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摘 要：通过分析数据中心的能耗组成和存在问题，介绍基于物联网的数据中心能耗管控系统的技术方案以及架构组成。
关键词：能耗管控系统 数据中心 物联网
中图分类号：TP308 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-088-02
随着互联网的宽带化、移动化和物联网的兴起，互联网以更大规模向更高水平高速发展，互联网数据中心迎来了建设高潮期。当前我国各类数据中心总量约50多万个，可容纳服务器共约500万台。2011年，我国数据中心总耗电量达700亿千瓦时，占全社会用电量的1.5%。数据中心的高能耗，不仅给企业带来了沉重的负担，也造成了社会能源的巨大浪费。为了推动数据中心的节能减排，工业和信息化部在《工业节能“十二五”规划》提出，“到2015年，数据中心PUE值需下降8%”的目标。PUE（Power Usage Effectiveness，电源使用效率）值是国际上通用的数据中心电力使用效率的衡量指标，指数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源之比。PUE值越接近于1，表示一个数据中心的绿色化程度越高。全球数据中心的平均PUE是2.0，发达国家数据中心的PUE约为1.8，日本部分数据中心的PUE可达1.5，Google的数据中心PUE可达1.2以下。在我国，80%以上的数据中心PUE均大于2.0，有的甚至高达3.0以上。
1 数据中心的能耗组成和存在问题
近10年来，数据中心运营的开支增长速度是其他开支增长速度的3倍；高密度服务器3年的能耗开支等于它们的购置费用。供电和散热开支已经成为数据中心可扩展的主要限制。数据中心的能耗组成如图1所示。
图1 数据中心的能耗组成
数据中心能耗主要集中在两个方面：一个是IT设备；另一个是机房基础设施。从技术层面上看，解决高耗能现状，目前有两个工作方向：一个是降低IT设备尤其是服务器的能耗，结合云计算和虚拟运算技术，集中管理、分配数据中心的运算负荷，通过在硬件层面关闭无负荷服务器，从而降低IT设备损耗实现节能。另一个是降低机房设施的能耗，降低机房设施的能耗是一个系统工程，而且数据中心的需求不断在变化、功率密度继续增长、未来容量和密度的不确定性、可用性的要求越来越高、IT技术迅速地变化适应性和要求越来越高、预算又不断增加以及功率发生动态变化等各种因素增加了节能降耗的复杂性。
目前国内数据中心节能降耗的主要困难和问题在于：（1）缺乏技术手段获取全面和准确的PUE数据、发现PUE提升空间，为制定和实施节能方案提供决策支持；同时数据中心的PUE指标体系和标准也尚未建立。（2）作为数据中心能耗“大户”的制冷系统，其温度传感和控制还停留在“房间级”，无法实现精确感知和控制。（3）数据中心对能耗的管控还不系统，各种相关工作相互独立，导致节能效果不理想。
2 基于物联网的数据中心能耗管控系统技术方案
数据中心中，IT设备、供配电设备和制冷系统是机房能源开销的三大主要部分。IT设备由于业务的负载不同，能耗会有较大的波动，通过搜集全面准确PUE数据为应用层管理系统节能决策提供充分的参考基础数据，如结合CPU、内存等数据，可以时段性的物理关闭（开启）某些闲置的服务器等，达到节能效果。实时现场的PUE数据又可以作为供配电系统调度控制的基础决策数据，通过适当的调整各级电源供给策略，可以提高配电效率，达到节能效果。通过传感设备收集实时全面的设备运行温度数据，精确计算并预测冷荷负载，结合智能机柜的风门控制，可以提高制冷冷风效率，达到节能效果。
图2 系统技术方案
基于物联网的数据中心能耗管控系统，通过部署在机柜级的传感器和感知设备及网络采集准确详细的电能和环境（温度等）参数，传送到服务器端计算PUE值，生成直观的数据中心热点视图，为数据中心节能决策提供目标方向和论证依据；同时，实施机柜级的实时节能控制。另外，采用标准和通用的协议保持系统的开放性，使得其他智能设备和系统也可以方便纳入统一的系统中。系统技术方案如图2所示。
