基于AVR的機房節能換氣控制系統硬件設計

呂宏+黃釘勁+陳海濱

摘要： 針對目前基站及計算機機房的運行現狀，設計了一種以Atmega128單片機為核心的機房智能節能通風換氣控制系統，給出各模塊硬件電路的電路原理圖以及實現方法，實現了機房室內環境參數監測及設備控制。結果表明，設計的控制系統可減少機房空調的使用時間，節能效率可達到20%-50%。

Abstract: According to the operation status for base stations and computer room, a kind of energy-saving ventilation control system of room based on Atmega128 microcontroller was designed. At the same time, this paper shows the circuit diagram of each module and the hardware circuit implementation to achieve indoor environmental parameters monitoring and device control. The results show that the design of control system can reduce the useful time of the room air conditioning and energy efficiency can reach 20%-50%.

關鍵詞： 通信機房；節能；通風換氣；控制系統

Key words: telecommunication base station；energy-saving；ventilation；control system

中圖分類號：TU834.3+5 文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2014）23-0040-02

0引言

基站是無線電臺站的一種形式，通常還包括銀行等金融行業以及交通運輸、醫療衛生等大型企業的計算機機房。實際情況表明，電氣設備的長期運行發熱會導致基站、機房內溫度的升高，如果不考慮利用室外低溫對機房進行散熱降溫的有利條件，而僅僅使用空調來調整機房室內溫度，這樣會導致電能的浪費和成本的增加[1,2]。當室外空氣溫度低于室內溫度一定程度時，完全可以利用室外的自然環境冷源，將室外冷源通過相應的技術手段引入機房內，利用通風換氣的方式把機房的熱量帶走，從而可有效降低機房溫度[3,4]。據統計，空調能耗一般占通信機房能耗的20%～45%，有的甚至高達60%以上，基站空調的節能研究潛力巨大，近年來，國內對基站節能問題做了大量相關實驗和研究，也取得了顯著成果，基站節能空調有多種形式，近年來，利用自然冷源調節溫度也是基站節能的有效方式之一，在實際操作中也已經有不少成功的實例[5]。

本系統最大限度地將室外自然低溫冷源的新風空氣與通信機房內的回風空氣進行混合，然后再將混合后的低溫空氣送回機房來對室內余熱進行消除，同時，根據實際測量的機房發熱負荷變化情況調節系統進風量，保證室內溫度符合要求；同時考慮到因引入新風后機房內空氣含濕量可能降低，系統安裝濕膜加濕器結合采集數據進行分析并實現等焓加濕、降溫以及對機房內溫度、濕度的控制。這樣一來，在室外環境溫度相對較低的情況下，就可部分或全部替代空調工作，達到了節能換氣的目的。

1系統組成及控制原理

智能節能通風換氣控制系統主要由智能通風換氣控制系統、室內/外溫度探測器、室內進風機、室外排風機以及機房空調組成。其中控制器是系統的工作核心，各種傳感器及數據采集卡的作用是對通信機房內外溫度數據的采集、存貯、運算及處理，結合得到的數據以及設定的各種參數控制室內空調及風機的工作，同時，采集室內外溫度數據并進行溫差計算，利用通信機房外部環境新風空氣與機房內回風空氣的交換來達到溫度調節的目的。智能節能通風換氣控制系統主要由電源控制模塊、溫度傳感器模塊、電機控制模塊與其它輔助電路模塊組成，系統組成如圖1所示。

[室外溫度

探測器][室內溫度

探測器][智能通風換氣

控制系統][排氣風機][進氣風機][空調]

