基于STM32 的数据中心暖通空调自动控制系统设计

时间：2024-05-04

林敏鑫

（深圳市深蓝电子股份有限公司广东省深圳市 518034）

当前世界在大数据、云计算高速发展的背景下，数据中心呈现出规模化发展，如此所带来的能耗问题越发突出，其中空调系统能耗约占整个数据机房能耗40%左右。因此在设计中如何提高空调系统运行效率，降低能耗数据中心的设计、建设与运行，这是新时期建设内容的重点，基于STM32 的暖通空调自动控制系统设计能对整个室内空间采暖实现控制，达到降低能耗与智能控制目的。

1 数据中心暖通空调研究背景

近年来我国互联网产业快速发展，国家政策支持大数据与云计算，互联网产业基础设施以前所未有的建设速度不断发展。数据中心有大量设施与设备，数据中心IT 设备运行会散发大量热，因此数据中心安全可靠的制冷系统是数据中心服务正常的重要保障。数据中心根据不同地理位置选择不同制冷方案，借助自动控制系统，能减少数据中心空调系统运行能耗，减少人力成本的同时提高管理水平，也可以推动空调系统技术发展。数据中心制冷系统一旦存在故障，机房内温度不断上升，严重影响IT 设备正常运行而威胁数据中心的安全，给数据中心带来巨大损失。因此借助自动控制系统，实现对空调设备的集中控制、自动监控、自动故障处理，从而避免人工操作的不确定性，保障空调制冷合理。根据2015 年《关于印发国家绿色数据中心试点工作方案的通知》文件的出台，我国关于数据中心的PUE（Power Usage Effectiveness）仍旧大于2.2，PUE 为数据中心能源效率指标，低于世界水平，节能潜力巨大。数据中心投入使用之后是空调控制系统优劣影响到数据中心能耗水平。传统人工控制运维人员技术水平低下，责任心不强，导致空调系统能源效率低下，只有采取高效节能自动控制系统来实现对中央空调系统的管理，能提高空调运行水平降低苏韩剧中心的PUE。

2 数据中心空调系统介绍与控制需求

2.1 空调系统

空调系统是以各种设备以组合方式对建筑物进行集中供冷或者是供热的系统，由冷热源系统、冷媒输送系统、空气分布系统来组成。在实际设计中这部分系统均是进行独立设计、控制方案的选择。冷源系统与冷媒输送系统在新时期呈现出多样化形式，根据冷机、水泵组合方式，由并串联、串并联形式，而根据冷机选择冷量的形式呈现出多种形式。

冷机是组合装置，是压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等组合为一体的装置，冷机时候空调系统的核心设备，在投资初期占据极大份额，后期占据巨大能耗。根据压缩制冷形式的不同，冷机可以分为离心式、螺旋式、活塞式等。水泵是中央空调主要的动力设备，包含冷冻泵与冷却泵。冷却塔主要促进水与空气的换热，按照空气与水的流动方向，分为逆流式、横流式、混流式冷却塔，冷却塔主要由风机、电机、播水系统、散热材、塔体组成。冷却阀门与冷却塔阀门主要控制水路通断，一般为电动蝶阀，集成有电动执行器与阀门，电动执行器根据电源信号来开启与关闭操作。

一般空调系统由设计院设计操作，各设备按照建筑物最大负荷来选择，预留出足够余量，整体上来看节能潜力巨大。

2.2 数据中心空调控制特征

当前互联网、云计算中心与大数据产业发展速度加快，数据中心建设呈现出大规模化，随之产生高能耗也受到了人们的广泛关注。数据中心耗能主要由信息设备、空调系统、电源系统三部分组成。在数据构成中信息设备能耗约占整个数据中心能耗的45%；空调系统能耗约占整个数据中心能耗40%，电源系统能耗约占数据中心的10%。数据中心建设规模不断扩大，系统的自动控制成为趋势的，越来越多数据中心重视自动控制系统的设计。自动控制系统设计要点有：

（1）现代数据中心具有高能耗、高集成度、高热密度、高保障的要求，在设计中需要充分结合现代模拟手段，对数据中心房间内气流组织进行详细模拟，让机房区域内的温湿度控制在合理范围之内。

（2）数据中心机房对清洁度有要求，在设计中需要尽量将数据中心设置在建筑物中心位置，避免室外空气渗透进入机房区域内，选择密闭性良好的窗户。在窗户上设置在遮阳措施，减少窗户辐射热。

