信息中心的低能耗優(yōu)化方案

劉藝萌

摘 要

在現(xiàn)代化信息化建設(shè)中，數(shù)據(jù)中心（機房）處于信息交互管理的核心位置。良好的機房環(huán)境是設(shè)備正常工作和延長使用壽命的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的機房監(jiān)控與制冷方法是安裝部分溫濕度傳感器與集中式降溫空調(diào)，無法完全覆蓋機房內(nèi)所有區(qū)域，并且存在過度制冷與局部高溫問題。大大增加了機房內(nèi)非IT設(shè)備能耗，不滿足可持續(xù)發(fā)展要求。

【關(guān)鍵詞】信息中心 低能耗 優(yōu)化

本文主要探討傳統(tǒng)信息中心機房過度制冷、局部高溫與功耗過大的問題，并提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控管理三層體系結(jié)構(gòu)與分布式的全封閉冷通道精確送風(fēng)系統(tǒng)。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測機房內(nèi)溫度變化情況，并作出相應(yīng)送風(fēng)調(diào)節(jié)（調(diào)節(jié)包括空調(diào)功率與智能風(fēng)閥）。

1 緒論

1.1 通信發(fā)展背景

數(shù)據(jù)中心能耗伴隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和崛起，全球的數(shù)據(jù)量暴漲，數(shù)據(jù)中心作為終端海量數(shù)據(jù)的承載與傳輸實體也迎來了大發(fā)展時期。中國數(shù)據(jù)中心保有量將超過8萬個，總面積將超過3000萬平方米，但我國數(shù)據(jù)中心的綠色化水平低，能耗程度較高，大量數(shù)據(jù)中心沒有對能源利用效率進行有效監(jiān)控，數(shù)據(jù)中心的高能耗增加了企業(yè)成本，也造成了社會能源的浪費。有數(shù)據(jù)顯示，近年來，互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的“十二五”發(fā)展規(guī)劃和通信業(yè)的“十二五”發(fā)展規(guī)劃，對數(shù)據(jù)中心的節(jié)能改造均提出了要求，數(shù)據(jù)中心PUE值已經(jīng)成為國家及數(shù)據(jù)中心行業(yè)越來越重視的性能指標(biāo)。信息機房每時每刻都承擔(dān)著大量的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，各類IT設(shè)備和冷卻系統(tǒng)需要不間斷供電，因此相比同體量的辦公建筑，數(shù)據(jù)機房的用電量非常大。

1.2 傳統(tǒng)機房降溫方式

目前，絕大部分機房采用集中式供冷方案，僅使用一個或多個大型的制冷空調(diào)降溫，旨在使整體室溫保持在一個較低的溫度以保證通信設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。但是這樣粗放的降溫模式也帶來了顯而易見的缺點。除制冷設(shè)備落后外，機房監(jiān)控系統(tǒng)也亟待發(fā)展。目前許多機房監(jiān)控采用的是 24 小時專人值守的傳統(tǒng)管理模式，定時巡查機房內(nèi)各種系統(tǒng)的管理模式。這種模式加重管理人員的負(fù)擔(dān)，不能及時有效地排除機房內(nèi)的設(shè)備故障，對事故發(fā)生時間和責(zé)任追究也沒有科學(xué)的認(rèn)定和分析。目前國內(nèi)普遍缺乏機房管理的專業(yè)人員，在很多情況下不得不安排臨時人員值守，對機房的無故障安全運行又是一個不利的因素。另外，長期在機房值守的管理人員，受機房設(shè)備產(chǎn)生的巨大噪音和電磁輻射，多數(shù)情況下沒有適合的通風(fēng)設(shè)備，管理人員的身體健康受到威脅。傳統(tǒng)機房監(jiān)控也缺乏預(yù)警和控制的設(shè)置，不能真正高效的實現(xiàn)預(yù)警功能。目前國內(nèi)機房環(huán)境監(jiān)控有以下幾種形式：

（1）人工檢測儀監(jiān)測形式；

（2）集中監(jiān)測形式。

2 總體結(jié)構(gòu)

2.1 基于需求的整體方案結(jié)構(gòu)

