基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫度控制節(jié)能機房研究

張成挺，王文娟

（浙江中煙工業(yè)有限責任公司，浙江寧波315040）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫度控制節(jié)能機房研究

張成挺，王文娟

（浙江中煙工業(yè)有限責任公司，浙江寧波315040）

近年來，物聯(lián)網(wǎng)（internet of thinys，IoT）、云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)在信息技術(shù)方面取得了長足的進步。這些技術(shù)已成為世界經(jīng)濟增長的重要引擎[1-5]。隨著移動網(wǎng)絡(luò)的快速增長[6-7]，連接到互聯(lián)網(wǎng)的各種設(shè)備數(shù)量在不斷增加，而這些設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)爆炸性增長導致計算和存儲容量的需求呈指數(shù)級增加[8-9]。蓬勃發(fā)展的大數(shù)據(jù)行業(yè)加速了技術(shù)演進和應用創(chuàng)新的發(fā)展，大數(shù)據(jù)在經(jīng)濟發(fā)展、公共服務(wù)、國家安全等方面起著重要作用。而作為大數(shù)據(jù)核心基礎(chǔ)設(shè)施，機房中心（server room，SR）變得越發(fā)重要[10]。機房是一個復雜的基礎(chǔ)設(shè)施，不僅包括計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲系統(tǒng)，還包括冗余數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、環(huán)境控制設(shè)備和安全支持設(shè)備[11]。機房在確保信息技術(shù)（information technology，IT）基礎(chǔ)設(shè)施連續(xù)性的同時，還為信息安全方面提供必要的保障[12]。圖1示所示為由電力、冷卻、防火、安全和其他子系統(tǒng)組成的因特網(wǎng)服務(wù)提供商（internet serice provider，ISP）中的實際機房。

圖1 ISP中采用的機房系統(tǒng)Fig.1 A practical data center system in an ISP

為了最大限度地提高能源效率，減少環(huán)境污染，近年來研究者提出綠色機房的發(fā)展趨勢[13]。提高IT設(shè)備和空調(diào)系統(tǒng)的供電效率是綠色機房的主要聚焦點[14]。為了降低IT設(shè)備的功耗，目前已有眾多各種新穎高效的方案被提出，如虛擬化和云計算。通過建立低溫區(qū)、部署通風和水冷系統(tǒng)等，空調(diào)能耗也將會降低。

為了解決上述問題，本文提出了一個基于物聯(lián)網(wǎng)智能控制的節(jié)能機房系統(tǒng)。本研究主要內(nèi)容如下：①提出一種基于云計算的方法，通過微更新有效降低機房功耗，簡化和規(guī)范冷卻系統(tǒng)的管理；②提出一種多級智能溫度控制算法，來提高冷卻系統(tǒng)的能源效率；③對小型機房部署方案進行模擬，以證明能源效率得到顯著改善。

1 相關(guān)工作

機房的演變包括以下3個主要階段：①分布式機房：企業(yè)根據(jù)需求，在不同地區(qū)建立機房，分布式機房不能解決數(shù)據(jù)共享和業(yè)務(wù)連續(xù)性問題。②集中式機房：對分布式服務(wù)器、存儲設(shè)備和其他與IT相關(guān)的設(shè)備集中管理。③支持云計算和物聯(lián)網(wǎng)的機房：通過先進的云計算和物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)，機房可靈活應對動態(tài)業(yè)務(wù)需求，有效降低能耗。由于能源危機，具有顯著節(jié)能性能并支持云計算的機房已成為建立綠色機房的首選方法。

眾多研究嘗試在保證服務(wù)質(zhì)量（qualityofservice，QoS）和體驗質(zhì)量（qualityof experience，QoE）的前提下，使用支持物聯(lián)網(wǎng)云計算技術(shù)來降低能耗。在文獻[15]中，Kashif等人提出了一種新穎的綠色機房架構(gòu)，以提供智能傳感器的全面監(jiān)控和云端實時遷移與優(yōu)化。在文獻[16]中，Jetsadaporn和Chawalit設(shè)計了一個模擬系統(tǒng)來模擬機房冷卻系統(tǒng)，為降低能耗提供指導。雖現(xiàn)有的方法能夠降低機房能源消耗，但其需要大量資本投資，且難以在實際的機房系統(tǒng)中部署。因此，本文提出一個用于綠色機房的智能多電平溫度控制系統(tǒng)來解決以上問題。

2 云輔助智能溫控系統(tǒng)架構(gòu)