物联网智能IDC机柜，对电能和环境数据（温度、湿度、烟雾等）进行机柜级感知，智能监控单元SU一方面收集感知数据通过以太网网络交换机连接管控中心服务器，另一方面对机柜相关部件（如风门）进行实时控制，达到节能的目的。对感知数据的传输，采用带外数据传输方式，避免管控功能影响数据中心设备的正常工作；同时，采用有线和无线结合的方式，避免密集传感导致的传输不可靠、能耗增加等问题；采用zigbee低功耗传感网降低带外传输引入的能耗并减少布线开销；各机柜之间采用zigbee自组网传输感知数据，方便新的传感设备加入网络中。对收集的数据进行全面的PUE计算和分析，获得机柜级、区域级和机房级PUE数据，同时考虑PUE数据的时间和空间特性，并实现热点可视化，热点可视化如图3所示；根据数据分析结果，提供故障预警；提供实时和远程监控平台，为数据中心管理人员提供节能决策支持，同时为基于云计算的数据中心节能技术提供PUE基础数据和时空热点信息。
图3 数据中心热点可视化示意图
3 基于物联网的数据中心能耗管控系统架构
基于物联网的数据中心能耗管控系统主要由感知层、网络层和应用服务层组成，其架构如图4所示。
图4 系统架构图
感知层由智能监控单元、各种传感器、数据采集器、智能仪表和智能子设备等组成。感知层中的智能子设备和传感器包括：（1）用于电能能耗和其它电力参数监测的传感器和数据采集器有电流互感器、霍尔电流传感器、模拟量采集器（温度、电压、电流等）和智能电表。（2）用于节能控制的传感器、智能控制单元和智能子设备有温度传感器、智能新风系统和新风空调，以及设备中用于设备监控的监控单元（控制器）。（3）用于机房设备环境状态监测的开关量数据信号采集器（烟雾传感器、水位传感器、红外移动探测器）。
网络层由Internet网络、移动通信GPRS/CDMA/3G网络、局域网（Intranet、DCN）、以太网络设备、RS485总线和ZigBee无线网络与通讯介质等组成。网络层是数据信息交换的桥梁，负责对感知层（现场设备）上传的数据信息进行采集、分类和传送等工作的同时，下传管控中心对现场设备的各种控制命令。
应用层由管控中心[管控中心系统软件（服务器和数据库）]、工作站、Web服务器、Web客户端（PC机和手机等移动终端）等组成。
系统功能主要包括：（1）数据中心低压配电网络节点或设备（负载）的电能消耗等电力参数实时监测；（2）对收集的数据进行全面的PUE计算和分析，获得机柜级、区域级和机房级PUE数据，同时考虑PUE数据的时间和空间特性，实现热点可视化。（3）根据数据分析结果，提供故障预警；提供实时和远程监控平台，为数据中心管理人员提供节能决策支持，同时为基于云计算的数据中心节能技术提供PUE基础数据和时空热点信息。（4）机房/设备节能控制：根据IT设备的运行环境要求、气候环境变化和设备负载变化，对设备进行节能控制；（5）电能消耗数据统计分析：根据管理需求，对能耗数据进行统计计算和趋势分析、输出报表、给出预警信号等；（6）数据中心中配电系统和空调系统状态监测告警，在低压配电网络节点监测通信设备是否过载或短路，配电系统是否出现电源故障（断电、缺相、开关跳闸等），通过感知层的温度传感器监测空调系统是否出现故障（停止运行）。
4 结语
基于物联网的数据中心能耗管控系统从能耗监测、PUE分析评估和节能控制三个方面为互联网数据中心的节能减排提供创新型的技术和管理手段，对于能耗监测、节能控制和计算机辅助能效管理具有重要的技术促进作用，在互联网数据中心的节能减排和智能化管理应用中前景广阔。
参考文献：
[1] 高一川，郑贵林.基于ZigBee网络的能源管控系统设计与实现[J].自动化与仪表，2012（03）.
[2] 周伏秋，谷立静，孟辉.数据中心节能和优化布局研究[J].电力需求侧管理，2011（03）.