圖1 智能節能通風換氣控制系統功能實現示意圖

機房智能節能通風換氣控制系統的核心是基于機房室外與室內的溫差，對通信機房設定在某一溫度段運行，通過室內溫度探測器進行檢測。當室內溫度超過溫度門限，而室外溫度尚不滿足空氣置換條件時，系統控制室內空調進行工作；當溫度數據運算結果低于室內外溫度差設定值時，控制系統通過Atmega128單片機對溫度傳感器輸出信號進行程序處理，轉換到調整電機工作狀態的輸出信號，控制進氣風機啟動，通過風機引入室外溫度相對較低的新風空氣，與機房內部的熱空氣進行熱量置換，同時，通過排氣風機將混合后的熱空氣排出，使機房內空氣溫度降低，此時控制空調停止運行，從而減少了空調的工作時間，直至傳感器檢測到機房溫度達到設定要求時，進氣風機與排氣風機相繼停止運行，從而達到節能的最佳效果。在工作過程中，室外冷空氣通過空氣濾芯進入機房內部，故不會影響機房內部潔凈度。

2硬件設計

智能節能通風換氣控制系統主要是由主控機箱、進氣箱、排氣箱，室內外溫度探測器、室內外濕度探測器、交流互感器、交流接觸器等部件組成。通過由Atmega128單片機構成的主控機對風機啟動溫度的室外低溫門限、室外高溫門限進行設置，包括室內室外的溫度、濕度以及其他參數與事項的設置。監控系統對室內外溫度、濕度以及塵度進行實時檢測，通過設定的算法程序自動控制各個風機的合理工作，達到降溫節能的效果。作為智能節能通風換氣控制系統的核心部件，主控箱包括主電源、控制邏輯電路、實時數據參數的顯示、控制按鍵的設置、以及用于控制風機及空調的交流接觸器的安裝配置。進氣箱主要由具有一個離心風機的濾塵引風口組成，進氣箱安裝在通信機房內側面下部。排氣箱通常安裝在通信機房內側面上部，將機房內的熱氣排出。溫度傳感器和濕度傳感器固定在室外集成盒上，灰塵傳感器可選，同時采取了防雨措施。

3設計實現

滿足以下條件時開啟風機：①要求室外溫度小于室內溫度；②保證當前的實時室外溫度在室外溫度低限與室外溫度高限之間；③當前實時的室內溫度在室內溫度低限之上；④當前的實時室外灰塵度低于室外灰塵度高限；⑤當前的實時室外濕度低于室外濕度高限。上述5個條件同時滿足，則根據設計需要進行適當延時，N分鐘后開啟風機，延時期間系統不進行新的邏輯判斷，以免閉循環或連續開關風機。同時，關閉風機前也要延時N分鐘，延時期間不進行新的邏輯判斷。

當前實時溫度大于空調啟動溫度時才開啟空調。或者在風機開啟條件不能滿足的情況下，當實時溫度大于室內溫度低限時可開啟空調。當實時溫度大于室內高限，風機開啟條件滿足時可以同時開啟空調風機，另外，為了校正系統測量的偏差而產生漂移現象，對一系列精度修正值進行了設置。

4結論

充分利用基站室內外的溫差而形成熱交換，依靠大量的空氣流通，當外溫高于露點溫度并低于15°C時采用通風的冷卻，外溫介于15°C～25°C之間時采用空調-通風聯合冷卻，外溫高于設計控制溫度時采用只開空調冷卻。這種方式可以有效地將基站內的熱量迅速向外遷移，實現室內散熱，減少了機械冷卻的時長，大幅度降低電能消耗和營運成本、延長空調使用壽命，每年可節約空調電費支出20%～50%。

參考文獻：

[1]孫研.通信機房節能綜合解決方案[J].電信工程技術與標準化,2006(6):2-7.

[2]黃成龍,楊文鵬.移動基站節能控制的理論與實踐[J].西安工程大學學報，2008,22(2):205-209.

[3]中國電信集團公司電源技術支撐中心.機房新風直接引入節能技術[J].廣東通信技術，2009(5):28-33.

[4]李森.通風節能系統在電信機房中的應用[J].電信技術,2008(8):48-49.

[5]管勇,陳超,許磊,張麗莉,尹龍濱.自然冷卻換熱技術應用于通信機房空調系統的實驗研究[J].建筑科學，2010,26(10):157-161.

