基于光纤测温技术的数据中心监控系统研究

沈巍，丁聪

（上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海 200092）



基于光纤测温技术的数据中心监控系统研究

沈巍，丁聪

（上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海 200092）

摘 要基于光纤测温的数据中心监控系统，能够实时感知数据中心中每个机柜的温度场，实现全面精确的机房环境感知，为实现精确送风，按需制冷打下基础，达到节能减排的效果。

关键词数据中心；光纤测温；节能减排

数据中心作为当前大数据、云计算和移动互联网各类应用的基石，近年来获得了迅猛的发展。随着数据中心建设规模越来越大，消耗的电能、空调冷量也越来越多，如何提高机房内环境的安全，并且达到节能减排的要求，已经成为一个重要的课题。

一方面，数据中心机房环境中的高温、低温或温度快速波动都会影响IT设备的电子和物理特性，造成运行故障。在保障系统设备和客户信息数据安全的前提下，如何提高IDC机房的管理水平、实时监测机房内的环境温度、反馈调节并消除机房局部温度过高或过低等问题，是许多数据中心机房管理面临的严峻挑战。

另一方面，数据中心机房节能减排的核心理念是能效消耗尽可能与需求相符，必须采用“测量-诊断-管理-优化-评估”的循环方法来达到理想的节能效果。机房实际运行数据的采集在节能优化循环中既是起点“测量”，也是终点“评估”。因此，搭建能够实时、动态、精确、全面的监测数据中心环境参数的监控系统对于IDC的节能减排来说具有重要意义。

1　传统数据中心温度监控方案与缺陷

现有数据中心机房环境监控系统温度采集普遍采用电信号传感器，包括传统的热电阻传感器、热电偶传感器、特殊的半导体传感器等，虽然这类技术具有测温精度高、反应快的特点，但存在单点测量范围小、布线复杂、易损坏、维护工作量大等局限性。往往一个通道内只设1～2个温度采集点，采集点数量太少，无法检测到各个IDC机柜的进出风温度，较难检测到IDC机房内的局部热点或局部过冷点，更无力为IDC机房的节能优化提供有意义的数据，为空调精确送风提供参考。

2　光纤测温技术

分布式光纤测温系统是一种使用单根光纤实现温度监测、信号传输，综合利用光纤拉曼散射效应和光时域反射测量技术来实时测量光纤沿线空间温度分布情况的传感系统。其中光纤拉曼散射效应用于实现温度测量，光时域反射测量技术用于获知温度测量点在光纤沿线上的位置。

光纤测温系统目前已经广泛应用在石油、化工、电力等行业，如油气井下、大型储油罐、高压输电线、化工厂的反应器等的温度分布探测、热力管道泄漏监测报警、油气罐火宅报警等，效果非常理想。但其在数据中心中的使用尚处于试验探索阶段。

光纤测温由于其技术原理与特性，使其具备以下优点。

（1）无源实时监测、体积小、重量轻、安装布放方便。

（2）空间分辨率高、测量点多、灵敏度高。

（3）使用寿命长，便于维护。

3　基于光纤测温的数据中心监控系统

利用光纤测温技术的优点，可以构建一套全新的、精确到单机柜进出风温度的数据中心机房温度监控系统。

3.1 光纤测温机房监控系统组成

如图1所示，基于光纤测温的数据中心监控系统主要由测温光纤、测温主机、监控系统服务器、存储、操作终端及相关软件组成。

（1）测温光纤：传感光纤建议采用符合IEC60332-3C标准的多模50/125μm光纤。护套采用低烟无卤，阻燃型热塑材料。传感光纤具有优良的热传导特性、机械性能、防水性能和抗腐蚀特性。

（2）测温主机：建议要求测温主机的温度测量精度不大于±0.5℃；空间分辨率不大于0.5 m；采样间隔不大于0.25 m。

（3）监控系统服务器与相关软件：与常规机房监控系统相比，采用光纤测温以后，所采集的机房温度信息点大幅增加，所需计算、存储的量也大幅增加，因此需注意服务器与存储的硬件配置，使其可以满足操作维护及时响应和使用的需求。

监控系统软件与常规相比，可增加3D渲染、空调反馈控制等功能。

3.2 光纤测温机房监控系统安装

以某IDC机房为例，机柜的布置根据冷热通道分开设置的原理，采用面对面、背对背方式，机柜正面为冷通道，背面为热通道。

光纤测温监控系统在工程现场的硬件安装包括两部分。

（1）安装1台测温主机：综合考虑IDC机房平面布置、监控机房和监控中心的位置、走线架敷设路由、测温主机的用电方式等，合理选择适当位置挂墙安装。

（2）敷设1根传感光纤：把传感光纤敷设在被测机柜上，实现最准确和最有效的测量，保证所要求的测温精度和空间分辨率。在实际应用中，需要分布式测温的场合是多种多样的，因此传感光纤的敷设方式也是多种多样的。