[3] 张红，王娜，尚伟林，等.基于物联网技术的建筑能源管理系统[J].现代建筑电气，2012（7）.
关键词：能耗管控系统 数据中心 物联网
中图分类号：TP308 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）006-088-02
随着互联网的宽带化、移动化和物联网的兴起，互联网以更大规模向更高水平高速发展，互联网数据中心迎来了建设高潮期。当前我国各类数据中心总量约50多万个，可容纳服务器共约500万台。2011年，我国数据中心总耗电量达700亿千瓦时，占全社会用电量的1.5%。数据中心的高能耗，不仅给企业带来了沉重的负担，也造成了社会能源的巨大浪费。为了推动数据中心的节能减排，工业和信息化部在《工业节能“十二五”规划》提出，“到2015年，数据中心PUE值需下降8%”的目标。PUE（Power Usage Effectiveness，电源使用效率）值是国际上通用的数据中心电力使用效率的衡量指标，指数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源之比。PUE值越接近于1，表示一个数据中心的绿色化程度越高。全球数据中心的平均PUE是2.0，发达国家数据中心的PUE约为1.8，日本部分数据中心的PUE可达1.5，Google的数据中心PUE可达1.2以下。在我国，80%以上的数据中心PUE均大于2.0，有的甚至高达3.0以上。
1 数据中心的能耗组成和存在问题
近10年来，数据中心运营的开支增长速度是其他开支增长速度的3倍；高密度服务器3年的能耗开支等于它们的购置费用。供电和散热开支已经成为数据中心可扩展的主要限制。数据中心的能耗组成如图1所示。
图1 数据中心的能耗组成
数据中心能耗主要集中在两个方面：一个是IT设备；另一个是机房基础设施。从技术层面上看，解决高耗能现状，目前有两个工作方向：一个是降低IT设备尤其是服务器的能耗，结合云计算和虚拟运算技术，集中管理、分配数据中心的运算负荷，通过在硬件层面关闭无负荷服务器，从而降低IT设备损耗实现节能。另一个是降低机房设施的能耗，降低机房设施的能耗是一个系统工程，而且数据中心的需求不断在变化、功率密度继续增长、未来容量和密度的不确定性、可用性的要求越来越高、IT技术迅速地变化适应性和要求越来越高、预算又不断增加以及功率发生动态变化等各种因素增加了节能降耗的复杂性。
目前国内数据中心节能降耗的主要困难和问题在于：（1）缺乏技术手段获取全面和准确的PUE数据、发现PUE提升空间，为制定和实施节能方案提供决策支持；同时数据中心的PUE指标体系和标准也尚未建立。（2）作为数据中心能耗“大户”的制冷系统，其温度传感和控制还停留在“房间级”，无法实现精确感知和控制。（3）数据中心对能耗的管控还不系统，各种相关工作相互独立，导致节能效果不理想。
2 基于物联网的数据中心能耗管控系统技术方案
数据中心中，IT设备、供配电设备和制冷系统是机房能源开销的三大主要部分。IT设备由于业务的负载不同，能耗会有较大的波动，通过搜集全面准确PUE数据为应用层管理系统节能决策提供充分的参考基础数据，如结合CPU、内存等数据，可以时段性的物理关闭（开启）某些闲置的服务器等，达到节能效果。实时现场的PUE数据又可以作为供配电系统调度控制的基础决策数据，通过适当的调整各级电源供给策略，可以提高配电效率，达到节能效果。通过传感设备收集实时全面的设备运行温度数据，精确计算并预测冷荷负载，结合智能机柜的风门控制，可以提高制冷冷风效率，达到节能效果。
图2 系统技术方案
基于物联网的数据中心能耗管控系统，通过部署在机柜级的传感器和感知设备及网络采集准确详细的电能和环境（温度等）参数，传送到服务器端计算PUE值，生成直观的数据中心热点视图，为数据中心节能决策提供目标方向和论证依据；同时，实施机柜级的实时节能控制。另外，采用标准和通用的协议保持系统的开放性，使得其他智能设备和系统也可以方便纳入统一的系统中。系统技术方案如图2所示。