而現(xiàn)在機房空調(diào)一般有以下問題：冷卻效果不明顯，冷卻不均勻，功耗大，送風(fēng)不準(zhǔn)確。如何滿足機房空調(diào)的特殊要求，對機房的控制方式和管理都提出了挑戰(zhàn)。本文就是在這樣的背景下研究是機房空調(diào)利用效率更高的方法，并且結(jié)合無線傳感器使機房空調(diào)實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理和控制，滿足機房環(huán)境需求、節(jié)能需求、可靠性需求。

利用散布在機房內(nèi)的無線熱傳感器收集機房內(nèi)各點的實時溫度，通過無線傳感器網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到中間級控制中心?？刂浦行膶?shù)據(jù)進行初步處理（如數(shù)據(jù)融合，清洗等），并將初步處理過的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實現(xiàn)機房的實時溫度監(jiān)控。利用該模型控制機房內(nèi)空調(diào)進行有效降溫。同時遠(yuǎn)程控制中心設(shè)有移動客戶端，這可以使工程師們方便，快捷的查看機房狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生事故時，第一時間了解事故的大概情況。

整體方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1.1 機房

機房內(nèi)設(shè)備主要包括溫度傳感器網(wǎng)以及智能風(fēng)閥兩個部分。溫度傳感器網(wǎng)負(fù)責(zé)收集機房內(nèi)各點的實時溫度，將數(shù)據(jù)匯總之后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街虚g級控制中心的數(shù)據(jù)處理設(shè)備處。智能風(fēng)閥接收到中間級控制中心的控制設(shè)備傳來的指令后，根據(jù)指令來實現(xiàn)智能化控制，通過控制風(fēng)閥的開，關(guān)，旋轉(zhuǎn)方向等變量來實現(xiàn)精密制冷。

2.1.2 中間級控制中心

中間級控制中心包含數(shù)據(jù)處理設(shè)備和控制設(shè)備兩部分。數(shù)據(jù)處理設(shè)備負(fù)責(zé)匯總溫度傳感器網(wǎng)傳來的數(shù)據(jù)，并進行初步的數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)融合以及清洗，進一步減少數(shù)據(jù)傳輸所帶來的能量損耗。之后數(shù)據(jù)處理設(shè)備將處理過的數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進行進一步處理?？刂圃O(shè)備將用于接收遠(yuǎn)程控制中心下發(fā)的控制指令，并將控制指令遞送到對應(yīng)的智能風(fēng)閥控制機構(gòu)處。

2.1.3 遠(yuǎn)程控制中心

遠(yuǎn)程控制中心主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的進一步處理以及下發(fā)控制指令。當(dāng)中間級控制中心將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心后，中心將會對數(shù)據(jù)進行進一步處理，并導(dǎo)入溫度模型，建立出三維可視化的機房溫度模型。并通過此模型得出優(yōu)化降溫方案并自動下發(fā)空調(diào)控制指令，以完成智能降溫。機房管理人員將通過APP來查看機房的實時溫度情況，當(dāng)機房出現(xiàn)緊急事故時，遠(yuǎn)程控制中心將會把事故代碼自動發(fā)送到APP上，這樣工作人員可以在到達(dá)事故現(xiàn)場前就做好技術(shù)準(zhǔn)備，極大程度減少事故所帶來的損失。

3 主要模塊

3.1 無線傳感器網(wǎng)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是計算機、通信、傳感器、微機電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)等多項技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，通過大量分布式傳感節(jié)點協(xié)作實時地感知、采集和處理覆蓋區(qū)域內(nèi)的各種目標(biāo)信息，以多跳自組的方式形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由嵌入式計算資源對信息進行處理，利用無線通信技術(shù)將采集的信息發(fā)送到遠(yuǎn)程終端。ZigBee 適用于數(shù)據(jù)量通信不大，數(shù)據(jù)傳輸速率低，分布范圍小，安全性要求較高，低功耗低成本的場合。它具有以下幾個特點：

