通信機房節(jié)能監(jiān)控嵌入式系統(tǒng)設計

彭剛，周晨陽，張志強

（1.深圳華中科技大學研究院，廣東深圳518060；2.華中科技大學自動化學院，湖北武漢430074）

通信機房節(jié)能監(jiān)控嵌入式系統(tǒng)設計

彭剛1，2，周晨陽1，2，張志強2

（1.深圳華中科技大學研究院，廣東深圳518060；2.華中科技大學自動化學院，湖北武漢430074）

介紹了一種通信機房節(jié)能監(jiān)控嵌入式系統(tǒng)，監(jiān)控現(xiàn)場層包括主控制器和多個區(qū)域控制器。每個區(qū)域控制器用于采集通信機房溫濕度值，并根據(jù)節(jié)能控制策略對機房內(nèi)的風機與空調(diào)進行協(xié)調(diào)控制，達到節(jié)能降溫的效果。

嵌入式系統(tǒng)；RS485總線；節(jié)能控制策略

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，通信網(wǎng)絡的不斷升級以及智能手機的普及，電信事業(yè)得到了高速發(fā)展通信的網(wǎng)絡規(guī)模也越來越大，用于維持機房內(nèi)溫濕度平衡的制冷設備在電力上的消耗也在不斷增加通信機房和基站機房的節(jié)能降耗已引起通訊企業(yè)的普遍關(guān)注[1]。目前機房里的空調(diào)長年工作于制冷模式，虛耗現(xiàn)象十分嚴重，而且縮短了空調(diào)的使用壽命，而且通信機房的設備負荷不均衡，熱環(huán)境動態(tài)變化[2]。針對通信機房環(huán)境和通信設備負荷動態(tài)變化的情況，如何讓通風與空調(diào)設備運行在高能效狀態(tài)成為節(jié)能的關(guān)鍵。解決辦法是通信機房采用節(jié)能控制系統(tǒng)，利用室內(nèi)和室外的溫差來協(xié)調(diào)控制機房的制冷和通風設備。通過對室內(nèi)和室外的溫度進行采集，當機房內(nèi)溫度達到控制溫度上限并且室內(nèi)溫度高于室外溫度時，主動打開風機關(guān)閉空調(diào)，引入室外冷空氣，利用空氣對流降低溫度。當室外溫度較高時，主動啟動空調(diào)關(guān)閉風機，阻斷空氣對流。此外，對機房內(nèi)的濕度進行采集，主動開啟或關(guān)閉空調(diào)的除濕功能，以減少電量的浪費。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以提高機房制冷設備能效為中心，利用總線技術(shù)和分布式控制技術(shù)構(gòu)成高效的現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。現(xiàn)場層完成通信機房的環(huán)境數(shù)據(jù)采集和溫濕度控制，包括室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、室外溫度、空調(diào)狀態(tài)和風機狀態(tài)；本地監(jiān)控層完成對硬件采集的數(shù)據(jù)進行處理、存儲、顯示和數(shù)據(jù)上傳到云端服務器等工作[3-4]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 嵌入式系統(tǒng)設計

2.1 硬件電路設計

現(xiàn)場層的功能主要是采集溫濕度、控制電器設備和故障報警。硬件電路設計可以分為主控制器和區(qū)域控制器的設計。主控制器要完成與上位機監(jiān)控軟件和區(qū)域控制器之間的通信以及對通信報文的處理，而區(qū)域控制器通過RS485總線與主控制器通信，并進行溫濕度的采集、電器設備的控制以及故障報警?，F(xiàn)場層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場層結(jié)構(gòu)圖

由于主控制器和區(qū)域控制器之間通信距離可能很長，會造成電平在傳輸過程中衰減以及受到較強的干擾，如果采用RS232總線會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，故主控制器和區(qū)域控制器之間采用RS485總線相連。一方面RS485的通信距離可以達到上千米，另一方面RS485總線上傳輸?shù)氖遣罘中盘?，在壓差很小的情況下也可以檢測信號，差分信號本身可以抑制共模信號的干擾。

主控制和區(qū)域控制器都采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32單片機作為控制器。區(qū)域控制器硬件部分是在主控制器基礎(chǔ)上增加了紅外、風機和空調(diào)加濕器控制部分。區(qū)域控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 區(qū)域控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 嵌入式軟件設計

主控制器收到PC發(fā)送的報文時，主控制器會產(chǎn)生串口中斷，對收到的報文進行解析，并判斷報文的類型。當收到的報文為控制報文時，將控制報文解析后發(fā)送給區(qū)域控制器。當為查詢報文時，主控制器會對查詢報文進行解析，提取區(qū)域控制器地址和查詢要素等信息，并將查詢報文進行封裝發(fā)送給區(qū)域控制器，待收到所有的區(qū)域控制器返回的報文或者接收報文超時后，主控制器將所有區(qū)域控制器返回的報文進行封裝發(fā)送給PC.

