基于STM32 的數(shù)據(jù)中心暖通空調自動控制系統(tǒng)設計

林敏鑫

（深圳市深藍電子股份有限公司 廣東省深圳市 518034）

當前世界在大數(shù)據(jù)、云計算高速發(fā)展的背景下，數(shù)據(jù)中心呈現(xiàn)出規(guī)模化發(fā)展，如此所帶來的能耗問題越發(fā)突出，其中空調系統(tǒng)能耗約占整個數(shù)據(jù)機房能耗40%左右。因此在設計中如何提高空調系統(tǒng)運行效率，降低能耗數(shù)據(jù)中心的設計、建設與運行，這是新時期建設內容的重點，基于STM32 的暖通空調自動控制系統(tǒng)設計能對整個室內空間采暖實現(xiàn)控制，達到降低能耗與智能控制目的。

1 數(shù)據(jù)中心暖通空調研究背景

近年來我國互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，國家政策支持大數(shù)據(jù)與云計算，互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)基礎設施以前所未有的建設速度不斷發(fā)展。數(shù)據(jù)中心有大量設施與設備，數(shù)據(jù)中心IT 設備運行會散發(fā)大量熱，因此數(shù)據(jù)中心安全可靠的制冷系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心服務正常的重要保障。數(shù)據(jù)中心根據(jù)不同地理位置選擇不同制冷方案，借助自動控制系統(tǒng)，能減少數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)運行能耗，減少人力成本的同時提高管理水平，也可以推動空調系統(tǒng)技術發(fā)展。數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)一旦存在故障，機房內溫度不斷上升，嚴重影響IT 設備正常運行而威脅數(shù)據(jù)中心的安全，給數(shù)據(jù)中心帶來巨大損失。因此借助自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對空調設備的集中控制、自動監(jiān)控、自動故障處理，從而避免人工操作的不確定性，保障空調制冷合理。根據(jù)2015 年《關于印發(fā)國家綠色數(shù)據(jù)中心試點工作方案的通知》文件的出臺，我國關于數(shù)據(jù)中心的PUE（Power Usage Effectiveness） 仍舊大于2.2，PUE 為數(shù)據(jù)中心能源效率指標，低于世界水平，節(jié)能潛力巨大。數(shù)據(jù)中心投入使用之后是空調控制系統(tǒng)優(yōu)劣影響到數(shù)據(jù)中心能耗水平。傳統(tǒng)人工控制運維人員技術水平低下，責任心不強，導致空調系統(tǒng)能源效率低下，只有采取高效節(jié)能自動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對中央空調系統(tǒng)的管理，能提高空調運行水平降低蘇韓劇中心的PUE。

2 數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)介紹與控制需求

2.1 空調系統(tǒng)

空調系統(tǒng)是以各種設備以組合方式對建筑物進行集中供冷或者是供熱的系統(tǒng)，由冷熱源系統(tǒng)、冷媒輸送系統(tǒng)、空氣分布系統(tǒng)來組成。在實際設計中這部分系統(tǒng)均是進行獨立設計、控制方案的選擇。冷源系統(tǒng)與冷媒輸送系統(tǒng)在新時期呈現(xiàn)出多樣化形式，根據(jù)冷機、水泵組合方式，由并串聯(lián)、串并聯(lián)形式，而根據(jù)冷機選擇冷量的形式呈現(xiàn)出多種形式。

冷機是組合裝置，是壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥等組合為一體的裝置，冷機時候空調系統(tǒng)的核心設備，在投資初期占據(jù)極大份額，后期占據(jù)巨大能耗。根據(jù)壓縮制冷形式的不同，冷機可以分為離心式、螺旋式、活塞式等。水泵是中央空調主要的動力設備，包含冷凍泵與冷卻泵。冷卻塔主要促進水與空氣的換熱，按照空氣與水的流動方向，分為逆流式、橫流式、混流式冷卻塔，冷卻塔主要由風機、電機、播水系統(tǒng)、散熱材、塔體組成。冷卻閥門與冷卻塔閥門主要控制水路通斷，一般為電動蝶閥，集成有電動執(zhí)行器與閥門，電動執(zhí)行器根據(jù)電源信號來開啟與關閉操作。