（3）在设计中由于数据中心全年不间断运行，能设置热回收冷水机组，为整个建筑提供良好的供热环境，减少锅炉使用范围降低碳排放量，实现节能环保。

2.3 空调自动控制需求

根据GB/T50155-2015《采暖通风与空调节术语标准》对空调自动控制定义为：“利用控制装置模仿人或者代替人去对设备、系统、生产过程进行操作。”要实现这两点，就要满足两个基本要求：无人参与、实现控制目标。因此自动控制要求如下：

（1）设备运行安全稳定，空调系统运行中对设备操作不当容易出现损坏故障，带来经济损失。设备运行在安全范围之内是自动控制系统最基本要求，需要针对设备的连锁启停控制来合理设置，以及处理运行中存在异常现象。

（2）正确的故障处理方式，系统运行中难免出现故障，出现故障之后能够自动处理是全自动控制系统的基本要求。

（3）具备节能性，空调系统需要控制量非常多，系统复杂，难以从理论模型上找到最优控制策略。因此在选择控制策略的时候要从系统整体把控，考虑设备之间的相互影响，选择最节能的策略。

（4）监控界面，监控界面确保人机交互合理，在系统运行期间内不仅仅要监控设备运行状态，还要对设备运行参数、报警情况、日志记录等进行监视、操作，全方面提高监控界面管理水平。

（5）合理设置参数，比如加机温度、冷却塔启动温度、开机时间等均与环境相关，对这些参数进行灵活设置，可以满足在不同环境下的运行。

（6）详细系统日志是档案资料的一部分，不仅仅有利于维护管理，也有利于系统的优化改进。

数据中心的功能与特征决定了数据中心对空调系统有一定的特殊性，需要满足以下要求：

（1）有限保障末端供冷；

（2）提供紧急供冷措施；

（3）操作界面简单操作速度快；

（4）合理的报警功能。

3 基于STM32的调控系统设计

3.1 系统软件总体设计

该设计主要以单片机最小系统模块、温湿度采集、显示模块、键盘模块、报警模块构成，STM32 单片机作为核心处理器，主要完成功能有：对数据中心温度实时检测、可按照指令改变控制参数、将检测温度显示出来。以STM32单片机最小系统作为核心控制电路，传感器采集温湿度作为STM32 单片机输入内容，而电机驱动模块、液晶显示屏、按键模块作为STM32 的输出。选择温度传感器，以DS18B20，该传感器由数字温度传感器、内置模数转换，能够直接与单片机相连接。液晶显示也可以直接与单片机相连。通过传感器采集室内温湿度，单片机将数据处理之后发送到液晶显示器中，显示内容为所测的实际温度与设定温度上下限。键盘设置温度阈值，假设所采集温度不再设置的阈值范围之内，则STM32 发送指令控制电机驱动模块，让电机正常工作，实现室内控制。按照系统功能要求，在保障空调功能基础上需要尽可能降低成本，围绕上述思想，初步方案设计如下：

（1）选择STM32F103RCT6 单片机，该单片机有144 个引脚，为32 微处理器M3 内核，最大时钟频率为72MHz，处理速度快且效率高，内部有8 个定时器，能够输出4 路PWM 波，内部有多路AD、DA 等，配置接口有SPI、I2C 接口等等，内部资源丰富，作为处理器极为方便。该单片机价格较为便宜，可以作为空调的主控器。

（2）数字温度传感器DS18B20，该传感器数据供电方式是以寄生电源方式，对数据中心电源不会造成影响，电压适应范围较快，与单片机连接的时候仅仅需要一根线就可以实现连接，满足双向通信需要。该传感器单线接口方式十分特殊，同时也非常方便，可以将多个传感器并联，能实现组网的多点测温功能。全部传感器检测元件和转换电路宛如三极管集成在电路之内，在使用的时候不需要外围元件，测温范围为-55℃～+122℃之间，-10℃～+85℃的精度为±0.5℃之间，有9～12 为可编程分辨率，相对可分辨温度依次为0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃，能够实现高精度测温。9位数分辨率最大可以在93.75毫秒之内将温度转换为数字，速度非常快，能直接将所测量的数字温度信号结果传输到CRC 校验码，以串行的方式传输给CPU，具备极强的抗干扰能力与纠错能力。在电源极性接反的时候芯片不会因为发热烧毁，但是也无法正常工作。