（1）極低的系統(tǒng)功耗；

（2）較低的系統(tǒng)成本；

（3）安全的數(shù)據(jù)傳輸；

（4）靈活的工作頻段；

（5）靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

（6）超大的網(wǎng)絡(luò)容量。

基于以上特點，ZigBee 非常適宜作為傳感器的無線通信網(wǎng)絡(luò)。不但實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心低能耗的設(shè)想，并且可以全方位較為精準(zhǔn)的檢測機房溫度環(huán)境，并作出分析。

機房設(shè)備的運行要求不間斷，使得機房的維修和設(shè)備更新受到一定限制，機房產(chǎn)熱也持續(xù)不間斷。本方案計劃利用ZigBee與溫度傳感器相結(jié)合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對機房溫度實行實時監(jiān)測。通信機房里設(shè)備眾多，種類多樣，而且規(guī)模和結(jié)構(gòu)各不相同，結(jié)合ZigBee無線通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，把系統(tǒng)按照不同的功能需要劃分為遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點四部分。

無線監(jiān)測終端實現(xiàn)溫度的采集，并通過以蓄電池為電源的ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)上報數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰酚晒?jié)點并使得只要有無線路由信號覆蓋到的地方，都可以隨意放入一個終端設(shè)備節(jié)點加入這個網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)在路由節(jié)點經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)存儲處理上傳到中間級控制中心；中間級控制中心對數(shù)據(jù)進行融合與清洗，保證數(shù)據(jù)的有效性與利用率；經(jīng)過中間級控制中心的數(shù)據(jù)通過串口、GPRS 等被送往遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以實現(xiàn)與監(jiān)控中心；遠(yuǎn)程控制中心通過分析如在一段時間內(nèi)沒有異常溫度產(chǎn)生則向中級控制中心傳輸命令控制傳感器每5秒采集一次數(shù)據(jù)。如果有異常溫度產(chǎn)生，則連續(xù)采集。通過此方式可以大大節(jié)省能耗，達(dá)到數(shù)據(jù)中心高效節(jié)能目的。

3.2 機房制冷

3.2.1 分布式空調(diào)在本方案中的應(yīng)用

調(diào)查顯示國內(nèi)外對此問題研究很少，數(shù)據(jù)中心仍然廣泛使用集中式空調(diào)，這種制冷方式所采取的制冷設(shè)備彼此間完全隔離，不能合理調(diào)度，以至于可能出現(xiàn)部分設(shè)備工作在相反的制冷和加熱狀態(tài)，產(chǎn)生過制冷、局部極限高溫等問題。

因此，我們提出了一種新型的空調(diào)系統(tǒng)——分布式空調(diào)系統(tǒng)。本系統(tǒng)將一個機柜設(shè)置為一個單元，每個單元包含三個子系統(tǒng)——控制系統(tǒng)、溫度檢測系統(tǒng)及智能風(fēng)閥控制系統(tǒng)。溫度檢測系統(tǒng)用于檢測機柜的溫度。它主要是由兩個溫度傳感器組成的，安裝在機柜擋板上，一個安裝在正前方，另一個放設(shè)置在左側(cè)。安裝較多的傳感器是基于溫度傳感器安裝得越多，所檢測的周圍溫度越準(zhǔn)確，越能使得周圍的環(huán)境溫度均勻，但是成本也會相應(yīng)提高。

智能風(fēng)閥控制系統(tǒng)，即機械系統(tǒng)按照工作空間的要求設(shè)計為盒狀，由扇葉、電機等機械結(jié)構(gòu)組成，它的作用是調(diào)節(jié)送風(fēng)量。除了單元內(nèi)的系統(tǒng)外，還有送風(fēng)管道系統(tǒng)及空調(diào)總控制系統(tǒng)。送風(fēng)管道系統(tǒng)的布置線路采用類似于網(wǎng)絡(luò)中的總線結(jié)構(gòu)，先鋪設(shè)一根主管道（與空調(diào)總機出風(fēng)口相連），再按各個工作位置的分布，鋪設(shè)子管道，與各單元出風(fēng)口相連。

4 方案優(yōu)點

與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心降溫方案相比，基于無線傳感器網(wǎng)的全封閉冷通道精確送風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案具有以下優(yōu)點：

