通信机房分体空调智慧节能系统的设计与实现

磨俊儒 陈洪威 杨凯

摘要：针对通信机楼和接入局房的分体空调，通过采用先进的传感设备、控制设备等智能硬件，结合物联网技术、IT 技术和数据分析技术，实现了分体空调的远程监测、运行情況分析和节能管控。管理者可通过远程设定温度控制范围、时间等变量，有效地控制分体空调的合理运转，既能快速便利的对海量分体空调进行管控，又能保持机房处于合理的环境温度，减少了能耗的浪费。同时实现了分体空调能耗的远程统计和能源费的核算，大幅降低了数据统计的难度。为通信机房分体空调能耗统计、能耗管理以及节能运行提供了一个可行的解决方案。

关键词：通信机房;空调;物联网;节能

中图分类号：TP311.5             文献标志码：A        文章编号：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

随着信息化演变，各种信息系统的部署与应用，作为信息承载的主体—通信机房的管理变得越来越重要，一方面工作量越来越大，另一方面对机房的安全性、可用性和运营管理要求越来越高。但由于通信机房普遍建设年限较久，规划不统一、落后，在基础设施等各方面的制约越来越大，亟需通过数字化转型提升机房运营管理效率和效益，保障机房安全稳定运行。

三大运营商拥有大量的通信机房，机房星罗密布，规模大小不一、分散，机房巡检压力大，人力成本高。通信机房内有海量分体空调，日常的维护和调度需要耗费大量的人力物力，运营效益较低下，动力维护人员缺口巨大。因此，通过新技术解决通信机房空调管理的问题成了首要任务。

国内外对机房和设备的智能控制做了大量研究。大连理工大学的王超[1]通过 Zigbee技术设计机房温湿度控制系统。云南省军区的谢敬锐等[2]通过红外要求实现楼宇空调集中控制。天津大学的李锋[3]通过深度学习算法，设计出智能家居控制系统。厦门华夏学院的林东旭等[4]通过窄带物联网技术，设计出空调控制平台。西南科技大学的何红明[5]通过 PLC控制实现中央空调的控制。沈阳航空航天大学的郭昱慧[6]通过 Zigbee完成了智能家居系统的实际和实现。青岛理工大学的赖金萍等[7]设计了一种基于无线通信的空调环境控制系统。北京建筑大学的于丹等[8]通过物联网技术设计了一套适用于酒店空调系统的节能系统。甘肃建投智能工程有限公司的范彦平[9]结合建筑工程的分体空调使用现状，设计了分体空调智慧管理系统，并将其应用到实践中。中国电信股份有限公司深圳分公司的王田丰等[10]通过管理平台的自主调控功能实现节能，管理者远程调控设备定时和变量，有效地控制空调合理使用，为能源消耗定额管理、节能目标定量化提供了切实可行的手段。广西人民广播电台的杨勇[11]，利用 ZigBee 无线网络技术和 VB6.0可视化编程的优势开发分体空调监控系统的设计方案。福建省建筑科学研究院有限责任公司的瞿端人[12]通过对空调系统改造技术要点的研究，提出冷水机组组合控制方法以及变频技术常用方法与适用性，并通过改造实现了节能。

本文通过物联网技术和智能控制，实现通信机房基础设施智能节能系统的设计与实现。并对实际运行效果进行了记录和分析，阐明了该系统在通信机房分体空调管理和节能方面存在显著价值，值得广泛推广和继续深入研究。

1 存在问题分析

基站及机房空调能耗高，缺乏在线监控手段，大量分体空调缺乏远程或统一控制手段。造成了空调能耗高，主要体现在以下几个方面。

（1） 温度设定混乱。现实机房管理中，最理想状态为根据机房实际需求设定制冷温度，根据长期运行的观察，机房温度设定非常混乱，一般从18～25℃各种设定情况都有，主要运行在21℃左右。

（2） 管理没有抓手。接入间的大量分体空调在低温、高负荷连续运转，能耗浪费十分严重。接入间有大量的巡检和工程人员进入，由于需要一个舒适的环境，经常将空调制冷温度调低到18℃或以下，当人员离场后往往不会进行温度复原，空调长期运行在18℃左右。