穩(wěn)定可靠的溫度控制系統(tǒng)是機房最重要的支撐之一。在設(shè)計階段需要著重考慮空調(diào)制冷系統(tǒng)。例如，諸多大型機房會投入大量資金建設(shè)穩(wěn)定、可靠和先進的節(jié)能空調(diào)系統(tǒng)。但由于預算有限，一些中小型企業(yè)必須安裝價格低廉的家用空調(diào)通風系統(tǒng)，這對機房運維造成重大的潛在風險。因此，基于對現(xiàn)有機房空氣溫度控制系統(tǒng)解決方案的全面調(diào)查，本文提出了一種物聯(lián)網(wǎng)輔助智能機房控制溫度的方法，該系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)架構(gòu)由溫度控制系統(tǒng)和云管理平臺組成，溫度控制系統(tǒng)提供冷卻、通風、環(huán)境信號采集和傳輸；云管理平臺負責數(shù)據(jù)存儲和查詢、環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控、附件設(shè)備管理和基于大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)評估。

2.1 數(shù)據(jù)中心溫控系統(tǒng)

空調(diào)系統(tǒng)是機房穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)保證。如圖3所示，提出的空調(diào)系統(tǒng)主要由5個部分組成：環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、空調(diào)系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)以及多級智能溫度控制系統(tǒng)。

圖2 云輔助綠色機房空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Cloud-assisted green data center air conditioning system architecture

圖3 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)Fig.3 Data center air conditioning system

2.1.1 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測

通常，機房中會有一些高精度IT設(shè)備在運行，易產(chǎn)生異常集中的熱負荷，而其對溫度和濕度的變化敏感。因此，溫濕度的穩(wěn)定狀態(tài)是機房最為重要的要求，必須通過連續(xù)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測來支持。而機房面積、機架布局和設(shè)備數(shù)量直接影響機房的溫濕度。所以，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控節(jié)點應在機房中靈活部署。為了解決這一問題，本文設(shè)計了一個集成了高精度溫濕度傳感器的監(jiān)控節(jié)點，其體積小，易于部署。需著重考慮的是，安裝在現(xiàn)有機房中的便利性。此外，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控節(jié)點也部署在機房外部，原因如下：1）外部溫度影響空調(diào)系統(tǒng)的運行，例如，在較冷的地區(qū)，溫度和濕度均極低，這可能導致空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生問題故障；2）當室外溫度和濕度接近所需參數(shù)時，可以關(guān)閉一部分空調(diào)，并打開通風系統(tǒng)，將自然冷氣帶入機房以實現(xiàn)節(jié)能冷卻。而監(jiān)控節(jié)點的電源是由機房電力系統(tǒng)和電池組合而成的，當機房電源系統(tǒng)可用時，節(jié)點直接由機房供電并充電。當機房電源系統(tǒng)不可用時，節(jié)點自動切換到由電池供電，保證物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控器的高可靠性。

2.1.2 空調(diào)系統(tǒng)

考慮到兼容性和經(jīng)濟性，本文提出了一種將ZigBee模塊集成到現(xiàn)有空調(diào)系統(tǒng)中的輕量級重建方法。將物聯(lián)網(wǎng)傳感器安裝在空調(diào)器上，通過大數(shù)據(jù)監(jiān)控進行設(shè)備的故障檢測、分析以及預測其運行條件和參數(shù)。同時，傳感器收集有關(guān)功耗的信息，為能源優(yōu)化提供指導。

2.1.3 通風系統(tǒng)

為了節(jié)約能源，必須將自然空氣引入機房冷卻。本設(shè)計在通風口部署ZigBee溫濕度傳感器，為控制通風系統(tǒng)提供依據(jù)。此外，應部署空氣過濾裝置，以防止機房的空氣污染。

2.1.4 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

機房溫度控制系統(tǒng)提供2種網(wǎng)絡(luò)通信方式：1）由于機房通常提供更高的帶寬和多個因特網(wǎng)接入點（AP），所以zigbee網(wǎng)關(guān)可通過機房之間的有線連接傳輸感知數(shù)據(jù)并接收命令；2）zigbee網(wǎng)關(guān)與3G/4G模塊集成，且在機房網(wǎng)絡(luò)中斷等緊急情況下，通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供可靠的通信。

