基于 LORA 技术的机房温度控制模型.pdf

100|INFORMATION INDUSTRY技术|应用与探究T E C H N O L O G Y运营商核心层通信机房能耗在通信企业日常能耗中占有相当高的比重，而机房空调能耗又在通信机房能耗中占较大份额，因此，如何能够有效降低机房空调的运行成本对通信企业实现节能降耗具有重大的意义。新风系统作为较早的节能产品具有比较简单直观的节能效果，但其也存在一些容易被忽略的安全隐患问题，因此在应用推广上会受到很大程度的制约限制，将新风系统和机房空调系统合理地组合起来，扬长避短，在保障机房环境安全的前提下最大限度的降低空调能耗具有非常重大的意义。1.现有通信机房概况单独的新风系统在运行时会存在如下一些问题：受机房条件限制无法组建独立风道系统，机房温度不均匀，近冷远热，风量近大远小，整体环境客户感知差；机房条件允许可以组建独立风道系统的，增加投入成本，占用机房有限空间；接入并控制原有机房空调运行系统的，增加接入成本，人为增加机房空调故障点；不接入机房空调运行系统，独立运行的，机房空调在冬季处于冷备份关停状态，如果没有 7*24 小时有人值守，在新风系统故障时，机房空调无法正常启动，容易出现重大故障，设立有人值守又会增加较大的人工成本。基于 LORA 技术的机房温度控制模型 文/巩晓宁2.机房控制系统的预期目标以最少的投入构建可对机房内的温湿度进行实时控制的一套系统，实时监控机房温度异常，做到温度实时采集，实时控制调整。提高机房设备安全，同时机房也不需要 7*24 小时值守，节省人力物力，降低人工成本。3.关键技术简介3.1 LORA 技术简介3.1.1 LORA 概述LoRa 是 LPWAN 通信技术中的一种，是美国 Semtech 公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。目前，LoRa 主要在全球免费频段运行，包括 433MHz、868MHz、915 MHz 等。LORA 技术存在如下技术优势：网络连接比较稳定、功耗较低、网络传输性能好、覆盖范围广，容量高、容易部署成本较低。3.1.2 LORA 无线通信模块-UM402 介绍UM402 模块是高度集成的低功耗半双工小功率无线数据传输模块，使用 UART 接口进行数据传输。该模块具有四种工作模式，分别是正常模式、唤醒模式、低功耗模式及设置模式。与 STM32主控底板相连，UM402 模块接口电路图如图 1 所示：图 1 UM402 模块电路接口图4.温度控制模型架构4.1 温度控制模型总体架构温度控制模型由采集控制层、数据传输层和应用层三层构成，INFORMATION INDUSTRY|101技术|应用与探究T E C H N O L O G Y采集控制层：机房不同区域空调附近布放LORA监控控制点，通过 STM32 单片机对温湿度传感器数据进行采集，并将数据通过LORA 终端节点上传至 LORA 网关模块，同时接收 LORA 网关模块下达的控制信息，单片机控制红外遥控模块对空调进行实时控制。数据传输层：数据传输层是物联网设备实现底层数据与上层连接的通道，承担连接终端设备、边缘、云端的任务，本文模型数据传输层采用运营商 4G 网络部署 4G 数据传输通道。应用层：通过 4G 数据传输通道将温湿度传感器的数据上传至云平台，云平台上对机房不同区域温度进行实时监控，同时，设置温度阈值与采集到的机房温度进行比对，高于阈值将由云平台下发控制信息至终端节点设备，终端节电设备根据控制信息内容对空调温度进行调节。5.硬件电路组成该部分电路包括 LORA 模块、STM32103 系列单片机、温湿度传感器、红外遥控模块四部分。模型电路图如图 2 所示：图 2 底层数据采集控制电路模型5.1 LORA 模块电路图 3 STM32 主控底板连接 UM402 模块接口图LORA 模块与 STM32 主控底板的通信方式为 USART 通信。从图 4 可以看到 LORA 模块连接到了 STM32 的 PB10 和 PB11，也就是 STM32 的串口 3，STM32 通过 UART3 对 LoRa 模块发送设置命令以及进行回传信息的读取。图 3 PA12 连接到了 LORA 模块的 SETA 和 SETB，控制 PA12为高电平 LORA 模块处于配置模式，PA12 为低电平 LORA 模块处于正常工作模式。LORA 模块关键配置代码要注意 LORA 终端节点模块和网关模块的参数设置，LORA 模块连接成功正常组网后，Lora 终端节点每隔 2 秒主动向网关模块发送一包数据(1,2,3,4,5)，网关模块收到后将收到的数据每个都加 1，作为应答内容返回给该节点。所以当该 Lora 节点收到(2,3,4,5,6)时即可判定正确收到了响应。5.2 DHT11 温湿度传感器电路DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合型传感器。它使用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的稳定性。该传感器具有接线容易便捷、体积小、功耗低、响应快、抗干扰性强、性价比高等优点。DHT11 数字温湿度传感器 2 号引脚为数据线与单片机 PA6相连，1 号引脚接 5V 电源，3 号引脚接地。采用单总线数据格式,一次通讯时间 4ms 左右到的数据分小数部分和整数部分。图 4 STM32 主控底板连接 DHT11 温湿度传感器接口图5.3 红外遥控电路本模型遥控电路部分，HS3008 红外接收头接收到红外编码后把红外编码存储到 W25Q64 存储芯片内，单片机接收到云平台下发的控制信息后转换为对应的红外编码，驱动红外发射管发射红外编码信号对空调温度进行启动调整。图 5 STM32 主控底板控制红外发射管接口图102|INFORMATION INDUSTRY技术|应用与探究T E C H N O L O G Y6.LORA 网关模块接入云平台方式MQTT 是一个完整的二进制应用层协议，消息格式紧凑，默认运行在TCP上。MQTT协议需要三个角色：发布者（publisher）、订阅者（subscriber）、代理服务器（broker）。设备在 4G 模块的 TCP 协议基础上通过 MQTT 协议与平台通信，包括订阅、信息上报以及平台命令下发。温度控制模型通过 MQTT 协议与云平台通信，通过 4G 模块入网后订阅和上报 MQTT 协议数据内容。4G 模块通过发送 AT 指令的方式加入运营商网络，通过运营商基站建立和核心网之间的连接，将温湿度数据传送到核心网，MQTT 订阅成功后，通过MQTT 协议将其发送到云服务器进行数据存储和处理，云平台检测温度异常（上下浮动超过 5 度）下发控制信息，4G 模块收到后，经由 LORA 无线发送到终端节点，通过单片机对空调进行控制。接入整体架构如图 6 所示：图 6 接入整体架构7.结语针对现有通信运营商机房空调运行系统和新风系统独立运行，机房空调在冬季处于冷备份关停状态，如果没有 7*24 小时有人值守，在新风系统故障时，机房空调无法正常启动，容易出现重大故障的问题，本文充分考虑运营商节能降耗需求，综合考虑几种无线通信技术的优缺点，力求投资少，实现便捷容易。提出了一种基于 LORA 技术的机房温度控制模型，经验证能够实现对机房温湿度进行有效监控控制，有效的降低了维护人员的工作量，起到了节能降耗的作用。基金项目：2021-2022 年度唐山工业职业技术学院院级课题“基于无线传感器网络的基站设备温湿度监测系统研究”(课题编号：YJKT202107)，主持人巩晓宁。（唐山工业职业技术学院，河北 唐山，063299）