摘要： 針對目前基站及計算機機房的運行現狀，設計了一種以Atmega128單片機為核心的機房智能節能通風換氣控制系統，給出各模塊硬件電路的電路原理圖以及實現方法，實現了機房室內環境參數監測及設備控制。結果表明，設計的控制系統可減少機房空調的使用時間，節能效率可達到20%-50%。

Abstract: According to the operation status for base stations and computer room, a kind of energy-saving ventilation control system of room based on Atmega128 microcontroller was designed. At the same time, this paper shows the circuit diagram of each module and the hardware circuit implementation to achieve indoor environmental parameters monitoring and device control. The results show that the design of control system can reduce the useful time of the room air conditioning and energy efficiency can reach 20%-50%.

關鍵詞： 通信機房；節能；通風換氣；控制系統

Key words: telecommunication base station；energy-saving；ventilation；control system

中圖分類號：TU834.3+5 文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2014）23-0040-02

0引言

基站是無線電臺站的一種形式，通常還包括銀行等金融行業以及交通運輸、醫療衛生等大型企業的計算機機房。實際情況表明，電氣設備的長期運行發熱會導致基站、機房內溫度的升高，如果不考慮利用室外低溫對機房進行散熱降溫的有利條件，而僅僅使用空調來調整機房室內溫度，這樣會導致電能的浪費和成本的增加[1,2]。當室外空氣溫度低于室內溫度一定程度時，完全可以利用室外的自然環境冷源，將室外冷源通過相應的技術手段引入機房內，利用通風換氣的方式把機房的熱量帶走，從而可有效降低機房溫度[3,4]。據統計，空調能耗一般占通信機房能耗的20%～45%，有的甚至高達60%以上，基站空調的節能研究潛力巨大，近年來，國內對基站節能問題做了大量相關實驗和研究，也取得了顯著成果，基站節能空調有多種形式，近年來，利用自然冷源調節溫度也是基站節能的有效方式之一，在實際操作中也已經有不少成功的實例[5]。

本系統最大限度地將室外自然低溫冷源的新風空氣與通信機房內的回風空氣進行混合，然后再將混合后的低溫空氣送回機房來對室內余熱進行消除，同時，根據實際測量的機房發熱負荷變化情況調節系統進風量，保證室內溫度符合要求；同時考慮到因引入新風后機房內空氣含濕量可能降低，系統安裝濕膜加濕器結合采集數據進行分析并實現等焓加濕、降溫以及對機房內溫度、濕度的控制。這樣一來，在室外環境溫度相對較低的情況下，就可部分或全部替代空調工作，達到了節能換氣的目的。

1系統組成及控制原理

智能節能通風換氣控制系統主要由智能通風換氣控制系統、室內/外溫度探測器、室內進風機、室外排風機以及機房空調組成。其中控制器是系統的工作核心，各種傳感器及數據采集卡的作用是對通信機房內外溫度數據的采集、存貯、運算及處理，結合得到的數據以及設定的各種參數控制室內空調及風機的工作，同時，采集室內外溫度數據并進行溫差計算，利用通信機房外部環境新風空氣與機房內回風空氣的交換來達到溫度調節的目的。智能節能通風換氣控制系統主要由電源控制模塊、溫度傳感器模塊、電機控制模塊與其它輔助電路模塊組成，系統組成如圖1所示。

[室外溫度

探測器][室內溫度

探測器][智能通風換氣

控制系統][排氣風機][進氣風機][空調]