2.1.5 多層智能溫控系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)包含3層：計算機中心、運行維護中心和自然環(huán)境。與數(shù)據(jù)中心相關(guān)的IT設(shè)備集中部署在機房內(nèi)，由透明玻璃分隔。大多數(shù)IT設(shè)備均放置在計算機中心，對環(huán)境的穩(wěn)定性要求較高。而運行維護中心靠近計算機中心，以方便工作人員操作。計算機中心和操作維護中心分布由單獨的空調(diào)系統(tǒng)覆蓋。在緊急情況下如遇到異常溫度時，溫度控制系統(tǒng)將自動打開計算機中心和維護中心之間的門及通風口，使用維護中心的空調(diào)系統(tǒng)來控制計算機中心的溫度。這種多級別智能溫控系統(tǒng)不僅可以應對緊急情況，還能節(jié)約能源消耗。當檢測到外部溫度比計算機中心內(nèi)的溫度低時，系統(tǒng)會自動打開通風系統(tǒng)，關(guān)閉部分空調(diào)，從而將自然冷氣帶入計算機中心進行節(jié)能冷卻。

2.2 支持云的管理平臺

云端管理平臺是機房空調(diào)系統(tǒng)的控制中心，其核心功能包括數(shù)據(jù)存儲和大數(shù)據(jù)分析。還可以基于該平臺開發(fā)各種應用，為機房空調(diào)系統(tǒng)提供監(jiān)控與管理。

2.2.1 數(shù)據(jù)存儲

為了實現(xiàn)對空調(diào)環(huán)境和空調(diào)設(shè)備的實時監(jiān)控，預計傳感器將以短時間間隔收集數(shù)據(jù)，如圖4所示。感知數(shù)據(jù)在工作人員協(xié)助進行數(shù)據(jù)分類后，被傳輸?shù)皆贫瞬⒋鎯υ陉P(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS）和大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，如hadoop分布式文件系統(tǒng)（HDFS）中。RDBMS用于存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以進行快速查詢和操作，通過數(shù)據(jù)庫訪問接口可開發(fā)對其的專屬應用程序?？紤]傳輸?shù)皆贫说臄?shù)據(jù)量較大，且包括來自多個機房的監(jiān)控信息，RDBMS不足以提供有效的管理。因此，將RDBMS中的歷史數(shù)據(jù)導出到HDFS以提高性能。此外，數(shù)據(jù)無需實時處理即可直接存儲在HDFS中。

2.2.2 大數(shù)據(jù)分析與預測

新興的大數(shù)據(jù)技術(shù)支持對運行信息大容量設(shè)備的有效分析，這可以幫助人們了解設(shè)備耗散并檢測故障癥狀。運行信息由安裝在空調(diào)系統(tǒng)中的傳感器收集并傳輸?shù)皆贫艘员阌谛阅鼙O(jiān)控。此外，空調(diào)維護還可通過基于大數(shù)據(jù)的故障分析和預測來進行指導，從而提高空調(diào)系統(tǒng)的有效性。

2.2.3 上層應用

基于數(shù)據(jù)存儲和大數(shù)據(jù)分析可以開發(fā)各種上層應用，實時演示運行狀態(tài)，并監(jiān)控機房空調(diào)系統(tǒng)的故障。尤其是對于需要技術(shù)人員7×24 h值班的分布式小型機房，通過開發(fā)通知應用程序，以短信或電子郵件的方式及時通知技術(shù)人員，減少人員的工作量。

3 設(shè)計及應用

3.1 多級智能溫度控制算法

圖4說明了多級智能溫度控制算法的詳細程序。傳感器被部署以感測計算機中心（TDC）、操作維護中心（TOR）和自然環(huán)境（TN）的溫度。3個閾值即T[1]、T[2]和T[3]是預定值。詳細步驟描述如下：

若計算機中心與自然環(huán)境之間的溫差大于T[1]（即TDC-TN＞T[2]），計算機中心與自然環(huán)境之間的通風系統(tǒng)（WDC-Nature）將被打開；

如果計算機中心和維護中心之間的溫差大于T[2]，即TDC-TN＞T[2]，計算機中心與運行維護中心之間的通風系統(tǒng)（WDC-OR）將被打開；

當計算機中心的溫度大于T[3]，計算機中心的空調(diào)將被打開；

若不符合上述條件，計算機中心的溫度是正常的，系統(tǒng)將關(guān)閉一部分空調(diào)，并切換到節(jié)能模式。

針對緊急情況，必須定義兩個閾值Talert和Tmax，詳細的警告程序如下：

當Talert＜TDC＜Tmax時，計算機中心的空調(diào)系統(tǒng)打開，向機房管理人員發(fā)送警告信息；

當TDC＞Tmax時，存在緊急情況。通風系統(tǒng)WDC-OR、WDC-Nature和計算機中心（ADC）、運行維護中心（AOR）的空調(diào)系統(tǒng)則將必須立即開啟，以盡快降低溫度。此外，還需要向機房管理員發(fā)送警告消息。

