通信機房節能監控嵌入式系統設計

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）

通信機房節能監控嵌入式系統設計

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能監控嵌入式系統，監控現場層包括主控制器和多個區域控制器。每個區域控制器用于采集通信機房溫濕度值，并根據節能控制策略對機房內的風機與空調進行協調控制，達到節能降溫的效果。

嵌入式系統；RS485總線；節能控制策略

隨著中國經濟的快速發展，通信網絡的不斷升級以及智能手機的普及，電信事業得到了高速發展通信的網絡規模也越來越大，用于維持機房內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能降耗已引起通訊企業的普遍關注[1]。目前機房里的空調長年工作于制冷模式，虛耗現象十分嚴重，而且縮短了空調的使用壽命，而且通信機房的設備負荷不均衡，熱環境動態變化[2]。針對通信機房環境和通信設備負荷動態變化的情況，如何讓通風與空調設備運行在高能效狀態成為節能的關鍵。解決辦法是通信機房采用節能控制系統，利用室內和室外的溫差來協調控制機房的制冷和通風設備。通過對室內和室外的溫度進行采集，當機房內溫度達到控制溫度上限并且室內溫度高于室外溫度時，主動打開風機關閉空調，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，主動啟動空調關閉風機，阻斷空氣對流。此外，對機房內的濕度進行采集，主動開啟或關閉空調的除濕功能，以減少電量的浪費。

1 系統結構

系統以提高機房制冷設備能效為中心，利用總線技術和分布式控制技術構成高效的現場監控網絡。系統結構如圖1所示?，F場層完成通信機房的環境數據采集和溫濕度控制，包括室內溫度、室內濕度、室外溫度、空調狀態和風機狀態；本地監控層完成對硬件采集的數據進行處理、存儲、顯示和數據上傳到云端服務器等工作[3-4]。

圖1 系統結構圖

2 嵌入式系統設計

2.1 硬件電路設計

現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域控制器的設計。主控制器要完成與上位機監控軟件和區域控制器之間的通信以及對通信報文的處理，而區域控制器通過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場層結構如圖2所示。

圖2 現場層結構圖

由于主控制器和區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總線會導致系統不穩定，故主控制器和區域控制器之間采用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總線上傳輸的是差分信號，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。

主控制和區域控制器都采用基于ARM Cortex-M3內核的STM32單片機作為控制器。區域控制器硬件部分是在主控制器基礎上增加了紅外、風機和空調加濕器控制部分。區域控制器的硬件結構如圖3所示。

圖3 區域控制器硬件結構圖

2.2 嵌入式軟件設計

主控制器收到PC發送的報文時，主控制器會產生串口中斷，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送給區域控制器。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送給區域控制器，待收到所有的區域控制器返回的報文或者接收報文超時后，主控制器將所有區域控制器返回的報文進行封裝發送給PC.

（1）主控制器程序設計

主控制器軟件主要由串口數據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據，每次收到一個字節，串口會產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生。為適用不同的報文長度，需開啟定時器，當數據接收完成時，再關閉定時器，并將其狀態置為idle.

圖4 主控制器接收PC報文流程圖

主控制器查詢區域控制器信息流程如圖5所示。主控制器可以從PC發送的查詢報文中獲取該主控制器下掛有的區域控制器數量及其地址。主控制器需要查詢其下的所有區域控制器信息，采用輪詢的方式查詢。當主控制器給區域控制器發送查詢報文時，需要開啟超時定時器，如果定時時間到，但是沒有收到區域控制器回復的報文，則認為主控制器與區域控制器之間存在通信故障或者區域控制器出現故障，那么主控制器需要對出現超時現象的區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送給上位機PC.

圖5 主控制器查詢區域控制器信息流程圖

（2）區域控制器程序設計

區域控制器軟件與主控制器似，區域控制器軟件流程如圖6所示。當報文為查詢報文時，區域控制器需要與相應的傳感器通訊獲取環境信息，傳輸協議采用Modbus RTU協議[5]。當獲取到溫濕度值后，如果室內的溫濕度值不在設定的范圍內，則需要控制電器設備來調節。在采用Modbus通信協議通信過程中，需要加入超時機制，用來判斷傳感器是否出現故障。當區域控制器給傳感器發送完Modbus報文后，可以開啟一個定時器，若在定時時間內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故障，這時會產生報警提示。

圖6 區域控制器軟件流程圖

2.3 節能控制策略

系統節能控制策略主要體現在：一方面可以根據室外冷空氣來降低室內溫度，另一方面對通信機房制冷設備的控制，只有在需要調節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、風機和加濕器，他們的工作狀態根據室內外的溫度和室內濕度變化而不同。通過對室內和室外的溫度進行采集，當機房內溫度達到控制溫度上限并且室內溫度高于室外溫度時，主動打開風機關閉空調，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，主動啟動空調關閉風機，阻斷空氣對流。此外，還需對機房內的濕度進行采集，主動開啟或關閉加濕器（或空調的除濕功能）。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，需要多個區域控制器。每個區域控制器根據檢測到的區域溫濕度情況來控制本區域的制冷設備，用Ti表示當前室內溫度，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。根據區域的每個區域的環境參數，節能控制策略有以下幾種情況：

（1）Ti＜Tmax，Hmin＜H＜Hmax，關閉所有電器設備。

（2）Ti＜Tmax，H＜Hmin，開啟加濕器。

（3）Ti＜Tmax，H＞Hmax，開啟空調，空調處于除濕模式。

（4）To＜Tmax＜Ti，Hmin＜H＜Hmax，開啟風機和空調，空調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，空調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，空調處于除濕模式。

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

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

（9）Tmax＜Ti＜To，H＞Hmax，開啟空調，空調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，空調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，空調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，空調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，關閉風機，Ti根據上下限來決定是否開啟空調。

（14）H為故障，報警提示。

3 機房節能監控軟件

系統監控軟件選擇VS2010作為開發環境，開發語言為C#，本地數據庫管理軟件為ACCESS數據庫。監控軟件主要由設置、主界面、數據和通信這四部分構成，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）、通訊狀態顯示（串口通信狀態和網絡通信狀態）、實時數據顯示（信息欄和實時曲線）和歷史數據查詢。通過下位機硬件對機房溫濕度等信息進行采集，上位機軟件實時監測機房各個區域溫濕度值和空調風機的狀態信息，并進行機房溫濕度控制、數據存儲、報表打印以及歷史查詢。

圖7 機房節能監控軟件主界面

4 結束語

通風與空調設備運行在高能效狀態是通信機房節能的關鍵。本文設計了一種通信機房節能監控嵌入式系統，包括現場層的主控制器、區域控制器的電路和程序設計以及本地監控層的監控軟件。區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，根據上位機設置的節能控制策略，利用室內和室外的溫差來協調控制機房的制冷和通風設備，以減少電量的浪費，達到節能效果。

[1]柏榮敏.電信機房溫度監控系統的設計[D].合肥：安徽大學，2012.

[2]陳嘉偉.數據通信機房的熱環境研究[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能監控系統[J].可編程控制器與工廠自動化，2015（3）：77-80.

[4]張志強.通信機房節能監控系統設計與實現[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、機器人與智能制造、功率變換。