通信機(jī)房分體空調(diào)智慧節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

磨俊儒 陳洪威 楊凱

摘要：針對通信機(jī)樓和接入局房的分體空調(diào)，通過采用先進(jìn)的傳感設(shè)備、控制設(shè)備等智能硬件，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、IT 技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了分體空調(diào)的遠(yuǎn)程監(jiān)測、運(yùn)行情況分析和節(jié)能管控。管理者可通過遠(yuǎn)程設(shè)定溫度控制范圍、時(shí)間等變量，有效地控制分體空調(diào)的合理運(yùn)轉(zhuǎn)，既能快速便利的對海量分體空調(diào)進(jìn)行管控，又能保持機(jī)房處于合理的環(huán)境溫度，減少了能耗的浪費(fèi)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了分體空調(diào)能耗的遠(yuǎn)程統(tǒng)計(jì)和能源費(fèi)的核算，大幅降低了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的難度。為通信機(jī)房分體空調(diào)能耗統(tǒng)計(jì)、能耗管理以及節(jié)能運(yùn)行提供了一個可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：通信機(jī)房;空調(diào);物聯(lián)網(wǎng);節(jié)能

中圖分類號：TP311.5???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0196-05

Design and Implementation of Intelligent Eenergy Saving System for Separation Air Conditioner in Telecom Room

Mo Junru ，Chen Hongwei ，Yang Kai

（China Telecom Guangzhou Branch， Guangzhou 510630， China）

Abstract： For the split air conditioner in the communication machine building and access office room， the remote monitoring， operation analysis and energy-saving management and control of the split air conditioner were realized by using advanced sensing equipment， control equipment and other intelligent hardware， combined with internet of things technology， IT technology and data analysis technology. The manager can effectively control the reasonable operation of the split air conditioner by remotely setting the temperature control range， time and other variables， which can not only quickly and conveniently control the massive split air conditioner， but also keep the machine room at a reasonable ambient temperature and reduce the waste of energy consumption. The remote statistics of energy consumption and energy cost accounting of split air conditioning were realized， which greatly reduced the difficulty of data statistics. It provides a feasible solution for energy consumption statistics， energy consumption management and energy-saving operation of split air conditioning in communication room.????? Key words： communication room; air conditioning; internet of things; energy saving

0 引言

隨著信息化演變，各種信息系統(tǒng)的部署與應(yīng)用，作為信息承載的主體—通信機(jī)房的管理變得越來越重要，一方面工作量越來越大，另一方面對機(jī)房的安全性、可用性和運(yùn)營管理要求越來越高。但由于通信機(jī)房普遍建設(shè)年限較久，規(guī)劃不統(tǒng)一、落后，在基礎(chǔ)設(shè)施等各方面的制約越來越大，亟需通過數(shù)字化轉(zhuǎn)型提升機(jī)房運(yùn)營管理效率和效益，保障機(jī)房安全穩(wěn)定運(yùn)行。

三大運(yùn)營商擁有大量的通信機(jī)房，機(jī)房星羅密布，規(guī)模大小不一、分散，機(jī)房巡檢壓力大，人力成本高。通信機(jī)房內(nèi)有海量分體空調(diào)，日常的維護(hù)和調(diào)度需要耗費(fèi)大量的人力物力，運(yùn)營效益較低下，動力維護(hù)人員缺口巨大。因此，通過新技術(shù)解決通信機(jī)房空調(diào)管理的問題成了首要任務(wù)。

