戶外機柜智能通風節能控制終端設計

楊李鑫，彭來湖，2，史偉民

(1.浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室，浙江 杭州 310018；2.杭州勤誠微電子科技有限公司，浙江 杭州 310018)

隨著5G技術的發展和推廣，全國建成的5G基站近70萬個。當前國家高度重視5G的發展，5G基礎設施的建設必然會進一步得到發展[1]。而大量的基站產生的高額電費，是通信運營商運維成本攀升的主要原因。而戶外機柜作為基站的終端設備，降低機柜能耗的研究具有顯著的意義。

針對降低基站能耗的問題，國內的科研人員都對此進行了研究，其中大部分都是針對房屋型基站提出了相應的解決方法。景龍剛采集室外的溫度利用智能控制單元控制空調的電源或空調面板的輕觸開關，實現新風系統和空調進行聯動，以此降低能耗[2]。但以控制空調電源的方式來控制空調的啟停，會使新風系統與空調之間的電氣耦合性較強，并且空調不斷的通斷電，對空調的壽命影響較大。黃建豐通過采集新風冷氣機出風口的溫度、空調的送風溫度以及環境空氣的濕度與設定的溫濕度值進行比較，聯動控制空調和新風冷氣機的啟停，以降低能耗[3]。由于溫濕度存在波動，以某一個固定的溫濕度數值作為調控標準時容易造成設備頻繁啟停的誤動作。李爭超利用模糊控制算法，使用通風機、空調和電加熱共同來控制基站的環境溫度[4]，但該方法忽略了對室外濕度的判斷；戶外濕度過大時，不適合采用通風機來降溫。陳圣照等也對基站機房的溫度調控策略進行了研究[5]，也都未加入濕度的判斷，同時策略也存在優化的空間。羅翔遠等利用模糊神經網絡控制算法來控制空調的運行，從而達到降低能耗的效果[6]。

課題組將基站節能的思路應用到戶外機柜的設計上，并優化了控制策略，將柜外的濕度以及掉電、漏水等故障情況納入控制策略。將控制分為故障監測及處理、低溫處理、新風處理和高溫處理。除去故障監測及處理階段外，其他不同階段之間的切換設置均有死區溫度。不同階段的溫度點設置和死區溫度設置以及濕度控制點的設置都可以靈活調控，以便適應不同地區的氣候，更好地利用機柜外的冷空氣降溫，從而達到降低能耗目的。

1 終端系統總體設計

戶外機柜內部的溫度升高主要原因是柜內設備長期運行產生的熱量，并非機柜外部的環境溫度導致，所以傳統的一年四季都用空調來保持柜內溫度的方式忽略了對柜外低溫空氣的利用，造成了電能的浪費，使得運營成本居高不下[7]。課題組的設計思路是在傳統的空調制冷系統的基礎上引入了通風冷卻技術，通過智能通風節能終端實現對風機和空調的聯動控制。在室外空氣滿足要求的情況下，開啟新風系統，將室外的低溫新風引入室內，冷空氣與機柜內的熱空氣進行熱交換；同時開啟排風風機，排除熱空氣，并維持機柜內的正壓，達到降溫的效果。該種方式可減少空調的運行時間，從而達到節能的目的[8]。

戶外機柜簡化模型如圖1所示。機柜內腔可以用來安放UPS和電量儀等設備；進風口位于柜體左下方，出風口位于柜體右上方。進、出風口的設計位置符合空氣流體學特性，冷卻效果更好。

圖1 戶外機柜簡化模型

如圖2所示，通過底部進風口將柜外合適的低溫空氣送到機柜內，低溫空氣與機柜內的空氣進行熱交換，之后，從機柜的頂部排出。低溫空氣的流動方向與空氣特性一致，可以得到良好的降溫效果[9]。

圖2 采用通風冷卻技術機柜內部空氣流動正視圖

該終端系統一共包括3部分：智能終端控制模塊、被控設備和云端管理平臺。智能終端控制模塊主要負責外部數據的采集、智能控制邏輯分析處理、被控設備的控制、聯網和上傳數據；被控設備主要是負責環境控制的風機、風口和空調；云端管理平臺是負責智能控制終端設備的集中管理和遠程操作。課題組主要研究智能通風節能終端的設計。終端首先通過485接口和DI輸入接口，實現對外部數據的采集；把獲取到的溫濕度和空調等相關的參數存入終端內，以便后續的數據上傳和處理；主控單元根據采集到的數據進行決策，最終通過485接口和DO接口控制相應的設備運行。智能通風節能控制終端系統總體結構如圖3所示。