圖1 智能節能通風換氣控制系統功能實現示意圖

機房智能節能通風換氣控制系統的核心是基于機房室外與室內的溫差，對通信機房設定在某一溫度段運行，通過室內溫度探測器進行檢測。當室內溫度超過溫度門限，而室外溫度尚不滿足空氣置換條件時，系統控制室內空調進行工作；當溫度數據運算結果低于室內外溫度差設定值時，控制系統通過Atmega128單片機對溫度傳感器輸出信號進行程序處理，轉換到調整電機工作狀態的輸出信號，控制進氣風機啟動，通過風機引入室外溫度相對較低的新風空氣，與機房內部的熱空氣進行熱量置換，同時，通過排氣風機將混合后的熱空氣排出，使機房內空氣溫度降低，此時控制空調停止運行，從而減少了空調的工作時間，直至傳感器檢測到機房溫度達到設定要求時，進氣風機與排氣風機相繼停止運行，從而達到節能的最佳效果。在工作過程中，室外冷空氣通過空氣濾芯進入機房內部，故不會影響機房內部潔凈度。

2硬件設計

智能節能通風換氣控制系統主要是由主控機箱、進氣箱、排氣箱，室內外溫度探測器、室內外濕度探測器、交流互感器、交流接觸器等部件組成。通過由Atmega128單片機構成的主控機對風機啟動溫度的室外低溫門限、室外高溫門限進行設置，包括室內室外的溫度、濕度以及其他參數與事項的設置。監控系統對室內外溫度、濕度以及塵度進行實時檢測，通過設定的算法程序自動控制各個風機的合理工作，達到降溫節能的效果。作為智能節能通風換氣控制系統的核心部件，主控箱包括主電源、控制邏輯電路、實時數據參數的顯示、控制按鍵的設置、以及用于控制風機及空調的交流接觸器的安裝配置。進氣箱主要由具有一個離心風機的濾塵引風口組成，進氣箱安裝在通信機房內側面下部。排氣箱通常安裝在通信機房內側面上部，將機房內的熱氣排出。溫度傳感器和濕度傳感器固定在室外集成盒上，灰塵傳感器可選，同時采取了防雨措施。

3設計實現

滿足以下條件時開啟風機：①要求室外溫度小于室內溫度；②保證當前的實時室外溫度在室外溫度低限與室外溫度高限之間；③當前實時的室內溫度在室內溫度低限之上；④當前的實時室外灰塵度低于室外灰塵度高限；⑤當前的實時室外濕度低于室外濕度高限。上述5個條件同時滿足，則根據設計需要進行適當延時，N分鐘后開啟風機，延時期間系統不進行新的邏輯判斷，以免閉循環或連續開關風機。同時，關閉風機前也要延時N分鐘，延時期間不進行新的邏輯判斷。

當前實時溫度大于空調啟動溫度時才開啟空調。或者在風機開啟條件不能滿足的情況下，當實時溫度大于室內溫度低限時可開啟空調。當實時溫度大于室內高限，風機開啟條件滿足時可以同時開啟空調風機，另外，為了校正系統測量的偏差而產生漂移現象，對一系列精度修正值進行了設置。

4結論

充分利用基站室內外的溫差而形成熱交換，依靠大量的空氣流通，當外溫高于露點溫度并低于15°C時采用通風的冷卻，外溫介于15°C～25°C之間時采用空調-通風聯合冷卻，外溫高于設計控制溫度時采用只開空調冷卻。這種方式可以有效地將基站內的熱量迅速向外遷移，實現室內散熱，減少了機械冷卻的時長，大幅度降低電能消耗和營運成本、延長空調使用壽命，每年可節約空調電費支出20%～50%。

參考文獻：

[1]孫研.通信機房節能綜合解決方案[J].電信工程技術與標準化,2006(6):2-7.

[2]黃成龍,楊文鵬.移動基站節能控制的理論與實踐[J].西安工程大學學報，2008,22(2):205-209.

[3]中國電信集團公司電源技術支撐中心.機房新風直接引入節能技術[J].廣東通信技術，2009(5):28-33.

[4]李森.通風節能系統在電信機房中的應用[J].電信技術,2008(8):48-49.

[5]管勇,陳超,許磊,張麗莉,尹龍濱.自然冷卻換熱技術應用于通信機房空調系統的實驗研究[J].建筑科學，2010,26(10):157-161.