3.2 機房中的傳感器網(wǎng)絡(luò)

如圖3所示，部署在機房中的傳感器組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)將感測到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_。通常傳感器節(jié)點之間的通信是基于短波無線電技術(shù)，例如在所提出的系統(tǒng)中采用的ZigBee。ZigBee是遵循IEEE 802.15.4標準的低速和短距離無線通信協(xié)議，支持多達65，000個節(jié)點。在所提出的系統(tǒng)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括以下3種類型的設(shè)備（節(jié)點）：1）zigbee協(xié)調(diào)節(jié)點：用于啟動和控制網(wǎng)絡(luò)并存儲網(wǎng)絡(luò)信息；2）ZigBee路由器節(jié)點：用于擴展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，實現(xiàn)動態(tài)路由，防止網(wǎng)絡(luò)干擾和設(shè)備故障；3）ZigBee終端節(jié)點：用于收集環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖4 綠色機房的多級智能溫度調(diào)節(jié)策略Fig.4 Multilevel smart temperature adjustment strategy for green DCs

ZigBee支持星形拓撲、樹形拓撲和網(wǎng)格拓撲。如圖5所示，本文部署了一個混合星型拓撲。當機房區(qū)域較小，終端和協(xié)調(diào)器之間幾乎沒有障礙物時，星型拓撲是適用的；而當機房面積較大，且超過ZigBee節(jié)點之間的最大傳輸距離（一般為100 m）或終端與協(xié)調(diào)器之間存在多個服務(wù)器機架時，則需要采用支持多跳傳輸?shù)臉湫瓮負浣Y(jié)構(gòu)的配置。

3.3 環(huán)境監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

環(huán)境監(jiān)測節(jié)點必須同傳感器集成以收集復雜的環(huán)境數(shù)據(jù)。在提出的方案中，采用TI生產(chǎn)的CC2530 SoC芯片用作傳感器節(jié)點的控制芯片，集成了256 kB的內(nèi)存，8 kB的RAM和1個高性能射頻收發(fā)器，并支持3種類型的電源模式。CC2530內(nèi)置溫度傳感器，但其精度不足。因此，將SHT1X溫濕度傳感器集成在傳感器節(jié)點上，其具有可靠性高，穩(wěn)定性好，響應速度快以及抗干擾能力強等優(yōu)點。圖6為環(huán)境監(jiān)測節(jié)點的設(shè)計。

圖5 數(shù)據(jù)中心傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.5 Topological structure of the data center sensor network

圖6 數(shù)據(jù)中心環(huán)境監(jiān)控節(jié)點Fig.6 Data center environment monitoring node

3.4 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

ZigBee網(wǎng)關(guān)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)之間的橋梁，除了ZigBee之外，其還支持各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。如圖7所示，網(wǎng)關(guān)由硬件層、軟件層和應用層組成。硬件層包括網(wǎng)關(guān)微處理器、通信模塊、轉(zhuǎn)換接口等；軟件層包括嵌入式操作系統(tǒng)、協(xié)議棧和協(xié)議轉(zhuǎn)換組件；應用層則為上層應用程序提供運行時間。

圖7 zigbee網(wǎng)關(guān)框架Fig.7 Zigbee gateway framework

4 實驗與評估

4.1 測試和評估環(huán)境

本文將提出的系統(tǒng)的可行性在小機房中進行驗證。機房的基本信息如表1所示，圖8為多級智能空調(diào)系統(tǒng)的實際部署情況。文中針對中小型企業(yè)的機房溫控系統(tǒng)進行部署，包括所設(shè)計的ZigBee節(jié)點和云端控制系統(tǒng)。

表1 機房的基本信息Tab.1 Basic information of data center

圖8 物聯(lián)網(wǎng)多級智能空調(diào)系統(tǒng)的實際部署效果Fig.8 Actual deployment effect of the multilevel intelligent air conditioning system

