通信机房节能监控嵌入式系统设计

彭刚，周晨阳，张志强

（1.深圳华中科技大学研究院，广东深圳518060；2.华中科技大学自动化学院，湖北武汉430074）

通信机房节能监控嵌入式系统设计

彭刚1，2，周晨阳1，2，张志强2

（1.深圳华中科技大学研究院，广东深圳518060；2.华中科技大学自动化学院，湖北武汉430074）

介绍了一种通信机房节能监控嵌入式系统，监控现场层包括主控制器和多个区域控制器。每个区域控制器用于采集通信机房温湿度值，并根据节能控制策略对机房内的风机与空调进行协调控制，达到节能降温的效果。

嵌入式系统；RS485总线；节能控制策略

随着中国经济的快速发展，通信网络的不断升级以及智能手机的普及，电信事业得到了高速发展通信的网络规模也越来越大，用于维持机房内温湿度平衡的制冷设备在电力上的消耗也在不断增加通信机房和基站机房的节能降耗已引起通讯企业的普遍关注[1]。目前机房里的空调长年工作于制冷模式，虚耗现象十分严重，而且缩短了空调的使用寿命，而且通信机房的设备负荷不均衡，热环境动态变化[2]。针对通信机房环境和通信设备负荷动态变化的情况，如何让通风与空调设备运行在高能效状态成为节能的关键。解决办法是通信机房采用节能控制系统，利用室内和室外的温差来协调控制机房的制冷和通风设备。通过对室内和室外的温度进行采集，当机房内温度达到控制温度上限并且室内温度高于室外温度时，主动打开风机关闭空调，引入室外冷空气，利用空气对流降低温度。当室外温度较高时，主动启动空调关闭风机，阻断空气对流。此外，对机房内的湿度进行采集，主动开启或关闭空调的除湿功能，以减少电量的浪费。

1 系统结构

系统以提高机房制冷设备能效为中心，利用总线技术和分布式控制技术构成高效的现场监控网络。系统结构如图1所示。现场层完成通信机房的环境数据采集和温湿度控制，包括室内温度、室内湿度、室外温度、空调状态和风机状态；本地监控层完成对硬件采集的数据进行处理、存储、显示和数据上传到云端服务器等工作[3-4]。

图1 系统结构图

2 嵌入式系统设计

2.1 硬件电路设计

现场层的功能主要是采集温湿度、控制电器设备和故障报警。硬件电路设计可以分为主控制器和区域控制器的设计。主控制器要完成与上位机监控软件和区域控制器之间的通信以及对通信报文的处理，而区域控制器通过RS485总线与主控制器通信，并进行温湿度的采集、电器设备的控制以及故障报警。现场层结构如图2所示。

图2 现场层结构图

由于主控制器和区域控制器之间通信距离可能很长，会造成电平在传输过程中衰减以及受到较强的干扰，如果采用RS232总线会导致系统不稳定，故主控制器和区域控制器之间采用RS485总线相连。一方面RS485的通信距离可以达到上千米，另一方面RS485总线上传输的是差分信号，在压差很小的情况下也可以检测信号，差分信号本身可以抑制共模信号的干扰。

主控制和区域控制器都采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32单片机作为控制器。区域控制器硬件部分是在主控制器基础上增加了红外、风机和空调加湿器控制部分。区域控制器的硬件结构如图3所示。

图3 区域控制器硬件结构图

2.2 嵌入式软件设计

主控制器收到PC发送的报文时，主控制器会产生串口中断，对收到的报文进行解析，并判断报文的类型。当收到的报文为控制报文时，将控制报文解析后发送给区域控制器。当为查询报文时，主控制器会对查询报文进行解析，提取区域控制器地址和查询要素等信息，并将查询报文进行封装发送给区域控制器，待收到所有的区域控制器返回的报文或者接收报文超时后，主控制器将所有区域控制器返回的报文进行封装发送给PC.

（1）主控制器程序设计

主控制器软件主要由串口数据处理和查询模块组成。其中，串口接收上位机PC报文的流程如图4所示。串口采用中断方式来接收数据，每次收到一个字节，串口会产生一次串口接收中断，并将串口中断接收标志位USART_IT_RXNE置位，因此需要在串口中断服务程序中清除标志位，以便于下次中断的产生。为适用不同的报文长度，需开启定时器，当数据接收完成时，再关闭定时器，并将其状态置为idle.

图4 主控制器接收PC报文流程图

主控制器查询区域控制器信息流程如图5所示。主控制器可以从PC发送的查询报文中获取该主控制器下挂有的区域控制器数量及其地址。主控制器需要查询其下的所有区域控制器信息，采用轮询的方式查询。当主控制器给区域控制器发送查询报文时，需要开启超时定时器，如果定时时间到，但是没有收到区域控制器回复的报文，则认为主控制器与区域控制器之间存在通信故障或者区域控制器出现故障，那么主控制器需要对出现超时现象的区域控制器做出相应的处理，例如将查询的温湿度值和电器设备状态全部设置为0xff。轮询完毕后，主控制器需要将报文重新封装后发送给上位机PC.