（1）主控制器程序設計

主控制器軟件主要由串口數(shù)據(jù)處理和查詢模塊組成。其中，串口接收上位機PC報文的流程如圖4所示。串口采用中斷方式來接收數(shù)據(jù)，每次收到一個字節(jié)，串口會產(chǎn)生一次串口接收中斷，并將串口中斷接收標志位USART_IT_RXNE置位，因此需要在串口中斷服務程序中清除標志位，以便于下次中斷的產(chǎn)生。為適用不同的報文長度，需開啟定時器，當數(shù)據(jù)接收完成時，再關(guān)閉定時器，并將其狀態(tài)置為idle.

圖4 主控制器接收PC報文流程圖

主控制器查詢區(qū)域控制器信息流程如圖5所示。主控制器可以從PC發(fā)送的查詢報文中獲取該主控制器下掛有的區(qū)域控制器數(shù)量及其地址。主控制器需要查詢其下的所有區(qū)域控制器信息，采用輪詢的方式查詢。當主控制器給區(qū)域控制器發(fā)送查詢報文時，需要開啟超時定時器，如果定時時間到，但是沒有收到區(qū)域控制器回復的報文，則認為主控制器與區(qū)域控制器之間存在通信故障或者區(qū)域控制器出現(xiàn)故障，那么主控制器需要對出現(xiàn)超時現(xiàn)象的區(qū)域控制器做出相應的處理，例如將查詢的溫濕度值和電器設備狀態(tài)全部設置為0xff。輪詢完畢后，主控制器需要將報文重新封裝后發(fā)送給上位機PC.

圖5 主控制器查詢區(qū)域控制器信息流程圖

（2）區(qū)域控制器程序設計

區(qū)域控制器軟件與主控制器似，區(qū)域控制器軟件流程如圖6所示。當報文為查詢報文時，區(qū)域控制器需要與相應的傳感器通訊獲取環(huán)境信息，傳輸協(xié)議采用Modbus RTU協(xié)議[5]。當獲取到溫濕度值后，如果室內(nèi)的溫濕度值不在設定的范圍內(nèi)，則需要控制電器設備來調(diào)節(jié)。在采用Modbus通信協(xié)議通信過程中，需要加入超時機制，用來判斷傳感器是否出現(xiàn)故障。當區(qū)域控制器給傳感器發(fā)送完Modbus報文后，可以開啟一個定時器，若在定時時間內(nèi)收到傳感器返回的報文，則可以進行對報文的校驗和解析等工作；若定時時間到，仍未收到傳感器返回的報文，則需要對這種超時情況做出處理。一般的處理方式為如果連續(xù)10次沒有收到返回的報文，則認為傳感器或者與通信線路出現(xiàn)故障，這時會產(chǎn)生報警提示。

圖6 區(qū)域控制器軟件流程圖

2.3 節(jié)能控制策略

系統(tǒng)節(jié)能控制策略主要體現(xiàn)在：一方面可以根據(jù)室外冷空氣來降低室內(nèi)溫度，另一方面對通信機房制冷設備的控制，只有在需要調(diào)節(jié)溫濕度時才開啟制冷設備。用于維持溫濕度平衡的電器設備有空調(diào)、風機和加濕器，他們的工作狀態(tài)根據(jù)室內(nèi)外的溫度和室內(nèi)濕度變化而不同。通過對室內(nèi)和室外的溫度進行采集，當機房內(nèi)溫度達到控制溫度上限并且室內(nèi)溫度高于室外溫度時，主動打開風機關(guān)閉空調(diào)，引入室外冷空氣，利用空氣對流降低溫度。當室外溫度較高時，主動啟動空調(diào)關(guān)閉風機，阻斷空氣對流。此外，還需對機房內(nèi)的濕度進行采集，主動開啟或關(guān)閉加濕器（或空調(diào)的除濕功能）。尤其是濕度過小時，需開啟加濕器，以防止因干燥產(chǎn)生的靜電對通信設備的損害。

通信機房一般面積很大，需要多個區(qū)域控制器。每個區(qū)域控制器根據(jù)檢測到的區(qū)域溫濕度情況來控制本區(qū)域的制冷設備，用Ti表示當前室內(nèi)溫度，To表示當前室外溫度，Tmax表示控制溫度上限，H表示當前濕度，Hmin表示控制濕度下限，Hmax表示控制器濕度上限。根據(jù)區(qū)域的每個區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，節(jié)能控制策略有以下幾種情況：

（1）Ti＜Tmax，Hmin＜H＜Hmax，關(guān)閉所有電器設備。

（2）Ti＜Tmax，H＜Hmin，開啟加濕器。

（3）Ti＜Tmax，H＞Hmax，開啟空調(diào)，空調(diào)處于除濕模式。

（4）To＜Tmax＜Ti，Hmin＜H＜Hmax，開啟風機和空調(diào)，空調(diào)處于制冷模式并且設定溫度為Tmin.

