與實(shí)現(xiàn)摘要：隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，企業(yè)管理信息化進(jìn)程也隨之大幅度加快，企業(yè)IT資源的使用方式和管理模式發(fā)了巨大的變化，逐漸從分散的功能性資源轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)據(jù)中心為核心的創(chuàng)新型資源。但是，由于粗放式的管理模式和低水平的技術(shù)層次，使得無法高效地指引節(jié)能減排工作順利地進(jìn)行，導(dǎo)致能耗數(shù)據(jù)缺失、能耗管理成本增加、能耗評(píng)估機(jī)制不健全、節(jié)能方案不科學(xué)等許多難以解決的問題。文章設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)成本低、可靠性高、易維護(hù)，具有很好的實(shí)用性。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；環(huán)境監(jiān)控；能效管理；PUE；B/S框架引言隨著信息和數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來越多的IDC以及大型數(shù)據(jù)中心建成。數(shù)據(jù)中心主要研究方向是：提高數(shù)據(jù)中心自動(dòng)化維護(hù)效率以降低成本以及提高綠色節(jié)能以降低能源浪費(fèi)。對(duì)于大規(guī)模數(shù)據(jù)中心，機(jī)房存在的能耗過高、節(jié)能管理不當(dāng)?shù)葐栴}已經(jīng)日益顯著［1］，目前數(shù)據(jù)中心耗電量超過全國總耗電量1.5%，且以6%復(fù)合增長率增加，但是超過80%的能耗浪費(fèi)率使得數(shù)據(jù)中心的能源成本占到50%針對(duì)數(shù)據(jù)中心自動(dòng)監(jiān)控，國內(nèi)外主要集中在短距離的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式上，比如通過ZigBee或wifi將數(shù)據(jù)集中到上位機(jī)交互，缺點(diǎn)是傳輸距離受限，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干擾以及數(shù)據(jù)量較小。建立熱能管理能效評(píng)價(jià)指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)評(píng)估、控制機(jī)房能效的重要方式，建立環(huán)境控制量與能效指標(biāo)的預(yù)測模型，通過模型求出工況下最優(yōu)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)以達(dá)到能效控制。PUE指標(biāo)一直作為機(jī)房能效評(píng)價(jià)常用指標(biāo)，但是并不容易建立準(zhǔn)確的控制模型。RUI作為一種較新的評(píng)價(jià)指標(biāo)被提出，但是在工程應(yīng)用中并沒有很好的實(shí)踐示例。這里重點(diǎn)研究了大型數(shù)據(jù)中心大數(shù)據(jù)、可靠的近/遠(yuǎn)端監(jiān)控方式和能效控制的應(yīng)用。系統(tǒng)需求分析數(shù)據(jù)中心能耗管理系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能耗數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)、分析以及數(shù)據(jù)中心能效的水平評(píng)估并實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃及實(shí)施的功能。數(shù)據(jù)中心能耗管理系統(tǒng)采用先進(jìn)的測控、通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部各個(gè)組成系統(tǒng)的用能測量儀表持續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)控和測量，及時(shí)獲取各個(gè)系統(tǒng)的用能數(shù)據(jù)，以用能數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)數(shù)據(jù)分析技術(shù)、模型和工具，通過能效指標(biāo)分析計(jì)算模型和性能優(yōu)化模型，深入分析設(shè)備運(yùn)行和用能情況，指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心能耗的監(jiān)控和輔助管理。例如，指導(dǎo)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)科學(xué)制冷，提高系統(tǒng)制冷效率，防止數(shù)據(jù)中心過度制冷，造成制冷系統(tǒng)制冷能力及電量浪費(fèi)。優(yōu)化和調(diào)度服務(wù)器運(yùn)行的負(fù)載率，防止運(yùn)行負(fù)載率過低，造成供電系統(tǒng)整體效率降低和電能損耗問題。