彭剛，周晨陽(yáng)，張志強(qiáng)

（1.深圳華中科技大學(xué)研究院，廣東深圳518060；2.華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430074）

通信機(jī)房節(jié)能監(jiān)控嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭剛1，2，周晨陽(yáng)1，2，張志強(qiáng)2

（1.深圳華中科技大學(xué)研究院，廣東深圳518060；2.華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430074）

介紹了一種通信機(jī)房節(jié)能監(jiān)控嵌入式系統(tǒng)，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)層包括主控制器和多個(gè)區(qū)域控制器。每個(gè)區(qū)域控制器用于采集通信機(jī)房溫濕度值，并根據(jù)節(jié)能控制策略對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的風(fēng)機(jī)與空調(diào)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，達(dá)到節(jié)能降溫的效果。

嵌入式系統(tǒng)；RS485總線；節(jié)能控制策略

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)的不斷升級(jí)以及智能手機(jī)的普及，電信事業(yè)得到了高速發(fā)展通信的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也越來(lái)越大，用于維持機(jī)房?jī)?nèi)溫濕度平衡的制冷設(shè)備在電力上的消耗也在不斷增加通信機(jī)房和基站機(jī)房的節(jié)能降耗已引起通訊企業(yè)的普遍關(guān)注[1]。目前機(jī)房里的空調(diào)長(zhǎng)年工作于制冷模式，虛耗現(xiàn)象十分嚴(yán)重，而且縮短了空調(diào)的使用壽命，而且通信機(jī)房的設(shè)備負(fù)荷不均衡，熱環(huán)境動(dòng)態(tài)變化[2]。針對(duì)通信機(jī)房環(huán)境和通信設(shè)備負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化的情況，如何讓通風(fēng)與空調(diào)設(shè)備運(yùn)行在高能效狀態(tài)成為節(jié)能的關(guān)鍵。解決辦法是通信機(jī)房采用節(jié)能控制系統(tǒng)，利用室內(nèi)和室外的溫差來(lái)協(xié)調(diào)控制機(jī)房的制冷和通風(fēng)設(shè)備。通過(guò)對(duì)室內(nèi)和室外的溫度進(jìn)行采集，當(dāng)機(jī)房?jī)?nèi)溫度達(dá)到控制溫度上限并且室內(nèi)溫度高于室外溫度時(shí)，主動(dòng)打開風(fēng)機(jī)關(guān)閉空調(diào)，引入室外冷空氣，利用空氣對(duì)流降低溫度。當(dāng)室外溫度較高時(shí)，主動(dòng)啟動(dòng)空調(diào)關(guān)閉風(fēng)機(jī)，阻斷空氣對(duì)流。此外，對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的濕度進(jìn)行采集，主動(dòng)開啟或關(guān)閉空調(diào)的除濕功能，以減少電量的浪費(fèi)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以提高機(jī)房制冷設(shè)備能效為中心，利用總線技術(shù)和分布式控制技術(shù)構(gòu)成高效的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)層完成通信機(jī)房的環(huán)境數(shù)據(jù)采集和溫濕度控制，包括室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、室外溫度、空調(diào)狀態(tài)和風(fēng)機(jī)狀態(tài)；本地監(jiān)控層完成對(duì)硬件采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、顯示和數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器等工作[3-4]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)層的功能主要是采集溫濕度、控制電器設(shè)備和故障報(bào)警。硬件電路設(shè)計(jì)可以分為主控制器和區(qū)域控制器的設(shè)計(jì)。主控制器要完成與上位機(jī)監(jiān)控軟件和區(qū)域控制器之間的通信以及對(duì)通信報(bào)文的處理，而區(qū)域控制器通過(guò)RS485總線與主控制器通信，并進(jìn)行溫濕度的采集、電器設(shè)備的控制以及故障報(bào)警。現(xiàn)場(chǎng)層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)層結(jié)構(gòu)圖