（5）To＜Tmax＜Ti，H＜Hmin，開啟風機和空調(diào)，空調(diào)處于制冷模式并且設定溫度為Tmin，開啟加濕器。

（6）To＜Tmax＜Ti，H＞Hmax，開啟風機和空調(diào)，空調(diào)處于除濕模式。

（7）Tmax＜Ti＜To，Hmin＜H＜Hmax，開啟空調(diào)，空調(diào)處于制冷模式并且設定溫度為Tmin.

（8）Tmax＜Ti＜To，H＜Hmin，開啟空調(diào)和加濕器，空調(diào)處于制冷模式并且設定溫度為Tmin.

（9）Tmax＜Ti＜To，H＞Hmax，開啟空調(diào)，空調(diào)處于制冷模式并且設定溫度為Tmin.

（10）Ti為故障，Hmin＜H＜Hmax，報警提示，啟空調(diào)，空調(diào)處于制冷模式并且設定溫度為Tmin.

（11）Ti為故障，H＜Hmin，報警提示，啟空調(diào)，空調(diào)處于制冷模式并且設定溫度為Tmin，開啟加濕器。

（12）Ti為故障，H＞Hmax，報警提示，啟空調(diào)，空調(diào)處于制冷模式并且設定溫度為Tmin.

（13）To為故障且Ti不為故障，報警提示，關(guān)閉風機，Ti根據(jù)上下限來決定是否開啟空調(diào)。

（14）H為故障，報警提示。

3 機房節(jié)能監(jiān)控軟件

系統(tǒng)監(jiān)控軟件選擇VS2010作為開發(fā)環(huán)境，開發(fā)語言為C#，本地數(shù)據(jù)庫管理軟件為ACCESS數(shù)據(jù)庫。監(jiān)控軟件主要由設置、主界面、數(shù)據(jù)和通信這四部分構(gòu)成，主界面如圖7所示。包括以下功能：通訊設置、控制器管理（控制器的添加、修改和刪除）、通訊狀態(tài)顯示（串口通信狀態(tài)和網(wǎng)絡通信狀態(tài)）、實時數(shù)據(jù)顯示（信息欄和實時曲線）和歷史數(shù)據(jù)查詢。通過下位機硬件對機房溫濕度等信息進行采集，上位機軟件實時監(jiān)測機房各個區(qū)域溫濕度值和空調(diào)風機的狀態(tài)信息，并進行機房溫濕度控制、數(shù)據(jù)存儲、報表打印以及歷史查詢。

圖7 機房節(jié)能監(jiān)控軟件主界面

4 結(jié)束語

通風與空調(diào)設備運行在高能效狀態(tài)是通信機房節(jié)能的關(guān)鍵。本文設計了一種通信機房節(jié)能監(jiān)控嵌入式系統(tǒng)，包括現(xiàn)場層的主控制器、區(qū)域控制器的電路和程序設計以及本地監(jiān)控層的監(jiān)控軟件。區(qū)域控制器進行溫濕度檢測，通過RS485總線與主控制器進行通訊，根據(jù)上位機設置的節(jié)能控制策略，利用室內(nèi)和室外的溫差來協(xié)調(diào)控制機房的制冷和通風設備，以減少電量的浪費，達到節(jié)能效果。

[1]柏榮敏.電信機房溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計[D].合肥：安徽大學，2012.

[2]陳嘉偉.數(shù)據(jù)通信機房的熱環(huán)境研究[D].青島：中國海洋大學，2014.

[3]彭剛，張志強.基于云存儲的機房節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)[J].可編程控制器與工廠自動化，2015（3）：77-80.

[4]張志強.通信機房節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學，2015.

[5]MODBUS Application Protocol Specification V1.1b[Z].

Design of Energy-saving Monitor and Control Embedded System in Communication Equipment Room

PENG Gang1，2，ZHOU Chen-yang1，2，ZHANG Zhi-qiang2
（1.Shenzhen Institute of Huazhong University of Science and Technology，Shenzhen Guangdong 518060，China；2.School of Automation，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074，China）

This paper presents an energy saving monitoring embedded system in communication equipment room，which consists of main controller and several regional controllers.It can acquire the value of temperature and humidity and control the fan and air-condition to decrease temperature according to the energy-saving strategy.

embedded system；RS485 bus；energy-saving strategy

TP391

：A

：1672-545X（2017）01-0116-03

2016-10-11

彭剛（1973-），男，湖北武漢人，副教授，博士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、機器人與智能制造、功率變換。