施可以使服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)溫度維持在25℃到27℃之間范圍內(nèi)。

因此，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)服務(wù)器機(jī)柜的發(fā)熱情況，智能調(diào)整制冷方案，進(jìn)而達(dá)到制冷節(jié)能的目的。該系統(tǒng)投入使用1 年多時(shí)間以來(lái)，東山精密數(shù)據(jù)中心的PUE 值為1.21 左右，達(dá)到了非常好節(jié)能效果，并且有效避免了“熱點(diǎn)”效應(yīng)的出現(xiàn)。

5 數(shù)據(jù)中心溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)特點(diǎn)

①安全性高。傳感器為全光纖型，本質(zhì)安全，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需供電，不受電磁干擾影響，可以在強(qiáng)電磁干擾等復(fù)雜電磁環(huán)境中應(yīng)用。

②可靠性高。溫度信息對(duì)波長(zhǎng)直接編碼，測(cè)量精度高，可根據(jù)波長(zhǎng)精確定位。

③準(zhǔn)分布式測(cè)量。波分復(fù)用測(cè)量，在單根光纖上可串聯(lián)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（典型值：24 只），測(cè)點(diǎn)數(shù)多，間距可以調(diào)整，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求定制。

④響應(yīng)速度快。光纖光柵溫度傳感傳感器采用紫銅內(nèi)芯，導(dǎo)熱速度快，熱響應(yīng)速度快。

⑤安裝方便。光纖光柵溫度傳感器可以通過(guò)扎帶綁扎，安裝簡(jiǎn)單，施工方便。

⑥先進(jìn)性高。本系統(tǒng)采用1 臺(tái)32 通道光纖光柵測(cè)溫報(bào)警主機(jī)最多可實(shí)現(xiàn)768 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，維護(hù)管理簡(jiǎn)便，占服務(wù)器機(jī)柜的空間極小。光纖光柵溫度傳感器均為波長(zhǎng)直接編碼，測(cè)溫精度高，空間定位準(zhǔn)確。

本系統(tǒng)可以獲得全面、真實(shí)、可靠的每套機(jī)柜的溫度信息，可以為數(shù)據(jù)中心的制冷分配提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)精密空調(diào)的制冷溫度與出風(fēng)量進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，使數(shù)據(jù)中心達(dá)到最佳冷卻狀態(tài)。一方面，該系統(tǒng)可以延長(zhǎng)IT 硬件的使用壽命，降低服務(wù)器發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)，為數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行提供保障；另一方面，該系統(tǒng)還可以降低冷卻設(shè)施的負(fù)荷，降低電源使用效率值，達(dá)到節(jié)能的目的，進(jìn)而降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)成本。

6 結(jié)論與展望

本文以我國(guó)數(shù)據(jù)中心“熱點(diǎn)”現(xiàn)象難以控制，電源使用效率居高不下，迫切需要進(jìn)行精準(zhǔn)溫控、節(jié)能降耗的現(xiàn)實(shí)需求為索引，提出并驗(yàn)證了一套基于光纖光柵溫度傳感技術(shù)的數(shù)據(jù)中心溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，具有準(zhǔn)分布式測(cè)量、測(cè)溫精度高、熱響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、不受電磁干擾、安裝簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足數(shù)據(jù)中心溫度監(jiān)測(cè)的需求。此外，光纖光柵溫度傳感技術(shù)還可以應(yīng)用在數(shù)據(jù)UPS 配電室進(jìn)出風(fēng)口、電纜接頭處以及蓄電池室的蓄電池的溫度監(jiān)測(cè)。

綜上所述，基于光纖光柵溫度傳感技術(shù)的數(shù)據(jù)中心溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心溫度控制領(lǐng)域中具有良好的推廣前景，不僅可以大大提高數(shù)據(jù)中心正常運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，還可以將電源使用效率控制在較低水平，為建設(shè)可靠、低碳、綠色、節(jié)能的數(shù)據(jù)中心提供有力的技術(shù)支撐。