圖3 智能終端系統總體架構

2 硬件系統設計

本設計以嵌入式ARM系列的STM32F103VET6芯片為控制核心，采用其他輔助電路結合而成。整體電路設計分為主控部分、RS485接口部分、DI部分、DO部分、以太網接口部分、鐵電存儲部分和電源部分。智能終端整體硬件結構如圖4所示。

圖4 硬件系統總體架構

主控部分向下負責采集與機柜相關的環境信息，并對采集到的數據進行分析處理，并按照預先設定的控制策略控制風扇、風口和空調，實現智能通風和節能控制。向上負責將采集的數據上傳至云端管理平臺和展示本地網頁。

需要采集與機柜相關的信息，主要分為2類：一類是空調、不間斷電源UPS及溫濕度傳感器在內的通過RS485總線方式傳遞數據的設備，可以通過硬件系統上RS485電路實現數據采集與控制；另一類是煙霧傳感器、漏水傳感器及門禁限位開關等以干接點形式傳遞的開關量信息，可以通過硬件系統上的開關量輸入電路(DI電路)實現采集[10]。通過開關量輸出電路(DO電路)實現對機柜內的風扇和風口的智能控制。

最終通過以太網電路實現本地網頁的訪問和數據上傳云端的功能。采用W5500以太網芯片，該芯片內部集成了10/100 M以太網數據鏈路層(MAC)以及物理層(PHY),支持自動協商、掉電模式和網絡喚醒功能。其具有8個獨立的硬件Socket，并且只需要通過標準的4線SPI接口就可以實現與主控芯片通信，具有拓展性靈活和使用性方便的特點[11]。

3 軟件系統設計

通過上面的各系統模塊，可以實現對環境中的溫濕度、煙感漏水等數據的采集以及對空調和風扇的控制。主控芯片根據采集到數據按照預先制定的智能控制策略對數據進行分析，從而判斷出當前應該采取的措施，進而控制空調和風扇產生相應的動作，實現節能和智能通風的目的。

3.1 軟件總體控制流程

系統運行之后，首先要通過采集到的環境信息判斷外部是否處于異常狀態(煙感報警、溫濕度傳感器異常、市電異常掉電等)，只有當環境正常時才會進入后續的智能控制流程部分，這樣可以保證異常狀態的及時處理，避免造成更嚴重的危害。

系統運行流程如下：

1)首先監測機柜內部是否存在煙感報警的情況，如果出現煙感報警說明有火情出現，此時智能終端會關閉風扇、風口和空調，同時報警。

2)檢查是否處存在市電異常掉電的情況，如果出現市電異常掉電，智能終端會開啟風扇和風口，關閉空調，同時報警。

3)檢查溫濕度傳感器是否存在故障，如果溫濕度傳感器存在故障，則立即開啟空調并關閉風扇和風口，同時報警。

4)環境因素都沒有產生報警時，系統進入正常的智能控制流程。總體軟件流程圖如圖5所示。

圖5 總體軟件流程框圖

3.2 低溫處理流程

系統監測無異常狀態時，會進入智能控制部分，根據采集到的機柜內的溫度Ti，智能終端會處于不同的處理狀態：當Ti低于設定的低溫溫度Tl時，智能終端處于低溫處理狀態，此時會關閉風扇、風口以及空調，利用設備本身的自熱進行加溫，避免溫度的波動導致智能終端頻繁的啟停風扇、風口和空調；需要再設置一個低溫狀態脫離溫度Tld，Tld-Tl=死區溫度；機柜內的溫度變化在死區溫度之內時，智能終端的狀態不會改變，只有當機柜內的溫度Ti上升到低溫脫離溫度之上時，智能終端才會切換到其他狀態[12]。低溫處理流程如圖6所示。

圖6 低溫處理流程框圖

3.3 新風處理流程

當機柜內溫度Ti介于低溫設定溫度Tl和高溫設定溫度Th時，智能終端處于新風狀態。新風狀態是主要的節能通風狀態，通過將外部的合適冷空氣引入機柜內實現降溫。由于機柜內對空氣的要求相對較高，所以該部分的控制邏輯相對復雜。不僅需要有新風狀態的處理邏輯，還需要對溫度進行判斷，當溫度不處于新風狀態時，及時切換到其他狀態。

處于新風狀態處理流程如下：

1)判斷溫度是否處于新風狀態。如果不符合則及時切換到其他狀態，如果溫度符合新風狀態，首先需要通過機柜外溫濕度傳感器采集到的數據，判斷機柜外的空氣的濕度是否滿足要求。