國內(nèi)外對機(jī)房和設(shè)備的智能控制做了大量研究。大連理工大學(xué)的王超[1]通過 Zigbee技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)房溫濕度控制系統(tǒng)。云南省軍區(qū)的謝敬銳等[2]通過紅外要求實(shí)現(xiàn)樓宇空調(diào)集中控制。天津大學(xué)的李鋒[3]通過深度學(xué)習(xí)算法，設(shè)計(jì)出智能家居控制系統(tǒng)。廈門華夏學(xué)院的林東旭等[4]通過窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出空調(diào)控制平臺。西南科技大學(xué)的何紅明[5]通過 PLC控制實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)的控制。沈陽航空航天大學(xué)的郭昱慧[6]通過 Zigbee完成了智能家居系統(tǒng)的實(shí)際和實(shí)現(xiàn)。青島理工大學(xué)的賴金萍等[7]設(shè)計(jì)了一種基于無線通信的空調(diào)環(huán)境控制系統(tǒng)。北京建筑大學(xué)的于丹等[8]通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套適用于酒店空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能系統(tǒng)。甘肅建投智能工程有限公司的范彥平[9]結(jié)合建筑工程的分體空調(diào)使用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了分體空調(diào)智慧管理系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到實(shí)踐中。中國電信股份有限公司深圳分公司的王田豐等[10]通過管理平臺的自主調(diào)控功能實(shí)現(xiàn)節(jié)能，管理者遠(yuǎn)程調(diào)控設(shè)備定時(shí)和變量，有效地控制空調(diào)合理使用，為能源消耗定額管理、節(jié)能目標(biāo)定量化提供了切實(shí)可行的手段。廣西人民廣播電臺的楊勇[11]，利用 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和 VB6.0可視化編程的優(yōu)勢開發(fā)分體空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司的瞿端人[12]通過對空調(diào)系統(tǒng)改造技術(shù)要點(diǎn)的研究，提出冷水機(jī)組組合控制方法以及變頻技術(shù)常用方法與適用性，并通過改造實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。

本文通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能控制，實(shí)現(xiàn)通信機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施智能節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。并對實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行了記錄和分析，闡明了該系統(tǒng)在通信機(jī)房分體空調(diào)管理和節(jié)能方面存在顯著價(jià)值，值得廣泛推廣和繼續(xù)深入研究。

1 存在問題分析

基站及機(jī)房空調(diào)能耗高，缺乏在線監(jiān)控手段，大量分體空調(diào)缺乏遠(yuǎn)程或統(tǒng)一控制手段。造成了空調(diào)能耗高，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1） 溫度設(shè)定混亂?，F(xiàn)實(shí)機(jī)房管理中，最理想狀態(tài)為根據(jù)機(jī)房實(shí)際需求設(shè)定制冷溫度，根據(jù)長期運(yùn)行的觀察，機(jī)房溫度設(shè)定非?；靵y，一般從18～25℃各種設(shè)定情況都有，主要運(yùn)行在21℃左右。

（2） 管理沒有抓手。接入間的大量分體空調(diào)在低溫、高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，能耗浪費(fèi)十分嚴(yán)重。接入間有大量的巡檢和工程人員進(jìn)入，由于需要一個舒適的環(huán)境，經(jīng)常將空調(diào)制冷溫度調(diào)低到18℃或以下，當(dāng)人員離場后往往不會進(jìn)行溫度復(fù)原，空調(diào)長期運(yùn)行在18℃左右。

（3） 設(shè)備壽命縮短。由于以上兩種情況，空調(diào)在低溫、大負(fù)荷狀態(tài)下長期運(yùn)行，使用壽命嚴(yán)重縮短。

（4） 運(yùn)營成本增加。分體空調(diào)大負(fù)荷、不間斷地使用空調(diào)，維護(hù)費(fèi)用將成倍增加，電費(fèi)更是大幅度地增加。

（5）人力資源成本浪費(fèi)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，冬季有接近1000臺空調(diào)可以關(guān)停，但分布在近2000個接入間總，每年關(guān)停兩次空調(diào)需要接近2個多月的時(shí)間，還不一定能夠完成，既造成幾個月的用電浪費(fèi)，又造成大量維護(hù)人力成本的浪費(fèi)。

2 解決方案

2.1 概念介紹及設(shè)計(jì)要求

物聯(lián)網(wǎng)的基本框架分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3層結(jié)構(gòu)。其中感知層負(fù)責(zé)溫度、濕度、電流等物理數(shù)據(jù)的采集，為架構(gòu)的最底層;網(wǎng)絡(luò)層作為中間層，主要功能是將感知層采集到的物理數(shù)據(jù)信息傳輸給應(yīng)用層;而應(yīng)用層是架構(gòu)的最高層，它主要用于對接收到的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并通過發(fā)出信號對末端進(jìn)行控制[1]。

本系統(tǒng)由采集控制單元、數(shù)據(jù)傳輸單元、電源、控制平臺等構(gòu)成。通過“智能硬件（采集）+智能算法”，實(shí)現(xiàn)機(jī)房智能化空調(diào)節(jié)能管控，包括機(jī)房溫度采集分析、結(jié)合溫控策略算法，遠(yuǎn)程自動啟?？照{(diào)。同時(shí)通過 AI 算法實(shí)現(xiàn)海量分體空調(diào)的節(jié)能。