（3） 设备寿命缩短。由于以上两种情况，空调在低温、大负荷状态下长期运行，使用寿命严重缩短。

（4） 运营成本增加。分体空调大负荷、不间断地使用空调，维护费用将成倍增加，电费更是大幅度地增加。

（5）人力资源成本浪费。根据统计，冬季有接近1000台空调可以关停，但分布在近2000个接入间总，每年关停两次空调需要接近2个多月的时间，还不一定能够完成，既造成几个月的用电浪费，又造成大量维护人力成本的浪费。

2 解决方案

2.1 概念介绍及设计要求

物联网的基本框架分为感知层、网络层和应用层3层结构。其中感知层负责温度、湿度、电流等物理数据的采集，为架构的最底层;网络层作为中间层，主要功能是将感知层采集到的物理数据信息传输给应用层;而应用层是架构的最高层，它主要用于对接收到的信号数据进行分析和处理，并通过发出信号对末端进行控制[1]。

本系统由采集控制单元、数据传输单元、电源、控制平台等构成。通过“智能硬件（采集）+智能算法”，实现机房智能化空调节能管控，包括机房温度采集分析、结合温控策略算法，远程自动启停空调。同时通过 AI 算法实现海量分体空调的节能。

2.2 工作原理

通过无线温感器识别温度上升/下降两种不同变化方向，为空调启停设置温控上下限窗口值。当温度上升至窗口上限（如32℃）時启动空调，当温度下降至窗口下限（如30℃）时关断空调，避免因机房环境温度波动而造成空调频繁启停，从而达到“按需供冷”的目的，节省空调无效能耗。如图1所示。

3 控制系统设计

3.1 系统网络构架

通信机房分体空调智慧节能系统采用物联网的架构：感知层通过无线温度传感器检测室内温度，通过无线电流监测装置监测空调的电流;网络层采用 TCP协议和5G/4G/NB网络将数据传输给应用层，即空调智慧节能控制平台;平台进行温度、运行情况、运行时间等多种参数的比对，并根据比对结果控制空调的整体运行。

集合物联网、大数据、机器学习等先进技术，以“降本增效”为建设核心理念，创新性实现对机房空调运维节能管控。在保障网络及设备安全的前提下，自动关断无效能耗场景下设备的电源供给，从而达到节能减排的目的。本方案已在多个省市开展应用，节能效果平均达到整站能耗的20%以上。如图2所示。

3.2 智能节电系统硬件部署方案

通信机房分体空调智慧节能系统的节能设备采用 RF 433 MHz工业应用非授权频段的 Air? Link 无线物联网通信技术;采用无线物联局域网的组网方案：机房独立部署AirLink无线局域网，所有在机房内的节能设备可以上电免操作自动认证接入，现场施工更方便灵活，改造容易，AirLink 自组网协议对外开放，扩展性强。

同时，智慧节能系统引入4G 网关边缘计算：4G 网关接收云端服务器反馈的节能策略。通过 AirLink网络采集各传感器数据，完成节能控制开关动作，时刻保持机房空调高效运行，节约能耗。如图3所示。

3.3 交互界面和后台服务应用系统设计

客户端服务系统和后台服务应用系统是节能系统功能体现的关键部分，作用如下所述。

（1） 客户端服务系统的主要作用是从云服务器中调通信机房中所有分体空调运行过程中产生的各种数据信息，并对这些数据进行全面的分析和统计，以可视化的形式呈现到客户眼前。可以给客户展示空调的健康状态、空调的故障数据、空调的电量数据等。用户通过 pc 端或手机端可以清晰地看到分体空调的各种运行情况。另外，可以查询多种数据，实时掌握全局分体空调的运行情况[9]。

（2） 后台服务应用系统相当于连接监测系统和客户端服务系统之间的纽带，基于监测系统获得的数据信息，首先需要通过后台服务应用系统进行分析，然后才能呈现给客户端服务系统进行查询。后台服务应用系统会在第一时间分析和处理监测到的数据信息，对综合机房大量分体空调进行远程或统一控制，对空调进行实时监控、远程启停、自动控温、智慧节能及能耗实时监测，精准统计等。同时实现全市接入机房的空调统一管理，平台实现远程启停、实时监控空调的在线状态、温度、湿度及功率。在平台制定节能策略，通过无线温感器识别温度上升/下降两种不同变化方向，为空调启停设置温控上下限窗口值，达到智慧节能的效果。如图4所示。