物联网智能IDC机柜，对电能和环境数据（温度、湿度、烟雾等）进行机柜级感知，智能监控单元SU一方面收集感知数据通过以太网网络交换机连接管控中心服务器，另一方面对机柜相关部件（如风门）进行实时控制，达到节能的目的。对感知数据的传输，采用带外数据传输方式，避免管控功能影响数据中心设备的正常工作；同时，采用有线和无线结合的方式，避免密集传感导致的传输不可靠、能耗增加等问题；采用zigbee低功耗传感网降低带外传输引入的能耗并减少布线开销；各机柜之间采用zigbee自组网传输感知数据，方便新的传感设备加入网络中。对收集的数据进行全面的PUE计算和分析，获得机柜级、区域级和机房级PUE数据，同时考虑PUE数据的时间和空间特性，并实现热点可视化，热点可视化如图3所示；根据数据分析结果，提供故障预警；提供实时和远程监控平台，为数据中心管理人员提供节能决策支持，同时为基于云计算的数据中心节能技术提供PUE基础数据和时空热点信息。
图3 数据中心热点可视化示意图
3 基于物联网的数据中心能耗管控系统架构
基于物联网的数据中心能耗管控系统主要由感知层、网络层和应用服务层组成，其架构如图4所示。
图4 系统架构图
感知层由智能监控单元、各种传感器、数据采集器、智能仪表和智能子设备等组成。感知层中的智能子设备和传感器包括：（1）用于电能能耗和其它电力参数监测的传感器和数据采集器有电流互感器、霍尔电流传感器、模拟量采集器（温度、电压、电流等）和智能电表。（2）用于节能控制的传感器、智能控制单元和智能子设备有温度传感器、智能新风系统和新风空调，以及设备中用于设备监控的监控单元（控制器）。（3）用于机房设备环境状态监测的开关量数据信号采集器（烟雾传感器、水位传感器、红外移动探测器）。
网络层由Internet网络、移动通信GPRS/CDMA/3G网络、局域网（Intranet、DCN）、以太网络设备、RS485总线和ZigBee无线网络与通讯介质等组成。网络层是数据信息交换的桥梁，负责对感知层（现场设备）上传的数据信息进行采集、分类和传送等工作的同时，下传管控中心对现场设备的各种控制命令。
应用层由管控中心[管控中心系统软件（服务器和数据库）]、工作站、Web服务器、Web客户端（PC机和手机等移动终端）等组成。
系统功能主要包括：（1）数据中心低压配电网络节点或设备（负载）的电能消耗等电力参数实时监测；（2）对收集的数据进行全面的PUE计算和分析，获得机柜级、区域级和机房级PUE数据，同时考虑PUE数据的时间和空间特性，实现热点可视化。（3）根据数据分析结果，提供故障预警；提供实时和远程监控平台，为数据中心管理人员提供节能决策支持，同时为基于云计算的数据中心节能技术提供PUE基础数据和时空热点信息。（4）机房/设备节能控制：根据IT设备的运行环境要求、气候环境变化和设备负载变化，对设备进行节能控制；（5）电能消耗数据统计分析：根据管理需求，对能耗数据进行统计计算和趋势分析、输出报表、给出预警信号等；（6）数据中心中配电系统和空调系统状态监测告警，在低压配电网络节点监测通信设备是否过载或短路，配电系统是否出现电源故障（断电、缺相、开关跳闸等），通过感知层的温度传感器监测空调系统是否出现故障（停止运行）。
4 结语
基于物联网的数据中心能耗管控系统从能耗监测、PUE分析评估和节能控制三个方面为互联网数据中心的节能减排提供创新型的技术和管理手段，对于能耗监测、节能控制和计算机辅助能效管理具有重要的技术促进作用，在互联网数据中心的节能减排和智能化管理应用中前景广阔。
参考文献：
[1] 高一川，郑贵林.基于ZigBee网络的能源管控系统设计与实现[J].自动化与仪表，2012（03）.
[2] 周伏秋，谷立静，孟辉.数据中心节能和优化布局研究[J].电力需求侧管理，2011（03）.
[3] 张红，王娜，尚伟林，等.基于物联网技术的建筑能源管理系统[J].现代建筑电气，2012（7）.