通信機房分體空調智慧節能系統的設計與實現

磨俊儒 陳洪威 楊凱

摘要：針對通信機樓和接入局房的分體空調，通過采用先進的傳感設備、控制設備等智能硬件，結合物聯網技術、IT 技術和數據分析技術，實現了分體空調的遠程監測、運行情況分析和節能管控。管理者可通過遠程設定溫度控制范圍、時間等變量，有效地控制分體空調的合理運轉，既能快速便利的對海量分體空調進行管控，又能保持機房處于合理的環境溫度，減少了能耗的浪費。同時實現了分體空調能耗的遠程統計和能源費的核算，大幅降低了數據統計的難度。為通信機房分體空調能耗統計、能耗管理以及節能運行提供了一個可行的解決方案。

關鍵詞：通信機房;空調;物聯網;節能

中圖分類號：TP311.5???????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0196-05

Design and Implementation of Intelligent Eenergy Saving System for Separation Air Conditioner in Telecom Room

Mo Junru ，Chen Hongwei ，Yang Kai

（China Telecom Guangzhou Branch， Guangzhou 510630， China）

Abstract： For the split air conditioner in the communication machine building and access office room， the remote monitoring， operation analysis and energy-saving management and control of the split air conditioner were realized by using advanced sensing equipment， control equipment and other intelligent hardware， combined with internet of things technology， IT technology and data analysis technology. The manager can effectively control the reasonable operation of the split air conditioner by remotely setting the temperature control range， time and other variables， which can not only quickly and conveniently control the massive split air conditioner， but also keep the machine room at a reasonable ambient temperature and reduce the waste of energy consumption. The remote statistics of energy consumption and energy cost accounting of split air conditioning were realized， which greatly reduced the difficulty of data statistics. It provides a feasible solution for energy consumption statistics， energy consumption management and energy-saving operation of split air conditioning in communication room.????? Key words： communication room; air conditioning; internet of things; energy saving

0 引言

隨著信息化演變，各種信息系統的部署與應用，作為信息承載的主體—通信機房的管理變得越來越重要，一方面工作量越來越大，另一方面對機房的安全性、可用性和運營管理要求越來越高。但由于通信機房普遍建設年限較久，規劃不統一、落后，在基礎設施等各方面的制約越來越大，亟需通過數字化轉型提升機房運營管理效率和效益，保障機房安全穩定運行。

三大運營商擁有大量的通信機房，機房星羅密布，規模大小不一、分散，機房巡檢壓力大，人力成本高。通信機房內有海量分體空調，日常的維護和調度需要耗費大量的人力物力，運營效益較低下，動力維護人員缺口巨大。因此，通過新技術解決通信機房空調管理的問題成了首要任務。

國內外對機房和設備的智能控制做了大量研究。大連理工大學的王超[1]通過 Zigbee技術設計機房溫濕度控制系統。云南省軍區的謝敬銳等[2]通過紅外要求實現樓宇空調集中控制。天津大學的李鋒[3]通過深度學習算法，設計出智能家居控制系統。廈門華夏學院的林東旭等[4]通過窄帶物聯網技術，設計出空調控制平臺。西南科技大學的何紅明[5]通過 PLC控制實現中央空調的控制。沈陽航空航天大學的郭昱慧[6]通過 Zigbee完成了智能家居系統的實際和實現。青島理工大學的賴金萍等[7]設計了一種基于無線通信的空調環境控制系統。北京建筑大學的于丹等[8]通過物聯網技術設計了一套適用于酒店空調系統的節能系統。甘肅建投智能工程有限公司的范彥平[9]結合建筑工程的分體空調使用現狀，設計了分體空調智慧管理系統，并將其應用到實踐中。中國電信股份有限公司深圳分公司的王田豐等[10]通過管理平臺的自主調控功能實現節能，管理者遠程調控設備定時和變量，有效地控制空調合理使用，為能源消耗定額管理、節能目標定量化提供了切實可行的手段。廣西人民廣播電臺的楊勇[11]，利用 ZigBee 無線網絡技術和 VB6.0可視化編程的優勢開發分體空調監控系統的設計方案。福建省建筑科學研究院有限責任公司的瞿端人[12]通過對空調系統改造技術要點的研究，提出冷水機組組合控制方法以及變頻技術常用方法與適用性，并通過改造實現了節能。

本文通過物聯網技術和智能控制，實現通信機房基礎設施智能節能系統的設計與實現。并對實際運行效果進行了記錄和分析，闡明了該系統在通信機房分體空調管理和節能方面存在顯著價值，值得廣泛推廣和繼續深入研究。