平面布置：传感光纤（图2中红色粗线）及测温主机（图2中绿色方框）平面安装位置如图2所示。光纤测温系统采用双端测量，传感光纤两端均接入测温主机，实现温度测量和定位功能。

剖面布置：每个单机柜前后各布置4个普通温度采集点，依照机柜前后门的形状构造、开门方式和定位要求把光纤紧贴其表面并加以固定，同时应确保良好的可维护性和美观，并且不影响机柜内服务器设备的拆装及正常的维护工作。

图1　基于光纤测温的数据中心监控系统组成

传感光纤盘绕敷设在机柜正反面门的内壁上，从机框底部的孔洞穿至机柜底座区域，再敷设至相邻机柜；敷设路由示意如图3所示（图中红色粗线为传感光纤，蓝色圆圈为普通温度采集点）。

3.3 光纤测温机房监控系统功能

IDC机房监控系统通过光纤测温采集温度信息，然后通过监控软件系统实现温度数据处理和对空调反馈控制，主要内容如下。

（1）温度数据采集：在IDC机房内按照一定的路由规则在所有机柜内敷设一根传感光纤，对每个机柜指定的测量点进行实时精确的温度信息采集。

（2）温度数据处理：监控系统平台通过处理采集到的温度信息，结合机房3D建模和计算流体力学（CFD，Computational Fluid Dynamics）模拟技术，生成一套实时的、连续的机柜温度分布的3D视图。

（3）对空调反馈控制：根据机房3D视图及每个机柜的温度分布情况，对空调系统进行反馈控制和高效率的精确送风，从而消除局部温度过高或过低的状况。

基于光纤测温的监控系统从动力环境监控系统数据接口提取空调数据，并通过接口协议根据一定的运行逻辑动态控制机房空调的运行状态，从而实现反馈控制的目的，运行逻辑如下。

（1）机架顶部回风温度大于25℃，并持续一段时间后，控制软件自动降低相应区域专用空调设定温度，并提高EC风机的风速。

（2）机架顶部回风温度小于23℃，并持续一段时间后，控制软件自动调高相应区域专用空调设定温度，并降低EC风机的风速。

图2　某IDC机房测温光纤及测温主机平面布置图

图3　某IDC机房机柜测温光纤路由图

（3）空调机组开启台数控制策略，根据现有机房空调总制冷量与机房内实际发热设备的匹配程度、现场情况及目标PUE值设定。

此外参照监控平台3D视图的温度场分布，针对机房平面图内一些热负荷较大的局部热点区域，亦可通过人工选择加装盲板、调整送风地板活页角度等措施，帮助热交换，提高空调制冷效率。

3.4 光纤测温机房监控系统实际效果

在数据中心部署基于光纤测温技术的监控系统以后，能够对机房每个机柜上侧、下侧的进出风度都进行温度测量，得到一幅关于机房温度场的完整的画面，局部过热点或过冷点一览无遗。如图4所示。

同时，也能得到每个测温点各个时刻的温度变化情况，实际运行的机柜进出风时刻都在起伏变化，也就说明，如果能够感知这些起伏变化，来按需制冷，是能够有效地优化机房的PUE的。

将温度信息作为输入条件，根据事先制定的策略，对机房专用空调的EC风机进行反馈控制，可以实现提高安全性与节能性的效果。经现场测试，光纤测温监控系统测得某区域回风温度为22℃，便控制空调风机降低转速10%，在短短的7 min之内，室内就达到了新的热平衡，回风温度值上升为22.9℃，仍在机房环境要求内。

15台专用空调机组节能量达到18 kW，节能效果明显。

4　结论与展望

基于光纤测温的机房温度监控系统，能够提高机房温度监控的精细度，降低系统安装和维护的复杂性，为评估各类节能措施的实际效果提供了数据依据，为同时提升数据中心机房安全性与节能性提供了有效的技术支撑。不过，目前该技术方案在数据中心业内还处在初步发展的阶段，面临投资成本较高、空调反馈控制系统接口复杂等问题，对该技术方案的应用环境与功能开发完善还需要进一步的深入研究和试验。

随着数据中心向高密度、绿色化、智能化的趋势发展，作为温度监控系统的一种全新的应用模式，基于光纤测温的数据中心监控系统必将获得业界更多的重视与发展，在高等级高重要性的数据中心中具有广泛的应用前景。

图4　某机房光纤测温效果图

Research on data center monitoring system based on optical fiber temperature measurement

SHEN Wei, DING Cong

(Shanghai Posts & Telecommunications Designing Consulting Institute Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

Abstract Data center monitoring system based on optical fiber temperature measurement can supervise the temperature field of each cabinet, get a full real-time computer room environment picture. It can realize precision airing and cooling on-demand for energy saving effect.

Keywords date center; optical fi ber distributed temperature measurement system; energy–saving

收稿日期：2015-02-05

文章编号1008-5599（2015）04-0081-04

文献标识码A

中图分类号TN915