3.2 系统硬件设计

硬件部分主要包括温度采集、单片机STM32 模块、电机驱动模块、按键模块、显示模块。

3.2.1 控制模块

该模块主要是完成单片机发出的升温、降温操作。STM32F103RCT6 单片机作为CPU，DS18B20 采集温度直接输出数字信号，后单片机处理执行系统。温度高于温度上限值，STM32F103RCT6 单片机向执行电路发送降温指令，系统发光二极管绿灯亮起，提供管理使用人员温度过高，需要及时降温，启动风机。温度低于设定下限的时候单片机向温度控制执行电路发送升温指令，二极管红灯亮，提供使用者温度过低进行升温操作。

3.2.2 STM32

STM32 单片机系列具备高性能、低成本、低功耗的嵌入式芯片，作为专门的ARM Cortex-M3 内核，按照性能可以分为增强型STM32F103 系列、基本型STM32F101 系列，增强型时钟频率达到72MHz，是这一系列产品中频率是最高的；基本型频率为36MHz，因此使用16 位产品一样的价格能够得到比16 位产品更大的性能，是最好的选择。两个系列中不同的是SRAM 的最终容量与外设接口组合。将STM32F103RCT6 单片机作为处理器，有32 位处理器，内核Cortex-M3，为并行总线结构，嵌套中断向量控制单元，调式系统与标准的存储映射。在Cortex-M3 处理器中嵌套终端控制器比较关键，为Cortex-M3 的为控制提供了标准的终端架构、中断响应能力，为超过240 个中断源提供中断入口，能够为每一个中断源赋予单独优先级。使用NVIC即可达到极快的响应速度，在收到中断请求到执行中断服务，一个指令只需要12 个周期，相应速度非常快。这种影响速度一方面是因为Cortex-M3 具备极强的自动处理机制，在CPU 内部通过微代码实现，另一方面中断请求连续出现之后，NVIC 使用“尾链”技术来持续服务，避免中断对系统造成干扰。中断压栈阶段，更高阶的中断可以不耗费任何额外CPU 周期就可以完成嵌入低优先级中后段的动作。Cortex-M3 的CPU 支持两种运作模式，分别是线程模式与处理模式，这两种模式均有独立堆栈，这种特性让设计人员的设计更精密，操作更精准。Cortex-M3 包含24 位可自动重装载定的定时器，能够为内核提供中断周期。

因此STM32 的优势在于：有先进Cortex-M3 内核作为支持，同时具备实时控制性能、出色的功率控制；出众和创新外设、最大程度的集成整合、容易开发，能够快速进入市场。系统设计之前，准备好STM32F103RCT6 单片机、JTAG/SWD 调试下载口、蓝色电源指示灯、红色与绿色状态指示灯、红外接收头、IIC 接口的EEPROM 芯片（24C02，容量256 字节）、SPIFLASH 芯片、DS18B20 温度传感器预留接口、标准液晶屏接口、OLED 模块接口、USB SLAVE 接口、SD 卡接口、PS/2 接口、5V 电源供应接入口、电源接入口、无线通信接入口、复位按键、电源开关。

3.3 最小系统设计

单片机正常工作需要电源电路提供电源，震荡电路产生时钟周期，加上复位电路可以让系统工作。震荡电路使用8M 晶振，与STM32 内部锁相环进行倍频变成72MHz 频率，因此该电路组成有晶振、电容、电阻组成。OSDIN、OSDOUT 是STM32 的外部引脚，震荡电路产生时钟从引脚位置输入作为处理器时钟源。

STM32 是低电平复位，每次上电都会复位依次，因此系统接入电源之后在默认情况下设置为高电平，此时施工系统可以正常工作。

3.4 温度采集

传感器具备功能有：

（1）有独特单线接口方式，与单片机通过I/O 单线连接，一根线路可以连接多个DS18B20；

（2）每一个DS18B20 都有序列号，根据序列号访问不同器件，序列号不可更改；

（3）低压供电，供电范围为3～5V，使用本地供电即可，也可以通过寄生电源的方式供电。

（4）-10℃～+85℃范围内的精度为±0.5℃；

（5）用户可以根据自己的设定来设置报警上下限温度；

（6）转换12 位温度信号的时间为750 毫秒，可编辑数据有9～12 位。

（7）DS18B20 的分辨率为9～12 位，用户可以完成设置。

（8）DS18B20 可以将检测到的模拟温度转化为数字，以串行方式发送给单片机。

在使用DS18B20 的过程中，具备连接方便、测温简单、占用线路少且测温精度高等优势，实际运用中需要注意两个要点：第一，测温结束到信号转换之间需要一定的时间，这一段时间需要合理保证，避免出现转换错误；第二，电源电压要保持在5V 左右，倘若电压过低，会降低测温精度。

