信息中心的低能耗優化方案

劉藝萌

摘 要

在現代化信息化建設中，數據中心（機房）處于信息交互管理的核心位置。良好的機房環境是設備正常工作和延長使用壽命的基礎。傳統的機房監控與制冷方法是安裝部分溫濕度傳感器與集中式降溫空調，無法完全覆蓋機房內所有區域，并且存在過度制冷與局部高溫問題。大大增加了機房內非IT設備能耗，不滿足可持續發展要求。

【關鍵詞】信息中心 低能耗 優化

本文主要探討傳統信息中心機房過度制冷、局部高溫與功耗過大的問題，并提出基于無線傳感器網絡的監控管理三層體系結構與分布式的全封閉冷通道精確送風系統。通過遠程監控管理系統，可以實時監測機房內溫度變化情況，并作出相應送風調節（調節包括空調功率與智能風閥）。

1 緒論

1.1 通信發展背景

數據中心能耗伴隨著互聯網、云計算、物聯網等產業的發展和崛起，全球的數據量暴漲，數據中心作為終端海量數據的承載與傳輸實體也迎來了大發展時期。中國數據中心保有量將超過8萬個，總面積將超過3000萬平方米，但我國數據中心的綠色化水平低，能耗程度較高，大量數據中心沒有對能源利用效率進行有效監控，數據中心的高能耗增加了企業成本，也造成了社會能源的浪費。有數據顯示，近年來，互聯網行業的“十二五”發展規劃和通信業的“十二五”發展規劃，對數據中心的節能改造均提出了要求，數據中心PUE值已經成為國家及數據中心行業越來越重視的性能指標。信息機房每時每刻都承擔著大量的數據處理任務，各類IT設備和冷卻系統需要不間斷供電，因此相比同體量的辦公建筑，數據機房的用電量非常大。

1.2 傳統機房降溫方式

目前，絕大部分機房采用集中式供冷方案，僅使用一個或多個大型的制冷空調降溫，旨在使整體室溫保持在一個較低的溫度以保證通信設備的正常運轉。但是這樣粗放的降溫模式也帶來了顯而易見的缺點。除制冷設備落后外，機房監控系統也亟待發展。目前許多機房監控采用的是 24 小時專人值守的傳統管理模式，定時巡查機房內各種系統的管理模式。這種模式加重管理人員的負擔，不能及時有效地排除機房內的設備故障，對事故發生時間和責任追究也沒有科學的認定和分析。目前國內普遍缺乏機房管理的專業人員，在很多情況下不得不安排臨時人員值守，對機房的無故障安全運行又是一個不利的因素。另外，長期在機房值守的管理人員，受機房設備產生的巨大噪音和電磁輻射，多數情況下沒有適合的通風設備，管理人員的身體健康受到威脅。傳統機房監控也缺乏預警和控制的設置，不能真正高效的實現預警功能。目前國內機房環境監控有以下幾種形式：

（1）人工檢測儀監測形式；

（2）集中監測形式。

2 總體結構

2.1 基于需求的整體方案結構

而現在機房空調一般有以下問題：冷卻效果不明顯，冷卻不均勻，功耗大，送風不準確。如何滿足機房空調的特殊要求，對機房的控制方式和管理都提出了挑戰。本文就是在這樣的背景下研究是機房空調利用效率更高的方法，并且結合無線傳感器使機房空調實現遠程管理和控制，滿足機房環境需求、節能需求、可靠性需求。

利用散布在機房內的無線熱傳感器收集機房內各點的實時溫度，通過無線傳感器網將數據傳送到中間級控制中心。控制中心將對數據進行初步處理（如數據融合，清洗等），并將初步處理過的數據傳送到遠程監控中心，實現機房的實時溫度監控。利用該模型控制機房內空調進行有效降溫。同時遠程控制中心設有移動客戶端，這可以使工程師們方便，快捷的查看機房狀態，當發生事故時，第一時間了解事故的大概情況。