2.2 工作原理

通過無線溫感器識別溫度上升/下降兩種不同變化方向，為空調(diào)啟停設(shè)置溫控上下限窗口值。當(dāng)溫度上升至窗口上限（如32℃）時(shí)啟動空調(diào)，當(dāng)溫度下降至窗口下限（如30℃）時(shí)關(guān)斷空調(diào)，避免因機(jī)房環(huán)境溫度波動而造成空調(diào)頻繁啟停，從而達(dá)到“按需供冷”的目的，節(jié)省空調(diào)無效能耗。如圖1所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

通信機(jī)房分體空調(diào)智慧節(jié)能系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)：感知層通過無線溫度傳感器檢測室內(nèi)溫度，通過無線電流監(jiān)測裝置監(jiān)測空調(diào)的電流;網(wǎng)絡(luò)層采用 TCP協(xié)議和5G/4G/NB網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給應(yīng)用層，即空調(diào)智慧節(jié)能控制平臺;平臺進(jìn)行溫度、運(yùn)行情況、運(yùn)行時(shí)間等多種參數(shù)的比對，并根據(jù)比對結(jié)果控制空調(diào)的整體運(yùn)行。

集合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，以“降本增效”為建設(shè)核心理念，創(chuàng)新性實(shí)現(xiàn)對機(jī)房空調(diào)運(yùn)維節(jié)能管控。在保障網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備安全的前提下，自動關(guān)斷無效能耗場景下設(shè)備的電源供給，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。本方案已在多個省市開展應(yīng)用，節(jié)能效果平均達(dá)到整站能耗的20%以上。如圖2所示。

3.2 智能節(jié)電系統(tǒng)硬件部署方案

通信機(jī)房分體空調(diào)智慧節(jié)能系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)備采用 RF 433 MHz工業(yè)應(yīng)用非授權(quán)頻段的 Air? Link 無線物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù);采用無線物聯(lián)局域網(wǎng)的組網(wǎng)方案：機(jī)房獨(dú)立部署AirLink無線局域網(wǎng)，所有在機(jī)房內(nèi)的節(jié)能設(shè)備可以上電免操作自動認(rèn)證接入，現(xiàn)場施工更方便靈活，改造容易，AirLink 自組網(wǎng)協(xié)議對外開放，擴(kuò)展性強(qiáng)。

同時(shí)，智慧節(jié)能系統(tǒng)引入4G 網(wǎng)關(guān)邊緣計(jì)算：4G 網(wǎng)關(guān)接收云端服務(wù)器反饋的節(jié)能策略。通過 AirLink網(wǎng)絡(luò)采集各傳感器數(shù)據(jù)，完成節(jié)能控制開關(guān)動作，時(shí)刻保持機(jī)房空調(diào)高效運(yùn)行，節(jié)約能耗。如圖3所示。

3.3 交互界面和后臺服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

客戶端服務(wù)系統(tǒng)和后臺服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)是節(jié)能系統(tǒng)功能體現(xiàn)的關(guān)鍵部分，作用如下所述。

（1） 客戶端服務(wù)系統(tǒng)的主要作用是從云服務(wù)器中調(diào)通信機(jī)房中所有分體空調(diào)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)信息，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析和統(tǒng)計(jì)，以可視化的形式呈現(xiàn)到客戶眼前?？梢越o客戶展示空調(diào)的健康狀態(tài)、空調(diào)的故障數(shù)據(jù)、空調(diào)的電量數(shù)據(jù)等。用戶通過 pc 端或手機(jī)端可以清晰地看到分體空調(diào)的各種運(yùn)行情況。另外，可以查詢多種數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握全局分體空調(diào)的運(yùn)行情況[9]。

（2） 后臺服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)相當(dāng)于連接監(jiān)測系統(tǒng)和客戶端服務(wù)系統(tǒng)之間的紐帶，基于監(jiān)測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)信息，首先需要通過后臺服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行分析，然后才能呈現(xiàn)給客戶端服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行查詢。后臺服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)會在第一時(shí)間分析和處理監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息，對綜合機(jī)房大量分體空調(diào)進(jìn)行遠(yuǎn)程或統(tǒng)一控制，對空調(diào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程啟停、自動控溫、智慧節(jié)能及能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測，精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)等。同時(shí)實(shí)現(xiàn)全市接入機(jī)房的空調(diào)統(tǒng)一管理，平臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停、實(shí)時(shí)監(jiān)控空調(diào)的在線狀態(tài)、溫度、濕度及功率。在平臺制定節(jié)能策略，通過無線溫感器識別溫度上升/下降兩種不同變化方向，為空調(diào)啟停設(shè)置溫控上下限窗口值，達(dá)到智慧節(jié)能的效果。如圖4所示。