DS18B20 与STM32 的连接电路有两种方式，一种是寄生电源供电形式，此时单片机端口是单总线，寄生电源供电中DS18B20 的引脚必须接地；另外一种是电源供电接线形式。

3.5 显示模块

显示模块选择TFTLCD 液晶显示器，显示所测量的实时温度与设定温度上下限。TFTLCD 显示器是人机交互的重要界面，进入新时期之后显示器种类增多，薄膜液晶体管液晶显示器有反应速度快、可视角度大、无辐射的危险与优势。TFTLCD 显示器有荧光管、滤光板、偏光板、液晶材料、晶体管等组成。ALI ENTEK TFTLCD 使用16 位并联方式与外部电路相连接，不使用8 位是因为8 位数据线比16 位速度慢一些，16 位速度极快，可以满足需求。

3.6 按键模块

按键模块主要是设置上下限温度的设置与电路复位，单片机系统中除了复位按键有专门的复位电路之外，其他按键均使用开关状态来设置控制功能、输入数据。本次设计了四个按键配合界面，可以对相关参数来进行，不同运行方式能够灵活切换。

3.7 其他

单片机STM32F 103RCT6 使用3.3V 供电，使用正常的AMS1117-3.3V 电源芯片即可。风机模块，当系统检测到实际温度高于设定温度值的时候，单片机需要进行降温操作。使用L298N 与单片机相连接，从而控制风机转动，实现温度控制。

4 系统程序实现

4.1 程序实现设计

整个系统功能是由软件程序配合硬件电路实现，确定硬件电路后软件功能基本上已经确定，基于程序编译是STM32 的单片机编程，软件可以有主程序与子程序，主程序是控制系统的核心，用于调节和处理模块之间的关系。子程序是模块功能的实现部分，程序包括温度采集、键盘扫描、LCD 显示。首先完成系统初始化配置，在STM32 控制器中配置寄存器与I/O 口，建立起系统任务，在启动任务中初始化传感器等配置，编写用户程序。用户程序设计如下：将传感器读到的数据通过STM32 输入捕获模式，得到测温数据，传输到TFTLCD 显示屏，显示所测温度。首先判断按键是否按下，如果尚未按键就返回按键扫描，进一步判断所测量数据温度是否在系统所设置的范围之内，如果没有达到房间内设定的阈值范围，则启动电机驱动模块启动电机，通过热冷空气对流来平衡温差，直到室内空气温度达到室内温度所设定阈值，最后结束程序。

温度采集程序主要是驱动温度传感器工作，通过I/O 口向STM32 写入数据，由LCD 显示。首先I/O 口初始化，复位DS18B20 让其恢复到初始程序，等待传感器相应。传感器将温度数据转化，写入单片机中，结束子程序。

液晶显示器显示当前所采集的数据，子程序设计如下：LCD 初始化之后，对TFTLCD 配置寄存器，写入函数、指令、坐标位置、显示方向与显示颜色等，在启动LCD 的时候初始化寄存器配置，通过单片机向LCD 写数据，LCD 寄存器读出显示字符结束子程序。

按键子程序利用键盘设置温度阈值，设计如下：按键I/O 口初始化后配置单片机I/O 口，调用按键扫描函数，有按键按下就执行指令，结束按键程序。按键在使用过程中存在抖动现象，为避免抖动现象，在检测到有按键按下的时候，执行10ms 的延时程序，确认按键平台是否处于闭合状态。如果保持闭合状态电平，则确认是真正的按键状态，能够消除抖动影响。

4.2 系统调试

系统调试可以使用排除法、替换法找到问题，通过分析现象解决问题，因此调试过程是从局部到整体的过程，由硬件到软件再到软硬件联合调试的过程，在将模块放置在数据中心空调系统中，确保其可以正常工作。调试工作可以发现问题与解决问题，保证系统的稳定与高效率工作。首先进行硬件调试，可以借助proteus、 multisim 将电路等进行仿真，在电路板上进行焊接，完成后检查电路连接是否正确，确保达到指标之后，检查焊点的导通情况，注意正负极的连接。连接正常接通电源，检测各模板电压，用手触摸模块，检查是否存在异常发热现象。其次软件调试，将模块程序与硬件结合，调试验证系统功能，确保无异常之后，将所有模块集中在一起，通过调试让其正常工作，满足设计实现功能。