一般空調系統(tǒng)由設計院設計操作，各設備按照建筑物最大負荷來選擇，預留出足夠余量，整體上來看節(jié)能潛力巨大。

2.2 數(shù)據(jù)中心空調控制特征

當前互聯(lián)網(wǎng)、云計算中心與大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度加快，數(shù)據(jù)中心建設呈現(xiàn)出大規(guī)?；?，隨之產(chǎn)生高能耗也受到了人們的廣泛關注。數(shù)據(jù)中心耗能主要由信息設備、空調系統(tǒng)、電源系統(tǒng)三部分組成。在數(shù)據(jù)構成中信息設備能耗約占整個數(shù)據(jù)中心能耗的45%；空調系統(tǒng)能耗約占整個數(shù)據(jù)中心能耗40%，電源系統(tǒng)能耗約占數(shù)據(jù)中心的10%。 數(shù)據(jù)中心建設規(guī)模不斷擴大，系統(tǒng)的自動控制成為趨勢的，越來越多數(shù)據(jù)中心重視自動控制系統(tǒng)的設計。自動控制系統(tǒng)設計要點有：

（1）現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心具有高能耗、高集成度、高熱密度、高保障的要求，在設計中需要充分結合現(xiàn)代模擬手段，對數(shù)據(jù)中心房間內氣流組織進行詳細模擬，讓機房區(qū)域內的溫濕度控制在合理范圍之內。

（2）數(shù)據(jù)中心機房對清潔度有要求，在設計中需要盡量將數(shù)據(jù)中心設置在建筑物中心位置，避免室外空氣滲透進入機房區(qū)域內，選擇密閉性良好的窗戶。在窗戶上設置在遮陽措施，減少窗戶輻射熱。

（3）在設計中由于數(shù)據(jù)中心全年不間斷運行，能設置熱回收冷水機組，為整個建筑提供良好的供熱環(huán)境，減少鍋爐使用范圍降低碳排放量，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

2.3 空調自動控制需求

根據(jù)GB/T50155-2015《采暖通風與空調節(jié)術語標準》對空調自動控制定義為：“利用控制裝置模仿人或者代替人去對設備、系統(tǒng)、生產(chǎn)過程進行操作。”要實現(xiàn)這兩點，就要滿足兩個基本要求：無人參與、實現(xiàn)控制目標。因此自動控制要求如下：

（1）設備運行安全穩(wěn)定，空調系統(tǒng)運行中對設備操作不當容易出現(xiàn)損壞故障，帶來經(jīng)濟損失。設備運行在安全范圍之內是自動控制系統(tǒng)最基本要求，需要針對設備的連鎖啟停控制來合理設置，以及處理運行中存在異?，F(xiàn)象。

（2）正確的故障處理方式，系統(tǒng)運行中難免出現(xiàn)故障，出現(xiàn)故障之后能夠自動處理是全自動控制系統(tǒng)的基本要求。

（3）具備節(jié)能性， 空調系統(tǒng)需要控制量非常多，系統(tǒng)復雜，難以從理論模型上找到最優(yōu)控制策略。因此在選擇控制策略的時候要從系統(tǒng)整體把控，考慮設備之間的相互影響，選擇最節(jié)能的策略。

（4）監(jiān)控界面，監(jiān)控界面確保人機交互合理，在系統(tǒng)運行期間內不僅僅要監(jiān)控設備運行狀態(tài)，還要對設備運行參數(shù)、報警情況、日志記錄等進行監(jiān)視、操作，全方面提高監(jiān)控界面管理水平。

（5）合理設置參數(shù)，比如加機溫度、冷卻塔啟動溫度、開機時間等均與環(huán)境相關，對這些參數(shù)進行靈活設置，可以滿足在不同環(huán)境下的運行。

（6）詳細系統(tǒng)日志是檔案資料的一部分，不僅僅有利于維護管理，也有利于系統(tǒng)的優(yōu)化改進。

數(shù)據(jù)中心的功能與特征決定了數(shù)據(jù)中心對空調系統(tǒng)有一定的特殊性，需要滿足以下要求：

（1）有限保障末端供冷；

（2）提供緊急供冷措施；

（3）操作界面簡單操作速度快；

（4）合理的報警功能。

3 基于STM32的調控系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)軟件總體設計

該設計主要以單片機最小系統(tǒng)模塊、溫濕度采集、顯示模塊、鍵盤模塊、報警模塊構成，STM32 單片機作為核心處理器，主要完成功能有：對數(shù)據(jù)中心溫度實時檢測、可按照指令改變控制參數(shù)、將檢測溫度顯示出來。以STM32單片機最小系統(tǒng)作為核心控制電路，傳感器采集溫濕度作為STM32 單片機輸入內容，而電機驅動模塊、液晶顯示屏、按鍵模塊作為STM32 的輸出。選擇溫度傳感器，以DS18B20，該傳感器由數(shù)字溫度傳感器、內置模數(shù)轉換，能夠直接與單片機相連接。液晶顯示也可以直接與單片機相連。通過傳感器采集室內溫濕度，單片機將數(shù)據(jù)處理之后發(fā)送到液晶顯示器中，顯示內容為所測的實際溫度與設定溫度上下限。鍵盤設置溫度閾值，假設所采集溫度不再設置的閾值范圍之內，則STM32 發(fā)送指令控制電機驅動模塊，讓電機正常工作，實現(xiàn)室內控制。按照系統(tǒng)功能要求，在保障空調功能基礎上需要盡可能降低成本，圍繞上述思想，初步方案設計如下：