4 智能硬件設(shè)計(jì)

在完成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、客戶端服務(wù)系統(tǒng)和后臺服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)后，需要對智能硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，只有各項(xiàng)參數(shù)、協(xié)議與系統(tǒng)融為一體，才能實(shí)現(xiàn)通信機(jī)房分體空調(diào)智慧節(jié)能系統(tǒng)的流暢運(yùn)行。

4.1 空調(diào)節(jié)能控制器

如圖5所示。設(shè)備接線完成后自動通電;三色狀態(tài)指示燈，在不同工作狀態(tài)下呈不同顏色，在綠燈狀態(tài)下為正常狀態(tài);通訊方式為無線物聯(lián)網(wǎng)通信方式;無線頻率為 431～527 MHz;電源輸入為 AC 220 V + 10% /50～60 Hz;控制空調(diào)2臺;整機(jī)功耗小于2.5 W;尺寸為290 mm×243 mm× 86 mm;質(zhì)量小于 3 kg;工作溫度為-20～60 ℃;相對濕度為40%～95%;大氣壓力為86～106 kPa。

4.2 4G智能物聯(lián)網(wǎng)關(guān)

電源用12 V外接電源適配器或者使用空調(diào)節(jié)能控制器和基站節(jié)能控制器供電;通訊方式為4G通信、無線物聯(lián)網(wǎng)通信方式;無線頻率為431～527 MHz ;電源輸入： DC 12V+10%;整機(jī)功耗小于2W;尺寸為110mm×102mm×28 mm;質(zhì)量小于300 g;工作溫度為-20～60℃;相對濕度為40%～95%;大氣壓力為86～106 kPa 。如圖6所示。

4.3 無線溫感器

電源用12 V外接電源適配器或者使用空調(diào)節(jié)能控制器和基站節(jié)能控制器供電;通訊方式為無線物聯(lián)網(wǎng)通信方式;無線頻率為431～527 MHz ;電源輸入為 DC 12 V+10%;整機(jī)功耗小于2 W;尺寸為70 mm×76mm×35mm ;質(zhì)量小于150 g;工作溫度為-20～60℃;相對濕度為40%～95%;大氣壓力為86～106 kPa 。如圖7所示。

5 實(shí)踐及效果分析

某電信威樂珠寶機(jī)房原有1臺海霧5P精密空調(diào)，1 臺格力5P變頻空調(diào)，同時(shí)給2臺5P空調(diào)加裝空調(diào)節(jié)能管理裝置，2021-06-03至2021-06-14以普通模式和節(jié)能模式交替運(yùn)行測試（策略為空調(diào)上電溫度設(shè)置33℃，空調(diào)下電溫度設(shè)置31℃），如圖8所示。

本次測試結(jié)果顯示，空調(diào)能耗降低明顯，平均節(jié)能率達(dá)到49.35%。因此基于機(jī)房溫度指標(biāo)，通過智能控制空調(diào)啟停，能達(dá)到“按需供冷，節(jié)能”目的。

6 結(jié)束語

通信機(jī)房星羅棋布，海量分體空調(diào)的管理和節(jié)能一直是讓管理者頭痛的難題，而本文設(shè)計(jì)通信機(jī)房分體空調(diào)智慧節(jié)能系統(tǒng)就是一套適用于通信機(jī)房分體空調(diào)切實(shí)可行的節(jié)能方案。通過這套系統(tǒng)，通信機(jī)房管理者可以便捷地了解海量分體空調(diào)的運(yùn)行情況，降低管理難度;同時(shí)通過遠(yuǎn)程智能控制，讓分體空調(diào)合理運(yùn)轉(zhuǎn)，提高分體空調(diào)的節(jié)能率，延長分體空調(diào)壽命，節(jié)約了通信企業(yè)的管理和維護(hù)成本，具有推廣價(jià)值。

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第一作者簡介：磨俊儒（1988-），碩士，助理工程師，研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)、ups系統(tǒng)、通信機(jī)樓基礎(chǔ)設(shè)施等。

（編輯：王智圣）