4.2 實驗

為了演示該機房中傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，并可視化感知數(shù)據(jù)，本設(shè)計在Android平臺上開發(fā)了移動應用程序。針對機房的監(jiān)控測試過程，如圖9所示。當自然環(huán)境溫度明顯低于計算機中心時，系統(tǒng)會自動關(guān)閉一部分空調(diào)，并打開計算機中心與自然環(huán)境之間的通風系統(tǒng)，將冷空氣引入機房節(jié)能冷卻。此時剛開始機房溫度會稍有上升，但仍在允許的溫度范圍內(nèi)，這是因為冷空氣沒有及時進入機房。從第27個采樣時間點開始，溫度趨于穩(wěn)定。由此可知，在天然冷氣輔助下，能夠以較低的能量消耗來控制溫度。在圖9所示的監(jiān)測過程中，操作維護中心和計算機中心之間的溫度差未超過閾值，因此其之間的通風系統(tǒng)并未打開。

為進一步驗證，本文統(tǒng)計分析了1個月內(nèi)所有各部的用電量。測試方案中的機房位于一個晝夜溫差較大的區(qū)域，計算機中心和自然環(huán)境之間的通風系統(tǒng)在夜間會自動開啟，而機房中的一些空調(diào)將會被關(guān)閉。在白天，若計算機中心與自然環(huán)境之間的溫差小于閾值，則通風系統(tǒng)將被關(guān)閉，空調(diào)將被打開。如圖10所示，在多級智能溫控系統(tǒng)的協(xié)助下，空調(diào)系統(tǒng)占總功耗的百分比降低了10%。

圖9 數(shù)據(jù)中心溫度調(diào)節(jié)Fig.9 Data center temperature regulation

圖10 空調(diào)系統(tǒng)占數(shù)據(jù)中心總功耗的百分比Fig.10 Percentage of the air conditioning system accounting for the total power consumption in the data center

5 結(jié)語

本文針對當前機房設(shè)計方案中所遇到的能耗過高問題，提出了結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感器的綠色機房溫度控制系統(tǒng)。文中詳細介紹了系統(tǒng)中每個組件的具體功能，并將所設(shè)計的方案集合實現(xiàn)，對中小型企業(yè)的機房進行實際測試?；趯嶋H部署的實驗結(jié)果驗證了，所提出的方案可有效降低10%的能耗，且保障了機房的冷卻效果達到要求。本文設(shè)計的方案在小型機房中得到了驗證，通過物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進行環(huán)境監(jiān)控，并采用大數(shù)據(jù)云計算平臺進行智能判斷。未來的工作中，還將會結(jié)合云計算，針對分布式機房組進行的全局的調(diào)控與優(yōu)化，以期進一步降低能耗。

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Research on Intelligent Temperature Control Based on Internet of Things

ZHANG Chengting，WANG Wenjuan
（Zhejiang Tobacco Industry Co.，Ltd.，Ningbo 315040，Zhejiang，China）

As the global energy shortage intensifies，energy efficiency is one of the most important considerations for data centers.In this paper，a green data center air conditioning system，which is composed of cloud technology，is proposed.It consists of two subsystems:data center air conditioning system and cloud management platform.The data center air conditioning system includes environmental monitoring，air conditioning，ventilation and temperature control，while the cloud platform provides data storage and analysis to support upper-level applications.In addition，this paper discusses the temperature control of the scheduling algorithm，the sensor network topology and environmental monitoring node framework of the detailed design and implementation.The proposed system is verified with the feasibility assessment，and the results suggest that it is able to significantly reduce the energy consumption of the data center without reducing the cooling performance.

energy saving;air conditioning;ZigBee;cloud computing;Internet of Things

隨著全球能源短缺進一步加劇，能源效率是數(shù)據(jù)中心最重要的考慮因素之一。文中提出了由云技術(shù)輔助的綠色數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)和云管理平臺2個子系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)包括環(huán)境監(jiān)測、空調(diào)、通風和溫度控制，而云平臺提供數(shù)據(jù)存儲與分析，用以支持上層應用。討論了溫度控制的調(diào)度算法，傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和環(huán)境監(jiān)測節(jié)點框架的詳細設(shè)計和實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，使用可行性評估來驗證所提出的系統(tǒng)可以顯著降低數(shù)據(jù)中心的能耗，且不影響冷卻性能。

節(jié)能；空調(diào)；ZigBee；云計算；物聯(lián)網(wǎng)

1674-3814（2017）09-0072-06

TM623

A

國家自然科學基金（61033004）。

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

2017-06-22。

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

王文娟（1987—），女，碩士，工程師，研究方向為計算機應用、軟件工程。

（編輯 張曉娟）