（1）選擇STM32F103RCT6 單片機，該單片機有144 個引腳，為32 微處理器M3 內核，最大時鐘頻率為72MHz，處理速度快且效率高，內部有8 個定時器，能夠輸出4 路PWM 波，內部有多路AD、DA 等，配置接口有SPI、I2C 接口等等，內部資源豐富，作為處理器極為方便。該單片機價格較為便宜，可以作為空調的主控器。

（2）數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該傳感器數(shù)據(jù)供電方式是以寄生電源方式，對數(shù)據(jù)中心電源不會造成影響，電壓適應范圍較快，與單片機連接的時候僅僅需要一根線就可以實現(xiàn)連接，滿足雙向通信需要。該傳感器單線接口方式十分特殊，同時也非常方便，可以將多個傳感器并聯(lián)，能實現(xiàn)組網(wǎng)的多點測溫功能。全部傳感器檢測元件和轉換電路宛如三極管集成在電路之內，在使用的時候不需要外圍元件，測溫范圍為-55℃～+122℃之間，-10℃～+85℃的精度為±0.5℃之間，有9～12 為可編程分辨率，相對可分辨溫度依次為0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃，能夠實現(xiàn)高精度測溫。9位數(shù)分辨率最大可以在93.75毫秒之內將溫度轉換為數(shù)字，速度非常快，能直接將所測量的數(shù)字溫度信號結果傳輸?shù)紺RC 校驗碼，以串行的方式傳輸給CPU，具備極強的抗干擾能力與糾錯能力。在電源極性接反的時候芯片不會因為發(fā)熱燒毀，但是也無法正常工作。

3.2 系統(tǒng)硬件設計

硬件部分主要包括溫度采集、單片機STM32 模塊、電機驅動模塊、按鍵模塊、顯示模塊。

3.2.1 控制模塊

該模塊主要是完成單片機發(fā)出的升溫、降溫操作。STM32F103RCT6 單片機作為CPU，DS18B20 采集溫度直接輸出數(shù)字信號，后單片機處理執(zhí)行系統(tǒng)。溫度高于溫度上限值，STM32F103RCT6 單片機向執(zhí)行電路發(fā)送降溫指令，系統(tǒng)發(fā)光二極管綠燈亮起，提供管理使用人員溫度過高，需要及時降溫，啟動風機。溫度低于設定下限的時候單片機向溫度控制執(zhí)行電路發(fā)送升溫指令，二極管紅燈亮，提供使用者溫度過低進行升溫操作。

3.2.2 STM32

STM32 單片機系列具備高性能、低成本、低功耗的嵌入式芯片，作為專門的ARM Cortex-M3 內核，按照性能可以分為增強型STM32F103 系列、基本型STM32F101 系列，增強型時鐘頻率達到72MHz，是這一系列產(chǎn)品中頻率是最高的；基本型頻率為36MHz，因此使用16 位產(chǎn)品一樣的價格能夠得到比16 位產(chǎn)品更大的性能，是最好的選擇。兩個系列中不同的是SRAM 的最終容量與外設接口組合。將STM32F103RCT6 單片機作為處理器，有32 位處理器，內核Cortex-M3，為并行總線結構，嵌套中斷向量控制單元，調式系統(tǒng)與標準的存儲映射。在Cortex-M3 處理器中嵌套終端控制器比較關鍵，為Cortex-M3 的為控制提供了標準的終端架構、中斷響應能力，為超過240 個中斷源提供中斷入口，能夠為每一個中斷源賦予單獨優(yōu)先級。使用NVIC即可達到極快的響應速度，在收到中斷請求到執(zhí)行中斷服務，一個指令只需要12 個周期，相應速度非?？?。這種影響速度一方面是因為Cortex-M3 具備極強的自動處理機制，在CPU 內部通過微代碼實現(xiàn)，另一方面中斷請求連續(xù)出現(xiàn)之后，NVIC 使用“尾鏈”技術來持續(xù)服務，避免中斷對系統(tǒng)造成干擾。中斷壓棧階段，更高階的中斷可以不耗費任何額外CPU 周期就可以完成嵌入低優(yōu)先級中后段的動作。Cortex-M3 的CPU 支持兩種運作模式，分別是線程模式與處理模式，這兩種模式均有獨立堆棧，這種特性讓設計人員的設計更精密，操作更精準。Cortex-M3 包含24 位可自動重裝載定的定時器，能夠為內核提供中斷周期。