由于主控制器和區(qū)域控制器之間通信距離可能很長(zhǎng)，會(huì)造成電平在傳輸過(guò)程中衰減以及受到較強(qiáng)的干擾，如果采用RS232總線會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，故主控制器和區(qū)域控制器之間采用RS485總線相連。一方面RS485的通信距離可以達(dá)到上千米，另一方面RS485總線上傳輸?shù)氖遣罘中盘?hào)，在壓差很小的情況下也可以檢測(cè)信號(hào)，差分信號(hào)本身可以抑制共模信號(hào)的干擾。

主控制和區(qū)域控制器都采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32單片機(jī)作為控制器。區(qū)域控制器硬件部分是在主控制器基礎(chǔ)上增加了紅外、風(fēng)機(jī)和空調(diào)加濕器控制部分。區(qū)域控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 區(qū)域控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

主控制器收到PC發(fā)送的報(bào)文時(shí)，主控制器會(huì)產(chǎn)生串口中斷，對(duì)收到的報(bào)文進(jìn)行解析，并判斷報(bào)文的類型。當(dāng)收到的報(bào)文為控制報(bào)文時(shí)，將控制報(bào)文解析后發(fā)送給區(qū)域控制器。當(dāng)為查詢報(bào)文時(shí)，主控制器會(huì)對(duì)查詢報(bào)文進(jìn)行解析，提取區(qū)域控制器地址和查詢要素等信息，并將查詢報(bào)文進(jìn)行封裝發(fā)送給區(qū)域控制器，待收到所有的區(qū)域控制器返回的報(bào)文或者接收?qǐng)?bào)文超時(shí)后，主控制器將所有區(qū)域控制器返回的報(bào)文進(jìn)行封裝發(fā)送給PC.

（1）主控制器程序設(shè)計(jì)

主控制器軟件主要由串口數(shù)據(jù)處理和查詢模塊組成。其中，串口接收上位機(jī)PC報(bào)文的流程如圖4所示。串口采用中斷方式來(lái)接收數(shù)據(jù)，每次收到一個(gè)字節(jié)，串口會(huì)產(chǎn)生一次串口接收中斷，并將串口中斷接收標(biāo)志位USART_IT_RXNE置位，因此需要在串口中斷服務(wù)程序中清除標(biāo)志位，以便于下次中斷的產(chǎn)生。為適用不同的報(bào)文長(zhǎng)度，需開啟定時(shí)器，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完成時(shí)，再關(guān)閉定時(shí)器，并將其狀態(tài)置為idle.

圖4 主控制器接收PC報(bào)文流程圖

主控制器查詢區(qū)域控制器信息流程如圖5所示。主控制器可以從PC發(fā)送的查詢報(bào)文中獲取該主控制器下掛有的區(qū)域控制器數(shù)量及其地址。主控制器需要查詢其下的所有區(qū)域控制器信息，采用輪詢的方式查詢。當(dāng)主控制器給區(qū)域控制器發(fā)送查詢報(bào)文時(shí)，需要開啟超時(shí)定時(shí)器，如果定時(shí)時(shí)間到，但是沒(méi)有收到區(qū)域控制器回復(fù)的報(bào)文，則認(rèn)為主控制器與區(qū)域控制器之間存在通信故障或者區(qū)域控制器出現(xiàn)故障，那么主控制器需要對(duì)出現(xiàn)超時(shí)現(xiàn)象的區(qū)域控制器做出相應(yīng)的處理，例如將查詢的溫濕度值和電器設(shè)備狀態(tài)全部設(shè)置為0xff。輪詢完畢后，主控制器需要將報(bào)文重新封裝后發(fā)送給上位機(jī)PC.