摘要： 針對目前基站及計算機機房的運行現狀，設計了一種以Atmega128單片機為核心的機房智能節能通風換氣控制系統，給出各模塊硬件電路的電路原理圖以及實現方法，實現了機房室內環境參數監測及設備控制。結果表明，設計的控制系統可減少機房空調的使用時間，節能效率可達到20%-50%。

Abstract: According to the operation status for base stations and computer room, a kind of energy-saving ventilation control system of room based on Atmega128 microcontroller was designed. At the same time, this paper shows the circuit diagram of each module and the hardware circuit implementation to achieve indoor environmental parameters monitoring and device control. The results show that the design of control system can reduce the useful time of the room air conditioning and energy efficiency can reach 20%-50%.

關鍵詞： 通信機房；節能；通風換氣；控制系統

Key words: telecommunication base station；energy-saving；ventilation；control system

中圖分類號：TU834.3+5 文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2014）23-0040-02

0引言

基站是無線電臺站的一種形式，通常還包括銀行等金融行業以及交通運輸、醫療衛生等大型企業的計算機機房。實際情況表明，電氣設備的長期運行發熱會導致基站、機房內溫度的升高，如果不考慮利用室外低溫對機房進行散熱降溫的有利條件，而僅僅使用空調來調整機房室內溫度，這樣會導致電能的浪費和成本的增加[1,2]。當室外空氣溫度低于室內溫度一定程度時，完全可以利用室外的自然環境冷源，將室外冷源通過相應的技術手段引入機房內，利用通風換氣的方式把機房的熱量帶走，從而可有效降低機房溫度[3,4]。據統計，空調能耗一般占通信機房能耗的20%～45%，有的甚至高達60%以上，基站空調的節能研究潛力巨大，近年來，國內對基站節能問題做了大量相關實驗和研究，也取得了顯著成果，基站節能空調有多種形式，近年來，利用自然冷源調節溫度也是基站節能的有效方式之一，在實際操作中也已經有不少成功的實例[5]。

本系統最大限度地將室外自然低溫冷源的新風空氣與通信機房內的回風空氣進行混合，然后再將混合后的低溫空氣送回機房來對室內余熱進行消除，同時，根據實際測量的機房發熱負荷變化情況調節系統進風量，保證室內溫度符合要求；同時考慮到因引入新風后機房內空氣含濕量可能降低，系統安裝濕膜加濕器結合采集數據進行分析并實現等焓加濕、降溫以及對機房內溫度、濕度的控制。這樣一來，在室外環境溫度相對較低的情況下，就可部分或全部替代空調工作，達到了節能換氣的目的。

1系統組成及控制原理

智能節能通風換氣控制系統主要由智能通風換氣控制系統、室內/外溫度探測器、室內進風機、室外排風機以及機房空調組成。其中控制器是系統的工作核心，各種傳感器及數據采集卡的作用是對通信機房內外溫度數據的采集、存貯、運算及處理，結合得到的數據以及設定的各種參數控制室內空調及風機的工作，同時，采集室內外溫度數據并進行溫差計算，利用通信機房外部環境新風空氣與機房內回風空氣的交換來達到溫度調節的目的。智能節能通風換氣控制系統主要由電源控制模塊、溫度傳感器模塊、電機控制模塊與其它輔助電路模塊組成，系統組成如圖1所示。

[室外溫度

探測器][室內溫度

探測器][智能通風換氣

控制系統][排氣風機][進氣風機][空調]