2)如果機柜外空氣濕度滿足要求，再判斷機柜內外的溫差是否滿足要求。因為溫差過小時通過引入外部冷空氣的冷卻效率較差；當溫差也滿足要求時，開啟風扇和風口，關閉空調，從而減小空調的運行時間，達到節能的效果。

3)如果機柜外的空氣的濕度或者機柜內外的溫差不滿足要求時，則開啟空調進行制冷，避免引入不良的空氣造成設備的損壞。具體的控制流程如圖7所示。

圖7 新風處理流程框圖

3.4 高溫處理流程

當機柜內的溫度高于高溫設定溫度Th時，智能終端處于高溫處理狀態，此時機柜內的溫度較高，需要開啟空調，關閉風扇和風口進行制冷。同時為了避免出現因溫度的波動而導致智能終端在兩個狀態之間不停切換，需要設置高溫狀態脫離溫度Thd；當進入高溫狀態后，只有當機柜內的溫度降低到Thd時，才會切換到新風狀態。具體框圖如圖8所示。

圖8 高溫處理流程框圖

4 測試與結果

在實際測試中，采用加熱器來模擬實際工作時設備的發熱，設定可以引進空氣的柜外的濕度上限為80%；當機柜外的空氣濕度超過80%時，不再適合引入機柜，此時只采用空調進行降溫。在柜外空氣濕度滿足要求并且柜內溫度在新風狀態的情況下，新風開啟的機柜內外溫差設定值為5 ℃，低溫溫度設定值為5 ℃，低溫脫離溫度設定值為10 ℃，高溫溫度設定值為32 ℃，高溫脫離溫度設定值為27 ℃。不同溫濕度情況下，測試結果如表1所示。

表1 不同溫度下軟件響應狀態

當柜外濕度為90%時，風扇、風口關閉，只啟用空調，避免將濕度過高的空氣引入柜內。當柜外濕度為70%，柜外溫度為20 ℃，柜內溫度為28℃時，此時滿足開啟新風的條件，啟用新風系統，風扇和風口打開，空調關閉，減小空調的運行時間。當柜外濕度為60%，柜外溫度為24 ℃，柜內溫度為27 ℃時，此時機柜內外溫差過小，無法達到引入柜外空氣降溫的目的，啟用空調降溫。當柜外濕度為50%，柜外溫度為31 ℃，柜內溫度為25 ℃時，此時柜外溫度過高，不宜引入，啟用空調進行降溫。當柜外濕度為40%，柜外溫度為35 ℃，柜內溫度為33 ℃時，此時機柜內溫度過高，進入高溫狀態，啟用空調進行降溫。當柜外濕度為30%，柜外溫度為0 ℃，柜內溫度為3 ℃時，此時機柜內溫度過低，進入低溫狀態，關閉風口、風扇以及空調，利用設備運行產生的熱量進行升溫。

表2為機柜不同故障時，設備的運行狀態。當煙霧報警時，將風扇、風口和空調都關掉，避免引入空氣助燃。當市電掉電時，機柜內有USP和蓄電池等可以為設備供電，此時啟用新風系統，關閉空調降低對USP電量的消耗。當溫濕度故障時，無法正常采集機柜內外的溫濕度狀態，此時啟動空調，保證機柜溫度穩定。

表2 不同故障下軟件響應狀態

根據測試結果，智能終端的控制邏輯與設計相符，在柜外空氣滿足要求的情況下，可以開啟新風系統(風扇和風口)，將外部的冷空氣引入柜內實現降溫的效果，降低了空調的開啟時間，達到節能的目的,同時當設備報警時也能夠與風扇空調等產生聯動。

5 結論

課題組設計的控制終端通過硬件接口和軟件對機柜內的設備統一管理，將機柜內外的溫濕度以及機柜的運行狀況作為機柜溫度調控策略的判據，并且經過不同的溫濕度和故障狀況實驗，證明控制終端能夠有效地降低空調的運行時間，從而達到節能的效果。除此之外，針對不同的故障也可以及時地控制風扇、風口和空調并報警。在基站機房通風節能的基礎上，優化了溫度控制策略，分為故障檢測處理、低溫處理、新風處理和高溫處理；將濕度也納入考慮范圍之內，考慮更加全面。并且控制策略中的各項數值都可以靈活設置，以便適用于不同地區。本設計為減少戶外機柜的功耗、降低運營成本提供了一種可行的方案。但是文中方法比較適用于戶外低溫天數較多以及空氣質量較好一些地區，在使用上存在一定的不便，后續可以結合控制終端采集到不同地區的數據進行深度學習，使得控制終端可以根據不同溫濕度進行自行調控。