圖5 主控制器查詢區(qū)域控制器信息流程圖

（2）區(qū)域控制器程序設(shè)計(jì)

區(qū)域控制器軟件與主控制器似，區(qū)域控制器軟件流程如圖6所示。當(dāng)報(bào)文為查詢報(bào)文時(shí)，區(qū)域控制器需要與相應(yīng)的傳感器通訊獲取環(huán)境信息，傳輸協(xié)議采用Modbus RTU協(xié)議[5]。當(dāng)獲取到溫濕度值后，如果室內(nèi)的溫濕度值不在設(shè)定的范圍內(nèi)，則需要控制電器設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)。在采用Modbus通信協(xié)議通信過(guò)程中，需要加入超時(shí)機(jī)制，用來(lái)判斷傳感器是否出現(xiàn)故障。當(dāng)區(qū)域控制器給傳感器發(fā)送完Modbus報(bào)文后，可以開啟一個(gè)定時(shí)器，若在定時(shí)時(shí)間內(nèi)收到傳感器返回的報(bào)文，則可以進(jìn)行對(duì)報(bào)文的校驗(yàn)和解析等工作；若定時(shí)時(shí)間到，仍未收到傳感器返回的報(bào)文，則需要對(duì)這種超時(shí)情況做出處理。一般的處理方式為如果連續(xù)10次沒(méi)有收到返回的報(bào)文，則認(rèn)為傳感器或者與通信線路出現(xiàn)故障，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警提示。

圖6 區(qū)域控制器軟件流程圖

2.3 節(jié)能控制策略

系統(tǒng)節(jié)能控制策略主要體現(xiàn)在：一方面可以根據(jù)室外冷空氣來(lái)降低室內(nèi)溫度，另一方面對(duì)通信機(jī)房制冷設(shè)備的控制，只有在需要調(diào)節(jié)溫濕度時(shí)才開啟制冷設(shè)備。用于維持溫濕度平衡的電器設(shè)備有空調(diào)、風(fēng)機(jī)和加濕器，他們的工作狀態(tài)根據(jù)室內(nèi)外的溫度和室內(nèi)濕度變化而不同。通過(guò)對(duì)室內(nèi)和室外的溫度進(jìn)行采集，當(dāng)機(jī)房?jī)?nèi)溫度達(dá)到控制溫度上限并且室內(nèi)溫度高于室外溫度時(shí)，主動(dòng)打開風(fēng)機(jī)關(guān)閉空調(diào)，引入室外冷空氣，利用空氣對(duì)流降低溫度。當(dāng)室外溫度較高時(shí)，主動(dòng)啟動(dòng)空調(diào)關(guān)閉風(fēng)機(jī)，阻斷空氣對(duì)流。此外，還需對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)的濕度進(jìn)行采集，主動(dòng)開啟或關(guān)閉加濕器（或空調(diào)的除濕功能）。尤其是濕度過(guò)小時(shí)，需開啟加濕器，以防止因干燥產(chǎn)生的靜電對(duì)通信設(shè)備的損害。

通信機(jī)房一般面積很大，需要多個(gè)區(qū)域控制器。每個(gè)區(qū)域控制器根據(jù)檢測(cè)到的區(qū)域溫濕度情況來(lái)控制本區(qū)域的制冷設(shè)備，用Ti表示當(dāng)前室內(nèi)溫度，To表示當(dāng)前室外溫度，Tmax表示控制溫度上限，H表示當(dāng)前濕度，Hmin表示控制濕度下限，Hmax表示控制器濕度上限。根據(jù)區(qū)域的每個(gè)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，節(jié)能控制策略有以下幾種情況：

（1）Ti＜Tmax，Hmin＜H＜Hmax，關(guān)閉所有電器設(shè)備。

（2）Ti＜Tmax，H＜Hmin，開啟加濕器。

（3）Ti＜Tmax，H＞Hmax，開啟空調(diào)，空調(diào)處于除濕模式。

（4）To＜Tmax＜Ti，Hmin＜H＜Hmax，開啟風(fēng)機(jī)和空調(diào)，空調(diào)處于制冷模式并且設(shè)定溫度為Tmin.