（1）節(jié)能效率較高；

（2）實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；

（3）解決傳統(tǒng)問題；

（4）發(fā)現(xiàn)問題及時。

本方案中采用分布式空調(diào)，實現(xiàn)精細(xì)管理、網(wǎng)格化管理，不同于傳統(tǒng)集中式空調(diào)統(tǒng)一送風(fēng)方案需要時時保證較大的空調(diào)功率，根據(jù)溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)分析，若溫度過高則通過控制中心減小空調(diào)功率和智能風(fēng)閥送風(fēng)量的大小，溫度過低則采取相反的措施；在此優(yōu)化方案下，可以極大地解放人力，不需專人24小時值班來防止數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)故障或問題，在一定程度上減輕管理人員的負(fù)擔(dān)，減輕工作人員受強輻射、巨大噪音影響。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)數(shù)據(jù)分析自動、智能的進行空調(diào)功率及智能風(fēng)閥的控制，并且可實現(xiàn)預(yù)警功能；移動終端APP實現(xiàn)遠(yuǎn)程故障監(jiān)控，可在環(huán)境產(chǎn)生強烈變化時，遠(yuǎn)程收到故障代碼，提早了解機房問題出處并及時提出解決方案；并且可幫助管理人員實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，提供更好的優(yōu)化方案。 基于無線傳感器監(jiān)控方案，可實現(xiàn)預(yù)測系統(tǒng)問題或故障功能，對于局部高溫等問題進行預(yù)警式處理，避免突發(fā)情況直接導(dǎo)致設(shè)備單板不在位中斷業(yè)務(wù)，出現(xiàn)故障，影響客戶使用。

5 結(jié)語

本文從傳統(tǒng)集中式降溫空調(diào)的缺點入手，提出了基于無線傳感器網(wǎng)、分布式空調(diào)的綜合降溫方案，以解決“局部高溫”，“過度制冷”等問題。并設(shè)計了系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，提出了遠(yuǎn)程監(jiān)控的思想。并將預(yù)測與控制相結(jié)合，進一步完善降溫方案，將信息中心降溫方式推向可持續(xù)發(fā)展。

本文主要做了以下幾個方面的研究：

（1）從無線傳感器網(wǎng)技術(shù)以及分布式空調(diào)技術(shù)的研究中，探索出了一種根據(jù)傳感器網(wǎng)數(shù)據(jù)進行控制的全封閉冷通道精確送風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以有效解決傳統(tǒng)制冷方案存在的局部高溫，過制冷等問題。同時引入反饋機制，實時改變空調(diào)功率以減小能耗。

（2）鑒于傳統(tǒng)機房解控系統(tǒng)不完善，只管不控的問題，我們提出了監(jiān)控管理三層體系結(jié)構(gòu)。通過三層結(jié)構(gòu)，極大地節(jié)省了人力，解決了機房維護人員少等問題。

（3）利用Airpak對傳統(tǒng)機房降溫方案進行仿真，探究局部高溫產(chǎn)生原因，以及尋找相應(yīng)的解決方法來指導(dǎo)我們的降溫系統(tǒng)設(shè)計。

（4）實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心機房熱環(huán)境局部熱點區(qū)域的預(yù)測，數(shù)據(jù)來源于實時更新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。提前發(fā)現(xiàn)局部高溫概率大的區(qū)域，提前介入降溫。

（5）我們更從，實時控制空調(diào)功率，及時預(yù)測，改善無線傳感器網(wǎng)發(fā)送消息規(guī)則，遠(yuǎn)程控制，數(shù)據(jù)融合幾個關(guān)鍵性技術(shù)進一步減少能源消耗以及人力消耗，將信息中心推向可持續(xù)發(fā)展。

由于機房監(jiān)控預(yù)警話題較新，特別是機房熱環(huán)境的局部熱點區(qū)域發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域以及精準(zhǔn)控制這兩個方面，目前沒有一個公認(rèn)相對可靠完善的方案。所以我們的方案更多地還是在理論方面，投入實踐仍需要大量的現(xiàn)場測試以確定整個系統(tǒng)的可靠性。

作者單位

中南大學(xué) 湖南省長沙市 410000