提高電能質(zhì)量，治理電污染，提高不間斷供電系統(tǒng)的的運(yùn)行效率，保證高可用性，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。以能源管理為中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的用能管理優(yōu)化能源利用水平和能效水平的識(shí)別，為節(jié)能優(yōu)化提供切實(shí)可行的節(jié)能措施，降低數(shù)據(jù)中心運(yùn)行成本，使效益的最大化。數(shù)據(jù)中心能耗構(gòu)成數(shù)據(jù)中心的動(dòng)力來源是由所在地市的供電網(wǎng)或者專門的發(fā)電設(shè)備設(shè)施提供，經(jīng)過變電、配電等多個(gè)環(huán)節(jié)處理后，為數(shù)據(jù)中心的各類耗能設(shè)備所用。數(shù)據(jù)中心的耗能設(shè)備包括以下設(shè)備：IT設(shè)備、制冷設(shè)備、供配電系統(tǒng)、照明等?！鲋?令設(shè)備■IT設(shè)備■I供配電系統(tǒng)照明等其他設(shè)備圖1數(shù)據(jù)中心設(shè)備能耗分布圖數(shù)據(jù)中心內(nèi)包括網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器、交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等多種類IT用能設(shè)備，用于承載網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)中心的服務(wù)系統(tǒng)，滿足客戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和通訊服務(wù)的需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶信息的管理和存儲(chǔ)，提高服務(wù)功能和水平。數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備用來保證IT設(shè)備工作時(shí)所處的環(huán)境達(dá)到其正常運(yùn)行時(shí)所需的舒適溫度和濕度環(huán)境。主要包括：（1）空調(diào)設(shè)備:包括中央空調(diào)、空調(diào)處理機(jī)組、行間制冷空調(diào)等。（2）制冷設(shè)備：包括風(fēng)冷室外機(jī)、恒溫恒濕機(jī)、冷卻塔、風(fēng)冷冷凝器、壓縮機(jī)等。（3）新風(fēng)系統(tǒng)：包括變風(fēng)量空調(diào)箱、回風(fēng)風(fēng)扇、低噪音通風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥等。數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)可以為數(shù)據(jù)中心內(nèi)給類的IT用能設(shè)備提供正常運(yùn)行所需的電流和電壓，供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性，直接影響到數(shù)據(jù)中心的服務(wù)性能。數(shù)據(jù)中心中其他耗能的基礎(chǔ)設(shè)備，包括數(shù)據(jù)中心安防設(shè)備、照明設(shè)備、辦公設(shè)備、傳感器以及數(shù)據(jù)中心建筑管理相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)備。數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)是數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)、運(yùn)維、升級(jí)和改進(jìn)必不可少的指導(dǎo)依據(jù)用以衡量數(shù)據(jù)中心能效水平，它能夠客觀地反映數(shù)據(jù)中心運(yùn)營過程中能源使用情況，可以作為數(shù)據(jù)中心之間能效評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)［5］。考慮到數(shù)據(jù)中心能效指標(biāo)的科學(xué)性、可優(yōu)化性和可操作性，規(guī)范將電能利用效率、局部電能利用效率、制冷/供電負(fù)載系數(shù)和可再生能源利用率作為數(shù)據(jù)中心能效測評(píng)的基本指標(biāo)。數(shù)據(jù)中心的總耗電是指維持?jǐn)?shù)據(jù)中心正常運(yùn)行的所有設(shè)備耗電量地總和，包括IT設(shè)備、制冷設(shè)備、供配電系統(tǒng)和其它基礎(chǔ)設(shè)施的耗電。如果數(shù)據(jù)中心所在建筑同時(shí)用于辦公等其它用途，則辦公等所消耗的電能不包括在數(shù)據(jù)中心總耗電中。在數(shù)據(jù)中心中，只有IT設(shè)備的耗電被認(rèn)為是“有意義”的電能。電能利用效率的實(shí)際含義，是計(jì)算在提供給數(shù)據(jù)中心的總電能中，有多少電能是真正應(yīng)用到IT設(shè)備上。根據(jù)定義，電能利用效率值的取值范圍為1.0到無窮大，數(shù)據(jù)中心機(jī)房的電能利用效率值越大，則表示制冷和供電等配套基礎(chǔ)設(shè)施所消耗的電能越大。