摘要：温度和粉尘浓度是影响机房设备老化的主要原因，多数机房为维持温度及环境粉尘浓度在标准之内，常年将机房空调系统和风机系统打开。这样虽然能够达到要求，但也增加了耗能，造成能源浪费。文中提出一种实时环境监控的智能绿色机房建设方案，通过监测温度来控制空调系统的打开与关闭，通过监测粉尘浓度来控制风机系统的打开与关闭，避免了24 h打开空调系统与风机造成的能源浪费，提高能源利用率，降低机房PUE。
关键词：绿色机房；节能；传感器；温度监控；粉尘监控
随着互联网、云计算以及大数据等技术的兴起，数据中心已经成为战略性基础设施，全球范围内掀起数据中心建设热潮。在建设数据中心的同时，其能耗问题也越来越引起业界的关注。绿色机房[1-2]，是近年来提出的新的概念，节能、合理化能源应用分配、优化场地设计是绿色机房的重要特点。
衡量绿色机房是否合理的指标是绿色网格组织提出的电能利用率PUE（power usageeffectiveness）[3]：PUE=机房的总用电量/IT设备的总用电量。PUE越低，则表示机房电能利用率越高；反之，则越低。目前，我国大多数机房PUE值在3左右，而发达国家机房PUE则在2左右。在机房使用过程中，除IT设备用电量较大之外，UPS电源系统、空调系统、监控系统等均耗电量较大。机房运行过程中，为保证机房IT设备的正常运转，需要空调系统保证各个IT设备运行时的温度以及机房环境总体温度不至于过高而影响IT设备的性能，产生不必要的错误[4-8]。同时，风机系统要将IT设备产生的粉尘排出室外，净化室内环境，防止因粉尘过多、在IT设备沉积而导致的IT设备故障[9-11]。为满足绿色机房节能要求，空调系统和风机系统应根据实际需求来开放或者关闭，保证IT设备正常运行的前提下，尽可能降低能耗。本文提出了一种基于nrf24le1单片机的温度、粉尘浓度监控系统，实时监测机房环境温度以及每个IT设备所在微环境的温度和粉尘浓度，模块化管理每个IT设备所在微环境空调、风机系统的打开与关闭，从根本上降低PUE的值，实现绿色机房的技能设计。
1 监控系统构架
系统设计用于实时监测机房温度及粉尘颗粒物浓度，系统涉及到的3个主要模块是单片机模块、温度采集模块和粉尘颗粒浓度采集模块，并设计对应的软件控制系统，对相应模块进行针对性的控制。
1.1 单片机模块
监控系统采用nrf24le1作为其核心处理器，完成各IT设备微环境及整体机房环境的温度和粉尘浓度的监测。系统总体框图如图1所示。
图1 系统总体框图
Fig.1 System block diagram
nRF24LE1采用美国Nordic公司最新的无线和超低功耗技术，其应用领域包括电脑外设、高级远程控制、安全系统、医疗健康和运动、遥控玩具等。
nRF24Le1单片机采用16位的RISC指令，运算效率高，并且对复杂数据的处理有着良好的效果。I2C接口电路、SPI接口、A/D转换器存储于单片机内部，I/O接口具有较好的驱动能力，能够与设备直接连接，通过这些控制模块能够实现高效、稳定的数据传输和交换。该单片机还可以把数字和模拟信号集成到同一个芯片中来进行有效的处理，从而大幅减小数据处理中的信号损失，提高了抗干扰能力。同时，该系列单片机还具有多时钟模式，能够对电气设备实现良好的欠数据加密、欠压保护、程序调试等功能。片上存储器能够满足复杂的运算处理要求，但对于需要大量存储数据的情况，需要外扩存储。本系统中，nRF24Le1单片机的工作电路如图2所示。
图2 单片机接线电路
Fig.2 MCU wiring circuit
本设计中，nRF24Le1单片机的主要功能如下：①机房总体环境信号的采集与传送；②各IT设备微环境温度的采集与传送；③粉尘颗粒浓度的采集与处理；④与上位机的无线通信：将采集到的各种数据无线传输到上位机进行处理与显示；⑤测试过程的控制：单片机控制整个采集系统的有序运行，通过单片机内部分的程序编写来实现；温度、粉尘颗粒浓度的数据处理通过单片机内的编程来实现。