因此STM32 的優(yōu)勢在于：有先進Cortex-M3 內核作為支持，同時具備實時控制性能、出色的功率控制；出眾和創(chuàng)新外設、最大程度的集成整合、容易開發(fā)，能夠快速進入市場。系統(tǒng)設計之前，準備好STM32F103RCT6 單片機、JTAG/SWD 調試下載口、藍色電源指示燈、紅色與綠色狀態(tài)指示燈、紅外接收頭、IIC 接口的EEPROM 芯片（24C02，容量256 字節(jié)）、SPIFLASH 芯片、DS18B20 溫度傳感器預留接口、標準液晶屏接口、OLED 模塊接口、USB SLAVE 接口、SD 卡接口、PS/2 接口、5V 電源供應接入口、電源接入口、無線通信接入口、復位按鍵、電源開關。

3.3 最小系統(tǒng)設計

單片機正常工作需要電源電路提供電源，震蕩電路產(chǎn)生時鐘周期，加上復位電路可以讓系統(tǒng)工作。震蕩電路使用8M 晶振，與STM32 內部鎖相環(huán)進行倍頻變成72MHz 頻率，因此該電路組成有晶振、電容、電阻組成。OSDIN、OSDOUT 是STM32 的外部引腳，震蕩電路產(chǎn)生時鐘從引腳位置輸入作為處理器時鐘源。

STM32 是低電平復位，每次上電都會復位依次，因此系統(tǒng)接入電源之后在默認情況下設置為高電平，此時施工系統(tǒng)可以正常工作。

3.4 溫度采集

傳感器具備功能有：

（1）有獨特單線接口方式，與單片機通過I/O 單線連接，一根線路可以連接多個DS18B20；

（2）每一個DS18B20 都有序列號，根據(jù)序列號訪問不同器件，序列號不可更改；

（3）低壓供電，供電范圍為3～5V，使用本地供電即可，也可以通過寄生電源的方式供電。

（4）-10℃～+85℃范圍內的精度為±0.5℃；

（5）用戶可以根據(jù)自己的設定來設置報警上下限溫度；

（6）轉換12 位溫度信號的時間為750 毫秒，可編輯數(shù)據(jù)有9～12 位。

（7）DS18B20 的分辨率為9～12 位，用戶可以完成設置。

（8）DS18B20 可以將檢測到的模擬溫度轉化為數(shù)字，以串行方式發(fā)送給單片機。

在使用DS18B20 的過程中，具備連接方便、測溫簡單、占用線路少且測溫精度高等優(yōu)勢，實際運用中需要注意兩個要點：第一，測溫結束到信號轉換之間需要一定的時間，這一段時間需要合理保證，避免出現(xiàn)轉換錯誤；第二，電源電壓要保持在5V 左右，倘若電壓過低，會降低測溫精度。

DS18B20 與STM32 的連接電路有兩種方式，一種是寄生電源供電形式，此時單片機端口是單總線，寄生電源供電中DS18B20 的引腳必須接地；另外一種是電源供電接線形式。

3.5 顯示模塊

顯示模塊選擇TFTLCD 液晶顯示器，顯示所測量的實時溫度與設定溫度上下限。TFTLCD 顯示器是人機交互的重要界面，進入新時期之后顯示器 種類增多，薄膜液晶體管液晶顯示器有反應速度快、可視角度大、無輻射的危險與優(yōu)勢。TFTLCD 顯示器有熒光管、濾光板、偏光板、液晶材料、晶體管等組成。ALI ENTEK TFTLCD 使用16 位并聯(lián)方式與外部電路相連接，不使用8 位是因為8 位數(shù)據(jù)線比16 位速度慢一些，16 位速度極快，可以滿足需求。

3.6 按鍵模塊

按鍵模塊主要是設置上下限溫度的設置與電路復位，單片機系統(tǒng)中除了復位按鍵有專門的復位電路之外，其他按鍵均使用開關狀態(tài)來設置控制功能、輸入數(shù)據(jù)。本次設計了四個按鍵配合界面，可以對相關參數(shù)來進行，不同運行方式能夠靈活切換。