圖1 智能節能通風換氣控制系統功能實現示意圖

機房智能節能通風換氣控制系統的核心是基于機房室外與室內的溫差，對通信機房設定在某一溫度段運行，通過室內溫度探測器進行檢測。當室內溫度超過溫度門限，而室外溫度尚不滿足空氣置換條件時，系統控制室內空調進行工作；當溫度數據運算結果低于室內外溫度差設定值時，控制系統通過Atmega128單片機對溫度傳感器輸出信號進行程序處理，轉換到調整電機工作狀態的輸出信號，控制進氣風機啟動，通過風機引入室外溫度相對較低的新風空氣，與機房內部的熱空氣進行熱量置換，同時，通過排氣風機將混合后的熱空氣排出，使機房內空氣溫度降低，此時控制空調停止運行，從而減少了空調的工作時間，直至傳感器檢測到機房溫度達到設定要求時，進氣風機與排氣風機相繼停止運行，從而達到節能的最佳效果。在工作過程中，室外冷空氣通過空氣濾芯進入機房內部，故不會影響機房內部潔凈度。

2硬件設計

智能節能通風換氣控制系統主要是由主控機箱、進氣箱、排氣箱，室內外溫度探測器、室內外濕度探測器、交流互感器、交流接觸器等部件組成。通過由Atmega128單片機構成的主控機對風機啟動溫度的室外低溫門限、室外高溫門限進行設置，包括室內室外的溫度、濕度以及其他參數與事項的設置。監控系統對室內外溫度、濕度以及塵度進行實時檢測，通過設定的算法程序自動控制各個風機的合理工作，達到降溫節能的效果。作為智能節能通風換氣控制系統的核心部件，主控箱包括主電源、控制邏輯電路、實時數據參數的顯示、控制按鍵的設置、以及用于控制風機及空調的交流接觸器的安裝配置。進氣箱主要由具有一個離心風機的濾塵引風口組成，進氣箱安裝在通信機房內側面下部。排氣箱通常安裝在通信機房內側面上部，將機房內的熱氣排出。溫度傳感器和濕度傳感器固定在室外集成盒上，灰塵傳感器可選，同時采取了防雨措施。

3設計實現

滿足以下條件時開啟風機：①要求室外溫度小于室內溫度；②保證當前的實時室外溫度在室外溫度低限與室外溫度高限之間；③當前實時的室內溫度在室內溫度低限之上；④當前的實時室外灰塵度低于室外灰塵度高限；⑤當前的實時室外濕度低于室外濕度高限。上述5個條件同時滿足，則根據設計需要進行適當延時，N分鐘后開啟風機，延時期間系統不進行新的邏輯判斷，以免閉循環或連續開關風機。同時，關閉風機前也要延時N分鐘，延時期間不進行新的邏輯判斷。

當前實時溫度大于空調啟動溫度時才開啟空調。或者在風機開啟條件不能滿足的情況下，當實時溫度大于室內溫度低限時可開啟空調。當實時溫度大于室內高限，風機開啟條件滿足時可以同時開啟空調風機，另外，為了校正系統測量的偏差而產生漂移現象，對一系列精度修正值進行了設置。

4結論

充分利用基站室內外的溫差而形成熱交換，依靠大量的空氣流通，當外溫高于露點溫度并低于15°C時采用通風的冷卻，外溫介于15°C～25°C之間時采用空調-通風聯合冷卻，外溫高于設計控制溫度時采用只開空調冷卻。這種方式可以有效地將基站內的熱量迅速向外遷移，實現室內散熱，減少了機械冷卻的時長，大幅度降低電能消耗和營運成本、延長空調使用壽命，每年可節約空調電費支出20%～50%。

參考文獻：

[1]孫研.通信機房節能綜合解決方案[J].電信工程技術與標準化,2006(6):2-7.

[2]黃成龍,楊文鵬.移動基站節能控制的理論與實踐[J].西安工程大學學報，2008,22(2):205-209.

[3]中國電信集團公司電源技術支撐中心.機房新風直接引入節能技術[J].廣東通信技術，2009(5):28-33.

[4]李森.通風節能系統在電信機房中的應用[J].電信技術,2008(8):48-49.

[5]管勇,陳超,許磊,張麗莉,尹龍濱.自然冷卻換熱技術應用于通信機房空調系統的實驗研究[J].建筑科學，2010,26(10):157-161.