電能利用效率定義簡單、易于操作，只需分別測量出數(shù)據(jù)中心總耗電和IT設(shè)備耗電，就能計(jì)算出數(shù)據(jù)中心的電能利用效率值。局部PUE（PartialPowerUsageEffectiveness，局部電能利用效率）是對(duì)電能利用效率概念的補(bǔ)充和擴(kuò)展，完成對(duì)數(shù)據(jù)中心內(nèi)部子系統(tǒng)的能效評(píng)估和能耗數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心電能利用的精細(xì)化管理。在采用局部電能利用效率指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)中心能效水平評(píng)估時(shí)，首先根據(jù)需求對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行區(qū)域的劃分，形成多個(gè)ZONE（區(qū)域）。例如，對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)中心建筑中的一個(gè)機(jī)房，或者一個(gè)集裝箱數(shù)據(jù)中心的集裝箱模塊，都可以作為一個(gè)ZONE（區(qū)域），如圖2所示。局部電能利用效率反映了數(shù)據(jù)中心固定區(qū)域的能效狀況或是部分設(shè)備的能耗情況，局部電能利用效率會(huì)影響到整體電能利用效率值，局部整體電能利用效率值會(huì)在圍繞整體電能利用效率值浮動(dòng)。為了更高效和快速地提高數(shù)據(jù)中心能源的是使用效率，首先通過局部電能利用效率值找到能效水平低的區(qū)域，提高該區(qū)域的能源使用效率。局部電能利用效率適合應(yīng)用于大型的數(shù)據(jù)中心，因?yàn)榇笮偷臄?shù)據(jù)中心大多采用模塊化和集裝箱的設(shè)計(jì)模式，有利于區(qū)域的選取和劃分。另外，由多個(gè)機(jī)房的較大型數(shù)據(jù)中心也適合采用局部能效評(píng)估的評(píng)估方式。制冷負(fù)載系數(shù)和供電負(fù)載系數(shù)是對(duì)電能利用效率的補(bǔ)充和深化，可以通過計(jì)算制冷負(fù)載系數(shù)和供電負(fù)載系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)的精細(xì)化分析和管理。假設(shè)忽略安防、日常辦公等少量耗電系統(tǒng)的能耗，數(shù)據(jù)中心的總耗電量可由下面的公式表示：數(shù)據(jù)中心總耗電心制冷設(shè)備耗電+供配電系統(tǒng)耗電+IT設(shè)備耗電可再生能源是指在自然界中可以循環(huán)再生的能源，主要包括太陽能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿?。用于衡量?shù)據(jù)中心利用可再生能源的情況以促進(jìn)可再生、無碳排放或極少碳排放的能源利用?？刂浦行膯卧O(shè)計(jì)控制中心單元（CCU）主要設(shè)計(jì)功能是采集機(jī)柜數(shù)據(jù)與上位機(jī)通信，同時(shí)向管理人員手機(jī)發(fā)送煙霧、水浸、過壓、欠壓、UPS啟動(dòng)報(bào)警信息，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的重要部分。中心模塊的主控芯片采用STM32F407ZGT6,中心單元移植LwIP協(xié)議棧，通過tcp/IP協(xié)議與上位機(jī)通信。LwIP可在保持TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM和ROM的占用，實(shí)現(xiàn)在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行時(shí)的輕量化和可靠性［2,3］。定義了兩個(gè)DMA描述符用于完成接收/發(fā)送FIFO和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸，分別用于接收/發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)［4］。定義結(jié)構(gòu)體進(jìn)行協(xié)議棧數(shù)據(jù)包及網(wǎng)絡(luò)接口的管理［5］。中心控制單元的短信報(bào)警功能采用SIM900A芯片與主控制器串口通信，通過AT指令以Text短信方式將報(bào)警信息發(fā)送給指定管理員手機(jī)?；贚wIP的中心控制單元經(jīng)過長時(shí)間測試使用，具有很好的穩(wěn)定性，丟包率最高低于10%，能夠滿足數(shù)據(jù)中心日常使用?；谀苄гu(píng)價(jià)指標(biāo)的系統(tǒng)熱能控制管理行能效管理評(píng)估和優(yōu)化，以PUE和RUI/SHI指標(biāo)進(jìn)行分析和仿真優(yōu)化并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。PUE=數(shù)據(jù)中心所有設(shè)備總耗能/所有IT設(shè)備總耗能。PUE用于實(shí)際工程中監(jiān)控指標(biāo)，但在對(duì)能效管理仿真中，PUE參數(shù)并不能直接求解得到，將使用新的指標(biāo)來作為替代參數(shù)進(jìn)行仿真和優(yōu)化，并找到PUE和RUI指標(biāo)聯(lián)系，用于實(shí)際工程評(píng)價(jià)和控制。