整體方案結構如圖1所示。

2.1.1 機房

機房內設備主要包括溫度傳感器網以及智能風閥兩個部分。溫度傳感器網負責收集機房內各點的實時溫度，將數據匯總之后通過網絡傳輸到中間級控制中心的數據處理設備處。智能風閥接收到中間級控制中心的控制設備傳來的指令后，根據指令來實現智能化控制，通過控制風閥的開，關，旋轉方向等變量來實現精密制冷。

2.1.2 中間級控制中心

中間級控制中心包含數據處理設備和控制設備兩部分。數據處理設備負責匯總溫度傳感器網傳來的數據，并進行初步的數據處理，包括數據融合以及清洗，進一步減少數據傳輸所帶來的能量損耗。之后數據處理設備將處理過的數據上傳到遠程監控中心進行進一步處理。控制設備將用于接收遠程控制中心下發的控制指令，并將控制指令遞送到對應的智能風閥控制機構處。

2.1.3 遠程控制中心

遠程控制中心主要負責對數據的進一步處理以及下發控制指令。當中間級控制中心將數據傳輸到遠程控制中心后，中心將會對數據進行進一步處理，并導入溫度模型，建立出三維可視化的機房溫度模型。并通過此模型得出優化降溫方案并自動下發空調控制指令，以完成智能降溫。機房管理人員將通過APP來查看機房的實時溫度情況，當機房出現緊急事故時，遠程控制中心將會把事故代碼自動發送到APP上，這樣工作人員可以在到達事故現場前就做好技術準備，極大程度減少事故所帶來的損失。

3 主要模塊

3.1 無線傳感器網

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是計算機、通信、傳感器、微機電系統和網絡等多項技術相結合的產物，通過大量分布式傳感節點協作實時地感知、采集和處理覆蓋區域內的各種目標信息，以多跳自組的方式形成網絡系統，由嵌入式計算資源對信息進行處理，利用無線通信技術將采集的信息發送到遠程終端。ZigBee 適用于數據量通信不大，數據傳輸速率低，分布范圍小，安全性要求較高，低功耗低成本的場合。它具有以下幾個特點：

（1）極低的系統功耗；

（2）較低的系統成本；

（3）安全的數據傳輸；

（4）靈活的工作頻段；

（5）靈活的網絡結構；

（6）超大的網絡容量。

基于以上特點，ZigBee 非常適宜作為傳感器的無線通信網絡。不但實現了數據中心低能耗的設想，并且可以全方位較為精準的檢測機房溫度環境，并作出分析。

機房設備的運行要求不間斷，使得機房的維修和設備更新受到一定限制，機房產熱也持續不間斷。本方案計劃利用ZigBee與溫度傳感器相結合的無線傳感器網絡對機房溫度實行實時監測。通信機房里設備眾多，種類多樣，而且規模和結構各不相同，結合ZigBee無線通信協議的網絡結構，把系統按照不同的功能需要劃分為遠程監控中心、協調器、路由器和終端節點四部分。

無線監測終端實現溫度的采集，并通過以蓄電池為電源的ZigBee 無線通信網絡上報數據，數據傳輸到路由節點并使得只要有無線路由信號覆蓋到的地方，都可以隨意放入一個終端設備節點加入這個網絡，數據在路由節點經過簡單的數據存儲處理上傳到中間級控制中心；中間級控制中心對數據進行融合與清洗，保證數據的有效性與利用率；經過中間級控制中心的數據通過串口、GPRS 等被送往遠程監控中心可以實現與監控中心；遠程控制中心通過分析如在一段時間內沒有異常溫度產生則向中級控制中心傳輸命令控制傳感器每5秒采集一次數據。如果有異常溫度產生，則連續采集。通過此方式可以大大節省能耗，達到數據中心高效節能目的。

3.2 機房制冷

3.2.1 分布式空調在本方案中的應用

調查顯示國內外對此問題研究很少，數據中心仍然廣泛使用集中式空調，這種制冷方式所采取的制冷設備彼此間完全隔離，不能合理調度，以至于可能出現部分設備工作在相反的制冷和加熱狀態，產生過制冷、局部極限高溫等問題。