4 智能硬件设计

在完成网络架构、客户端服务系统和后台服务应用系统后，需要对智能硬件进行设计和选型，只有各项参数、协议与系统融为一体，才能实现通信机房分体空调智慧节能系统的流畅运行。

4.1 空调节能控制器

如图5所示。设备接线完成后自动通电;三色状态指示灯，在不同工作状态下呈不同颜色，在绿灯状态下为正常状态;通讯方式为无线物联网通信方式;无线频率为 431～527 MHz;电源输入为 AC 220 V + 10% /50～60 Hz;控制空调2台;整机功耗小于2.5 W;尺寸为290 mm×243 mm× 86 mm;质量小于 3 kg;工作温度为-20～60 ℃;相对湿度为40%～95%;大气压力为86～106 kPa。

4.2 4G智能物联网关

电源用12 V外接电源适配器或者使用空调节能控制器和基站节能控制器供电;通讯方式为4G通信、无线物联网通信方式;无线频率为431～527 MHz ;电源输入： DC 12V+10%;整机功耗小于2W;尺寸为110mm×102mm×28 mm;质量小于300 g;工作温度为-20～60℃;相对湿度为40%～95%;大气压力为86～106 kPa 。如图6所示。

4.3 无线温感器

电源用12 V外接电源适配器或者使用空调节能控制器和基站节能控制器供电;通讯方式为无线物联网通信方式;无线频率为431～527 MHz ;电源输入为 DC 12 V+10%;整机功耗小于2 W;尺寸为70 mm×76mm×35mm ;质量小于150 g;工作温度为-20～60℃;相对湿度为40%～95%;大气压力为86～106 kPa 。如图7所示。

5 实践及效果分析

某电信威乐珠宝机房原有1台海雾5P精密空调，1 台格力5P变频空调，同时给2台5P空调加装空调节能管理装置，2021-06-03至2021-06-14以普通模式和节能模式交替运行测试（策略为空调上电温度设置33℃，空调下电温度设置31℃），如图8所示。

本次测试结果显示，空调能耗降低明显，平均节能率达到49.35%。因此基于机房温度指标，通过智能控制空调启停，能达到“按需供冷，节能”目的。

6 结束语

通信機房星罗棋布，海量分体空调的管理和节能一直是让管理者头痛的难题，而本文设计通信机房分体空调智慧节能系统就是一套适用于通信机房分体空调切实可行的节能方案。通过这套系统，通信机房管理者可以便捷地了解海量分体空调的运行情况，降低管理难度;同时通过远程智能控制，让分体空调合理运转，提高分体空调的节能率，延长分体空调寿命，节约了通信企业的管理和维护成本，具有推广价值。

参考文献：

[1]王超.基于 ZigBee技术的机房温湿度监控系统设计[D].大连：大连理工大学，2019.

[2]谢敬锐.基于红外遥控的楼宇空调集中控制系统[J].电脑知识与技术，2020，16（22）：233-234.

[3]李锋.基于深度学习的智能家居控制系统设计[D].天津：天津理工大学， 2021.

[4]林东旭.基于窄带物联网的空调控制平台的设计[J].无线互联科技， 2019，16（6）：14-16.

[5]何红明.基于 PLC控制的中央空调系统设计[D].绵阳：西南科技大学， 2019.

[6]李广路.基于 Zigbee的智能家居系统的研究与实现[D].成都：西南交通大学， 2011.

[7]赖金萍，姜佳楠，魏延庆.基于无线通信的空调环境控制系统的设计[J].电工技术，2019（4）：11-12.

[8]于丹.基于物联网的分体空调节能控制改造及效果验证[J].暖通空调，2021，51（5）：119-122.

[9]范彦平.建筑工程分体空调智慧管理系统的设计及应用[J].河南科技，2021，40（17）：97-99.

[10]王田丰，孙洪欣，谢振华.接入间及中小机房空调智能控制节能系统的研究与应用[J].电信技术， 2017（4）：15-16.

[11]杨勇利.用 VB开发的基于 Modbus规约的直播室分体空调无线智能监控系统[J].工业控制计算机，2018，31（8）：45-46.

[12]瞿端人.某宾馆空调系统节能改造实例分析[J].福建建设科技， 2017（4）：127-128.

第一作者简介：磨俊儒（1988-），硕士，助理工程师，研究领域为数据中心电源系统、中央空调系统、ups系统、通信机楼基础设施等。

（编辑：王智圣）