RUI/SHI指標(biāo)RUI越高，則數(shù)據(jù)中心能效評(píng)價(jià)越高，越綠色節(jié)能。RUI/SHI中的參數(shù)便于仿真求解，但是作了很多理想化處理，包括出風(fēng)管道與流體不發(fā)生熱交換，冷空氣在機(jī)柜中與空氣的混合是均勻的，但是RUI或SHI依舊是可信度很高的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于系統(tǒng)的仿真也有很好的便捷性。指標(biāo)仿真與預(yù)測模型建立采用Flotherm進(jìn)行仿真，設(shè)定仿真機(jī)房是6.0*4.0*3.0m，空調(diào)制冷功率4kW，設(shè)備熱負(fù)荷功率（2~3）kW，通過將仿真得到在滿足數(shù)據(jù)中心機(jī)柜工作溫度在（25~30）°C的換熱條件下RUI指數(shù)與制冷溫度、送風(fēng)流量、熱負(fù)荷功率關(guān)系。可以得出，仿真得到RUI設(shè)定溫度在滿足機(jī)柜溫度要求時(shí)最佳為14C左右，送風(fēng)流量隨著熱負(fù)荷功率和設(shè)定溫度不同，有一個(gè)最優(yōu)值?；赗AW接口和B/S框架的上位測控中心設(shè)計(jì)前文中心單元的LwIP提供了RAW接口，用于完成TCP/IP通信，本節(jié)將各機(jī)柜中心單元作為web服務(wù)器，通過web瀏覽器對(duì)各服務(wù)器進(jìn)行訪問（B/S框架），達(dá)到數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制的目的。另外，設(shè)計(jì)了廣域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將局域網(wǎng)內(nèi)本地?cái)?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中，訪問web應(yīng)用服務(wù)器，通過服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)庫JDBC接口獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在廣域網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心監(jiān)控。利用CGI和SSI完成瀏覽器在局域網(wǎng)內(nèi)對(duì)各服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的頁面訪問和數(shù)據(jù)交互，達(dá)到在局域網(wǎng)上參數(shù)監(jiān)測和控制的目的，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到本地?cái)?shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫以實(shí)現(xiàn)在/離線監(jiān)控。廣域網(wǎng)內(nèi)通過訪問網(wǎng)絡(luò)web應(yīng)用服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。Web應(yīng)用服務(wù)器選用TomCatV7，數(shù)據(jù)庫選用MySQL5.5版本。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)power_tb、environment_tb、alarm_tb、control_tb分別用于存儲(chǔ)動(dòng)力參數(shù)、環(huán)境變量、報(bào)警參數(shù)以及控制參數(shù)，數(shù)據(jù)庫模塊中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表的部分設(shè)計(jì)。結(jié)論（1）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于LwIP的數(shù)據(jù)中心機(jī)柜中心控制及網(wǎng)關(guān)單元，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心機(jī)柜動(dòng)力參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、精密空調(diào)參數(shù)以及安防參數(shù)采集、與上位機(jī)通信和安防報(bào)警的功能。（2）以RUI/SHI作為數(shù)據(jù)中心能效評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)仿真得到指標(biāo)與熱負(fù)荷功率、制冷溫度、送風(fēng)量數(shù)學(xué)關(guān)系，通過預(yù)測模型計(jì)算得到特定工況下的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示優(yōu)化后的節(jié)能效果明顯。（3）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于B/S框架局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控管理系統(tǒng)具有成本低廉