3.7 其他

單片機STM32F 103RCT6 使用3.3V 供電，使用正常的AMS1117-3.3V 電源芯片即可。風機模塊，當系統(tǒng)檢測到實際溫度高于設定溫度值的時候，單片機需要進行降溫操作。使用L298N 與單片機相連接，從而控制風機轉動，實現(xiàn)溫度控制。

4 系統(tǒng)程序實現(xiàn)

4.1 程序實現(xiàn)設計

整個系統(tǒng)功能是由軟件程序配合硬件電路實現(xiàn)，確定硬件電路后軟件功能基本上已經(jīng)確定，基于程序編譯是STM32 的單片機編程，軟件可以有主程序與子程序，主程序是控制系統(tǒng)的核心，用于調節(jié)和處理模塊之間的關系。子程序是模塊功能的實現(xiàn)部分，程序包括溫度采集、鍵盤掃描、LCD 顯示。首先完成系統(tǒng)初始化配置，在STM32 控制器中配置寄存器與I/O 口，建立起系統(tǒng)任務，在啟動任務中初始化傳感器等配置，編寫用戶程序。用戶程序設計如下：將傳感器讀到的數(shù)據(jù)通過STM32 輸入捕獲模式，得到測溫數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絋FTLCD 顯示屏，顯示所測溫度。首先判斷按鍵是否按下，如果尚未按鍵就返回按鍵掃描，進一步判斷所測量數(shù)據(jù)溫度是否在系統(tǒng)所設置的范圍之內，如果沒有達到房間內設定的閾值范圍，則啟動電機驅動模塊啟動電機，通過熱冷空氣對流來平衡溫差，直到室內空氣溫度達到室內溫度所設定閾值，最后結束程序。

溫度采集程序主要是驅動溫度傳感器工作，通過I/O 口向STM32 寫入數(shù)據(jù)，由LCD 顯示。首先I/O 口初始化，復位DS18B20 讓其恢復到初始程序，等待傳感器相應。傳感器將溫度數(shù)據(jù)轉化，寫入單片機中，結束子程序。

液晶顯示器顯示當前所采集的數(shù)據(jù)，子程序設計如下：LCD 初始化之后，對TFTLCD 配置寄存器，寫入函數(shù)、指令、坐標位置、顯示方向與顯示顏色等，在啟動LCD 的時候初始化寄存器配置，通過單片機向LCD 寫數(shù)據(jù)，LCD 寄存器讀出顯示字符結束子程序。

按鍵子程序利用鍵盤設置溫度閾值，設計如下：按鍵I/O 口初始化后配置單片機I/O 口，調用按鍵掃描函數(shù)，有按鍵按下就執(zhí)行指令，結束按鍵程序。按鍵在使用過程中存在抖動現(xiàn)象，為避免抖動現(xiàn)象，在檢測到有按鍵按下的時候，執(zhí)行10ms 的延時程序，確認按鍵平臺是否處于閉合狀態(tài)。如果保持閉合狀態(tài)電平，則確認是真正的按鍵狀態(tài)，能夠消除抖動影響。

4.2 系統(tǒng)調試

系統(tǒng)調試可以使用排除法、替換法找到問題，通過分析現(xiàn)象解決問題，因此調試過程是從局部到整體的過程，由硬件到軟件再到軟硬件聯(lián)合調試的過程，在將模塊放置在數(shù)據(jù)中心空調系統(tǒng)中，確保其可以正常工作。調試工作可以發(fā)現(xiàn)問題與解決問題，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定與高效率工作。首先進行硬件調試，可以借助proteus、 multisim 將電路等進行仿真，在電路板上進行焊接 ，完成后檢查電路連接是否正確，確保達到指標之后，檢查焊點的導通情況，注意正負極的連接。連接正常接通電源，檢測各模板電壓，用手觸摸模塊，檢查是否存在異常發(fā)熱現(xiàn)象。其次軟件調試，將模塊程序與硬件結合，調試驗證系統(tǒng)功能，確保無異常之后，將所有模塊集中在一起，通過調試讓其正常工作，滿足設計實現(xiàn)功能。

5 結語

綜上，數(shù)據(jù)中心空調自動控制的實現(xiàn)在深入研究中，應加入PLC 控制體系，提升自控性能。本文基于STM32 單片機的溫度控制，對新時期的空調系統(tǒng)模塊達到節(jié)能降耗、實現(xiàn)智能控制打造了良好基礎。將其作為研究方向，必將廣泛運用在人們日常生活中，提高溫控的自動化水平。