1.2 温度采集模块
系统采用对环境温度灵敏度较高的温度传感器LM35DZ。LM35DZ是由national semiconductor生产的温度传感器，其输出电压为摄氏温标如图3所示。
图3 LM35DZ工作电路及实物图
Fig.3 LM35DZ working circuit and physical map
LM35DZ的供电电压为12 V，输出电压传送到nRF24Le1单片机中进行处理，计算出实时温度值，并通过nRF24Le1的无线传输功能上传至上位机。当实时温度值＞70℃时，上位机即控制打开空调系统，对IT设备进行降温处理；在凌晨或其他机房使用率较低时，实时温度值低于70℃，上位机控制关闭空调系统，使之处于待机状态。
特别的，除监测机房环境温度外，每个设备均安装LM35DZ温度传感器，实现对单一设备所处微环境的实时监测。有些设备经常在低速运行，并不需要对其进行降温处理，因此，如果此时关闭它，所对应的空调就可以达到节能要求。
1.3 粉尘颗粒物浓度采集模块
粉尘是影响设备寿命的重要因素，机房中粉尘浓度过高，会大幅降低设备的使用寿命；设备部件老化会增加能耗，提高机房PUE值。所以绿色机房除了要控制设备的微环境温度外，还要控制总体环境中粉尘颗粒的浓度。
本系统采用PMS1003传感器，其是一款数字式通用颗粒物浓度传感器，可以测定单位体积内空气中0.3～10 μm悬浮颗粒物浓度，并以数字接口形式输出。这款传感器采用激光散射原理来测定颗粒物浓度：使用激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射，收集散射光即可得到与颗粒物浓度相关的散射光强，经单片机处理后即可得到空气中颗粒物浓度。
PMS1003测出机房环境实时粉尘浓度，并传至上位机，通过与预设粉尘浓度比对来决定是否要通风以及通风时间。当环境粉尘颗粒物浓度低于预设值时，即可关闭通风；当环境粉尘颗粒浓度高于预设值时则进行通风，直到粉尘浓度达到要求。这样，可以大幅减少空调及风机系统的能耗。
2 实时监控数据和控制结果
将上述监测系统应用于目标机房，该机房主要由4台大型IT设备构成，同时机房内设计了相应地颗粒监测装置。图4给出了4台设备在随机观测的近10 min内实时监测温度数据和自动控制结果。图5给出了监测颗粒系统的工作情况。
图4 4台IT设备实时温度监测和控制
Fig.4 Real time temperature monitoring and control of IT equipment
图4反映了随机观测10 min内，不同设备的温度监测情况，依据系统设定的温度，需要控制设备温度在20～50℃。可以看出，前3台设备目前温度持续升高，但并没有超过温度上限，第4台设备因为过热，正处于空调降温过程中，基于本系统的监控装置可以实现对设备的精确调控，从而减小能耗。
图5给出了机房监测9 h的实时颗粒含量，可以看出机房整体的颗粒含量一般都符合低于100的普通要求，除了偶发的短时颗粒含量超标，在进行了通风后，也达到了标准要求。
图6给出了对比本文设计的传感监测体统和传统监测系统之间的差别。看以看出，本文提出的系统由于是动态分析和监测机房设备，所以其平均耗能明显低于传统的连续开启的监测系统。
图5 监测机房的灰尘颗粒含量
Fig.5 Dust content in monitoring room
图6 监测机房的耗能对比
Fig.6 Comparison of energy consumption in monitoring room
3 结语
通过对机房环境温度与粉尘颗粒物浓度的监测，可根据测得结果控制空调及风机系统的工作，相比传统机房空调及风机系统24 h工作的情况，大幅降低了机房耗能；通过对每个设备所处微环境的监测，进一步提高了能源的利用率。