因此，我們提出了一種新型的空調系統——分布式空調系統。本系統將一個機柜設置為一個單元，每個單元包含三個子系統——控制系統、溫度檢測系統及智能風閥控制系統。溫度檢測系統用于檢測機柜的溫度。它主要是由兩個溫度傳感器組成的，安裝在機柜擋板上，一個安裝在正前方，另一個放設置在左側。安裝較多的傳感器是基于溫度傳感器安裝得越多，所檢測的周圍溫度越準確，越能使得周圍的環境溫度均勻，但是成本也會相應提高。

智能風閥控制系統，即機械系統按照工作空間的要求設計為盒狀，由扇葉、電機等機械結構組成，它的作用是調節送風量。除了單元內的系統外，還有送風管道系統及空調總控制系統。送風管道系統的布置線路采用類似于網絡中的總線結構，先鋪設一根主管道（與空調總機出風口相連），再按各個工作位置的分布，鋪設子管道，與各單元出風口相連。

4 方案優點

與傳統數據中心降溫方案相比，基于無線傳感器網的全封閉冷通道精確送風系統優化方案具有以下優點：

（1）節能效率較高；

（2）實現遠程監控；

（3）解決傳統問題；

（4）發現問題及時。

本方案中采用分布式空調，實現精細管理、網格化管理，不同于傳統集中式空調統一送風方案需要時時保證較大的空調功率，根據溫度傳感器采集的數據進行實時數據分析，若溫度過高則通過控制中心減小空調功率和智能風閥送風量的大小，溫度過低則采取相反的措施；在此優化方案下，可以極大地解放人力，不需專人24小時值班來防止數據中心出現故障或問題，在一定程度上減輕管理人員的負擔，減輕工作人員受強輻射、巨大噪音影響。遠程監控系統可根據數據分析自動、智能的進行空調功率及智能風閥的控制，并且可實現預警功能；移動終端APP實現遠程故障監控，可在環境產生強烈變化時，遠程收到故障代碼，提早了解機房問題出處并及時提出解決方案；并且可幫助管理人員實現遠程管理，提供更好的優化方案。 基于無線傳感器監控方案，可實現預測系統問題或故障功能，對于局部高溫等問題進行預警式處理，避免突發情況直接導致設備單板不在位中斷業務，出現故障，影響客戶使用。

5 結語

本文從傳統集中式降溫空調的缺點入手，提出了基于無線傳感器網、分布式空調的綜合降溫方案，以解決“局部高溫”，“過度制冷”等問題。并設計了系統的監控系統，提出了遠程監控的思想。并將預測與控制相結合，進一步完善降溫方案，將信息中心降溫方式推向可持續發展。

本文主要做了以下幾個方面的研究：

（1）從無線傳感器網技術以及分布式空調技術的研究中，探索出了一種根據傳感器網數據進行控制的全封閉冷通道精確送風系統。該系統可以有效解決傳統制冷方案存在的局部高溫，過制冷等問題。同時引入反饋機制，實時改變空調功率以減小能耗。

（2）鑒于傳統機房解控系統不完善，只管不控的問題，我們提出了監控管理三層體系結構。通過三層結構，極大地節省了人力，解決了機房維護人員少等問題。

（3）利用Airpak對傳統機房降溫方案進行仿真，探究局部高溫產生原因，以及尋找相應的解決方法來指導我們的降溫系統設計。

（4）實現數據中心機房熱環境局部熱點區域的預測，數據來源于實時更新的無線傳感器網絡系統。提前發現局部高溫概率大的區域，提前介入降溫。

（5）我們更從，實時控制空調功率，及時預測，改善無線傳感器網發送消息規則，遠程控制，數據融合幾個關鍵性技術進一步減少能源消耗以及人力消耗，將信息中心推向可持續發展。

由于機房監控預警話題較新，特別是機房熱環境的局部熱點區域發現領域以及精準控制這兩個方面，目前沒有一個公認相對可靠完善的方案。所以我們的方案更多地還是在理論方面，投入實踐仍需要大量的現場測試以確定整個系統的可靠性。

作者單位

中南大學 湖南省長沙市 410000