1 存在問題分析

基站及機房空調能耗高，缺乏在線監控手段，大量分體空調缺乏遠程或統一控制手段。造成了空調能耗高，主要體現在以下幾個方面。

（1） 溫度設定混亂。現實機房管理中，最理想狀態為根據機房實際需求設定制冷溫度，根據長期運行的觀察，機房溫度設定非常混亂，一般從18～25℃各種設定情況都有，主要運行在21℃左右。

（2） 管理沒有抓手。接入間的大量分體空調在低溫、高負荷連續運轉，能耗浪費十分嚴重。接入間有大量的巡檢和工程人員進入，由于需要一個舒適的環境，經常將空調制冷溫度調低到18℃或以下，當人員離場后往往不會進行溫度復原，空調長期運行在18℃左右。

（3） 設備壽命縮短。由于以上兩種情況，空調在低溫、大負荷狀態下長期運行，使用壽命嚴重縮短。

（4） 運營成本增加。分體空調大負荷、不間斷地使用空調，維護費用將成倍增加，電費更是大幅度地增加。

（5）人力資源成本浪費。根據統計，冬季有接近1000臺空調可以關停，但分布在近2000個接入間總，每年關停兩次空調需要接近2個多月的時間，還不一定能夠完成，既造成幾個月的用電浪費，又造成大量維護人力成本的浪費。

2 解決方案

2.1 概念介紹及設計要求

物聯網的基本框架分為感知層、網絡層和應用層3層結構。其中感知層負責溫度、濕度、電流等物理數據的采集，為架構的最底層;網絡層作為中間層，主要功能是將感知層采集到的物理數據信息傳輸給應用層;而應用層是架構的最高層，它主要用于對接收到的信號數據進行分析和處理，并通過發出信號對末端進行控制[1]。

本系統由采集控制單元、數據傳輸單元、電源、控制平臺等構成。通過“智能硬件（采集）+智能算法”，實現機房智能化空調節能管控，包括機房溫度采集分析、結合溫控策略算法，遠程自動啟停空調。同時通過 AI 算法實現海量分體空調的節能。

2.2 工作原理

通過無線溫感器識別溫度上升/下降兩種不同變化方向，為空調啟停設置溫控上下限窗口值。當溫度上升至窗口上限（如32℃）時啟動空調，當溫度下降至窗口下限（如30℃）時關斷空調，避免因機房環境溫度波動而造成空調頻繁啟停，從而達到“按需供冷”的目的，節省空調無效能耗。如圖1所示。

3 控制系統設計

3.1 系統網絡構架

通信機房分體空調智慧節能系統采用物聯網的架構：感知層通過無線溫度傳感器檢測室內溫度，通過無線電流監測裝置監測空調的電流;網絡層采用 TCP協議和5G/4G/NB網絡將數據傳輸給應用層，即空調智慧節能控制平臺;平臺進行溫度、運行情況、運行時間等多種參數的比對，并根據比對結果控制空調的整體運行。

集合物聯網、大數據、機器學習等先進技術，以“降本增效”為建設核心理念，創新性實現對機房空調運維節能管控。在保障網絡及設備安全的前提下，自動關斷無效能耗場景下設備的電源供給，從而達到節能減排的目的。本方案已在多個省市開展應用，節能效果平均達到整站能耗的20%以上。如圖2所示。

3.2 智能節電系統硬件部署方案

通信機房分體空調智慧節能系統的節能設備采用 RF 433 MHz工業應用非授權頻段的 Air? Link 無線物聯網通信技術;采用無線物聯局域網的組網方案：機房獨立部署AirLink無線局域網，所有在機房內的節能設備可以上電免操作自動認證接入，現場施工更方便靈活，改造容易，AirLink 自組網協議對外開放，擴展性強。

同時，智慧節能系統引入4G 網關邊緣計算：4G 網關接收云端服務器反饋的節能策略。通過 AirLink網絡采集各傳感器數據，完成節能控制開關動作，時刻保持機房空調高效運行，節約能耗。如圖3所示。

3.3 交互界面和后臺服務應用系統設計

客戶端服務系統和后臺服務應用系統是節能系統功能體現的關鍵部分，作用如下所述。

（1） 客戶端服務系統的主要作用是從云服務器中調通信機房中所有分體空調運行過程中產生的各種數據信息，并對這些數據進行全面的分析和統計，以可視化的形式呈現到客戶眼前。可以給客戶展示空調的健康狀態、空調的故障數據、空調的電量數據等。用戶通過 pc 端或手機端可以清晰地看到分體空調的各種運行情況。另外，可以查詢多種數據，實時掌握全局分體空調的運行情況[9]。