图5 主控制器查询区域控制器信息流程图

（2）区域控制器程序设计

区域控制器软件与主控制器似，区域控制器软件流程如图6所示。当报文为查询报文时，区域控制器需要与相应的传感器通讯获取环境信息，传输协议采用Modbus RTU协议[5]。当获取到温湿度值后，如果室内的温湿度值不在设定的范围内，则需要控制电器设备来调节。在采用Modbus通信协议通信过程中，需要加入超时机制，用来判断传感器是否出现故障。当区域控制器给传感器发送完Modbus报文后，可以开启一个定时器，若在定时时间内收到传感器返回的报文，则可以进行对报文的校验和解析等工作；若定时时间到，仍未收到传感器返回的报文，则需要对这种超时情况做出处理。一般的处理方式为如果连续10次没有收到返回的报文，则认为传感器或者与通信线路出现故障，这时会产生报警提示。

图6 区域控制器软件流程图

2.3 节能控制策略

系统节能控制策略主要体现在：一方面可以根据室外冷空气来降低室内温度，另一方面对通信机房制冷设备的控制，只有在需要调节温湿度时才开启制冷设备。用于维持温湿度平衡的电器设备有空调、风机和加湿器，他们的工作状态根据室内外的温度和室内湿度变化而不同。通过对室内和室外的温度进行采集，当机房内温度达到控制温度上限并且室内温度高于室外温度时，主动打开风机关闭空调，引入室外冷空气，利用空气对流降低温度。当室外温度较高时，主动启动空调关闭风机，阻断空气对流。此外，还需对机房内的湿度进行采集，主动开启或关闭加湿器（或空调的除湿功能）。尤其是湿度过小时，需开启加湿器，以防止因干燥产生的静电对通信设备的损害。

通信机房一般面积很大，需要多个区域控制器。每个区域控制器根据检测到的区域温湿度情况来控制本区域的制冷设备，用Ti表示当前室内温度，To表示当前室外温度，Tmax表示控制温度上限，H表示当前湿度，Hmin表示控制湿度下限，Hmax表示控制器湿度上限。根据区域的每个区域的环境参数，节能控制策略有以下几种情况：

（1）Ti＜Tmax，Hmin＜H＜Hmax，关闭所有电器设备。

（2）Ti＜Tmax，H＜Hmin，开启加湿器。

（3）Ti＜Tmax，H＞Hmax，开启空调，空调处于除湿模式。

（4）To＜Tmax＜Ti，Hmin＜H＜Hmax，开启风机和空调，空调处于制冷模式并且设定温度为Tmin.

（5）To＜Tmax＜Ti，H＜Hmin，开启风机和空调，空调处于制冷模式并且设定温度为Tmin，开启加湿器。

（6）To＜Tmax＜Ti，H＞Hmax，开启风机和空调，空调处于除湿模式。

（7）Tmax＜Ti＜To，Hmin＜H＜Hmax，开启空调，空调处于制冷模式并且设定温度为Tmin.

（8）Tmax＜Ti＜To，H＜Hmin，开启空调和加湿器，空调处于制冷模式并且设定温度为Tmin.

（9）Tmax＜Ti＜To，H＞Hmax，开启空调，空调处于制冷模式并且设定温度为Tmin.

（10）Ti为故障，Hmin＜H＜Hmax，报警提示，启空调，空调处于制冷模式并且设定温度为Tmin.

（11）Ti为故障，H＜Hmin，报警提示，启空调，空调处于制冷模式并且设定温度为Tmin，开启加湿器。

（12）Ti为故障，H＞Hmax，报警提示，启空调，空调处于制冷模式并且设定温度为Tmin.

（13）To为故障且Ti不为故障，报警提示，关闭风机，Ti根据上下限来决定是否开启空调。

（14）H为故障，报警提示。

3 机房节能监控软件

系统监控软件选择VS2010作为开发环境，开发语言为C#，本地数据库管理软件为ACCESS数据库。监控软件主要由设置、主界面、数据和通信这四部分构成，主界面如图7所示。包括以下功能：通讯设置、控制器管理（控制器的添加、修改和删除）、通讯状态显示（串口通信状态和网络通信状态）、实时数据显示（信息栏和实时曲线）和历史数据查询。通过下位机硬件对机房温湿度等信息进行采集，上位机软件实时监测机房各个区域温湿度值和空调风机的状态信息，并进行机房温湿度控制、数据存储、报表打印以及历史查询。

图7 机房节能监控软件主界面

4 结束语

通风与空调设备运行在高能效状态是通信机房节能的关键。本文设计了一种通信机房节能监控嵌入式系统，包括现场层的主控制器、区域控制器的电路和程序设计以及本地监控层的监控软件。区域控制器进行温湿度检测，通过RS485总线与主控制器进行通讯，根据上位机设置的节能控制策略，利用室内和室外的温差来协调控制机房的制冷和通风设备，以减少电量的浪费，达到节能效果。

[1]柏荣敏.电信机房温度监控系统的设计[D].合肥：安徽大学，2012.

[2]陈嘉伟.数据通信机房的热环境研究[D].青岛：中国海洋大学，2014.

[3]彭刚，张志强.基于云存储的机房节能监控系统[J].可编程控制器与工厂自动化，2015（3）：77-80.

[4]张志强.通信机房节能监控系统设计与实现[D].武汉：华中科技大学，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

彭刚（1973-），男，湖北武汉人，副教授，博士，研究方向：嵌入式系统、机器人与智能制造、功率变换。