（5）To＜Tmax＜Ti，H＜Hmin，開啟風(fēng)機(jī)和空調(diào)，空調(diào)處于制冷模式并且設(shè)定溫度為Tmin，開啟加濕器。

（6）To＜Tmax＜Ti，H＞Hmax，開啟風(fēng)機(jī)和空調(diào)，空調(diào)處于除濕模式。

（7）Tmax＜Ti＜To，Hmin＜H＜Hmax，開啟空調(diào)，空調(diào)處于制冷模式并且設(shè)定溫度為Tmin.

（8）Tmax＜Ti＜To，H＜Hmin，開啟空調(diào)和加濕器，空調(diào)處于制冷模式并且設(shè)定溫度為Tmin.

（9）Tmax＜Ti＜To，H＞Hmax，開啟空調(diào)，空調(diào)處于制冷模式并且設(shè)定溫度為Tmin.

（10）Ti為故障，Hmin＜H＜Hmax，報(bào)警提示，啟空調(diào)，空調(diào)處于制冷模式并且設(shè)定溫度為Tmin.

（11）Ti為故障，H＜Hmin，報(bào)警提示，啟空調(diào)，空調(diào)處于制冷模式并且設(shè)定溫度為Tmin，開啟加濕器。

（12）Ti為故障，H＞Hmax，報(bào)警提示，啟空調(diào)，空調(diào)處于制冷模式并且設(shè)定溫度為Tmin.

（13）To為故障且Ti不為故障，報(bào)警提示，關(guān)閉風(fēng)機(jī)，Ti根據(jù)上下限來(lái)決定是否開啟空調(diào)。

（14）H為故障，報(bào)警提示。

3 機(jī)房節(jié)能監(jiān)控軟件

系統(tǒng)監(jiān)控軟件選擇VS2010作為開發(fā)環(huán)境，開發(fā)語(yǔ)言為C#，本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)管理軟件為ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)。監(jiān)控軟件主要由設(shè)置、主界面、數(shù)據(jù)和通信這四部分構(gòu)成，主界面如圖7所示。包括以下功能：通訊設(shè)置、控制器管理（控制器的添加、修改和刪除）、通訊狀態(tài)顯示（串口通信狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示（信息欄和實(shí)時(shí)曲線）和歷史數(shù)據(jù)查詢。通過(guò)下位機(jī)硬件對(duì)機(jī)房溫濕度等信息進(jìn)行采集，上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)房各個(gè)區(qū)域溫濕度值和空調(diào)風(fēng)機(jī)的狀態(tài)信息，并進(jìn)行機(jī)房溫濕度控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表打印以及歷史查詢。

圖7 機(jī)房節(jié)能監(jiān)控軟件主界面

4 結(jié)束語(yǔ)

通風(fēng)與空調(diào)設(shè)備運(yùn)行在高能效狀態(tài)是通信機(jī)房節(jié)能的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)了一種通信機(jī)房節(jié)能監(jiān)控嵌入式系統(tǒng)，包括現(xiàn)場(chǎng)層的主控制器、區(qū)域控制器的電路和程序設(shè)計(jì)以及本地監(jiān)控層的監(jiān)控軟件。區(qū)域控制器進(jìn)行溫濕度檢測(cè)，通過(guò)RS485總線與主控制器進(jìn)行通訊，根據(jù)上位機(jī)設(shè)置的節(jié)能控制策略，利用室內(nèi)和室外的溫差來(lái)協(xié)調(diào)控制機(jī)房的制冷和通風(fēng)設(shè)備，以減少電量的浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能效果。

[1]柏榮敏.電信機(jī)房溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].合肥：安徽大學(xué)，2012.

[2]陳嘉偉.數(shù)據(jù)通信機(jī)房的熱環(huán)境研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2014.

[3]彭剛，張志強(qiáng).基于云存儲(chǔ)的機(jī)房節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2015（3）：77-80.

[4]張志強(qiáng).通信機(jī)房節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，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

彭剛（1973-），男，湖北武漢人，副教授，博士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、機(jī)器人與智能制造、功率變換。