（2） 后臺服務應用系統相當于連接監測系統和客戶端服務系統之間的紐帶，基于監測系統獲得的數據信息，首先需要通過后臺服務應用系統進行分析，然后才能呈現給客戶端服務系統進行查詢。后臺服務應用系統會在第一時間分析和處理監測到的數據信息，對綜合機房大量分體空調進行遠程或統一控制，對空調進行實時監控、遠程啟停、自動控溫、智慧節能及能耗實時監測，精準統計等。同時實現全市接入機房的空調統一管理，平臺實現遠程啟停、實時監控空調的在線狀態、溫度、濕度及功率。在平臺制定節能策略，通過無線溫感器識別溫度上升/下降兩種不同變化方向，為空調啟停設置溫控上下限窗口值，達到智慧節能的效果。如圖4所示。

4 智能硬件設計

在完成網絡架構、客戶端服務系統和后臺服務應用系統后，需要對智能硬件進行設計和選型，只有各項參數、協議與系統融為一體，才能實現通信機房分體空調智慧節能系統的流暢運行。

4.1 空調節能控制器

如圖5所示。設備接線完成后自動通電;三色狀態指示燈，在不同工作狀態下呈不同顏色，在綠燈狀態下為正常狀態;通訊方式為無線物聯網通信方式;無線頻率為 431～527 MHz;電源輸入為 AC 220 V + 10% /50～60 Hz;控制空調2臺;整機功耗小于2.5 W;尺寸為290 mm×243 mm× 86 mm;質量小于 3 kg;工作溫度為-20～60 ℃;相對濕度為40%～95%;大氣壓力為86～106 kPa。

4.2 4G智能物聯網關

電源用12 V外接電源適配器或者使用空調節能控制器和基站節能控制器供電;通訊方式為4G通信、無線物聯網通信方式;無線頻率為431～527 MHz ;電源輸入： DC 12V+10%;整機功耗小于2W;尺寸為110mm×102mm×28 mm;質量小于300 g;工作溫度為-20～60℃;相對濕度為40%～95%;大氣壓力為86～106 kPa 。如圖6所示。

4.3 無線溫感器

電源用12 V外接電源適配器或者使用空調節能控制器和基站節能控制器供電;通訊方式為無線物聯網通信方式;無線頻率為431～527 MHz ;電源輸入為 DC 12 V+10%;整機功耗小于2 W;尺寸為70 mm×76mm×35mm ;質量小于150 g;工作溫度為-20～60℃;相對濕度為40%～95%;大氣壓力為86～106 kPa 。如圖7所示。

5 實踐及效果分析

某電信威樂珠寶機房原有1臺海霧5P精密空調，1 臺格力5P變頻空調，同時給2臺5P空調加裝空調節能管理裝置，2021-06-03至2021-06-14以普通模式和節能模式交替運行測試（策略為空調上電溫度設置33℃，空調下電溫度設置31℃），如圖8所示。

本次測試結果顯示，空調能耗降低明顯，平均節能率達到49.35%。因此基于機房溫度指標，通過智能控制空調啟停，能達到“按需供冷，節能”目的。

6 結束語

通信機房星羅棋布，海量分體空調的管理和節能一直是讓管理者頭痛的難題，而本文設計通信機房分體空調智慧節能系統就是一套適用于通信機房分體空調切實可行的節能方案。通過這套系統，通信機房管理者可以便捷地了解海量分體空調的運行情況，降低管理難度;同時通過遠程智能控制，讓分體空調合理運轉，提高分體空調的節能率，延長分體空調壽命，節約了通信企業的管理和維護成本，具有推廣價值。

參考文獻：

[1]王超.基于 ZigBee技術的機房溫濕度監控系統設計[D].大連：大連理工大學，2019.

[2]謝敬銳.基于紅外遙控的樓宇空調集中控制系統[J].電腦知識與技術，2020，16（22）：233-234.

[3]李鋒.基于深度學習的智能家居控制系統設計[D].天津：天津理工大學， 2021.

[4]林東旭.基于窄帶物聯網的空調控制平臺的設計[J].無線互聯科技， 2019，16（6）：14-16.

[5]何紅明.基于 PLC控制的中央空調系統設計[D].綿陽：西南科技大學， 2019.

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[10]王田豐，孫洪欣，謝振華.接入間及中小機房空調智能控制節能系統的研究與應用[J].電信技術， 2017（4）：15-16.

[11]楊勇利.用 VB開發的基于 Modbus規約的直播室分體空調無線智能監控系統[J].工業控制計算機，2018，31（8）：45-46.

[12]瞿端人.某賓館空調系統節能改造實例分析[J].福建建設科技， 2017（4）：127-128.

第一作者簡介：磨俊儒（1988-），碩士，助理工程師，研究領域為數據中心電源系統、中央空調系統、ups系統、通信機樓基礎設施等。

（編輯：王智圣）