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節能智慧機房
蘇美琳
1,*劉智仁
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在日益增長的能源成本和有限的可用電力資源 下，本研究利用「自然冷卻」原理，使用數莓派晶片 結合室內外溫溼度感測器、多功能交流電壓、電流感 測器及紅外線收發器等裝置，利用自然冷卻原理自動 地調整空調設備，並將資訊透過無線網路（WiFi）上 傳至雲端資料庫，使得管理者可從電腦或手機 APP 隨時掌控機房的狀況並可同時在遠端進行設定或調 整以達到節能、安全的智慧機房功能。 ᙯᔣෟ：智慧機房、自然冷卻、嵌入式系統1ă݈֏
隨著時代的發展，人們對於網路更加的依賴，這 使得充滿大量伺服器設備的機房快速地增加，為了維 持系統的正常運作，大部分機房都是全天候的開啟冷 卻系統，然而冷卻空調系統往往是耗能的主要來源， 所以如何建立高效能的機房空調系統是目前各界積 極研究的目標， 近 年 國 外 學 者 所 提 出 的 自 然 冷 卻 原 理 （ Free Cooling）便是利用資訊機房所在地理位置的氣候條 件，讓天然資源成為 IT 資訊機房製冷系統的冷源 [1][2]，以減少冷卻空調等製冷系統運轉所需的能 耗。而在台灣地區，夏日與冬天之氣溫相差甚大，而 中午與深夜之氣溫亦有顯著不同，若能於室外溫度較 低時引進外部冷空氣並將室內熱能排出室外，便可有 效減少冷氣機之使用量。 ဦ 1 ࢲҋҽݒր 本研究使用 Raspberry Pi3 作為核心，結合溫度 感測器、多功能交流感測器、散熱裝置、紅外線收發 器，組成一個能由手機控制冷卻裝置的系統。其中溫 濕度感測及多功能交流感測器資料，經由 Wi-Fi 傳送 至手機，管理者可以藉由專用 APP 來控制散熱裝置 並可依照溫度及電量消耗來控制空調系統的強弱，也 可以在手機端開啟自動模式，以『free cooling』方式 來進行自動控制。2ă̍үࣧந
2-1 ҋҽݒ 自然冷卻的基本原理即善用環境資源，例如水及 空氣等自然冷卻的機制以有效達成機房散熱。如圖 (1)，利用機房所在地的季節與日夜溫差的風側冷卻系 統，因為在冬季或部分地區的春秋兩季，室外空氣溫 度較低，機房室內空氣溫度卻較高，由於機房內設備 1 亞東技術學院通訊工程系 * 通訊作者：蘇美琳 E-mail：[email protected]的持續散熱量沒有途徑散發到室外，室內仍需提供冷 源降溫，此時由於冷負荷較小，冷機製冷係數較低、 能耗大，若開啟冷機供應冷源極不合理。其實此時大 自然就是最好的冷源，不僅不需要能耗取得，而且供 給充足，風側自然冷卻（free cooling）系統，可將機 房設備所產生的熱量排出，引進室外冷空氣，也就是 不使用冷卻設備或壓縮機冷卻空氣的技術，善用自然 冷卻，即可有效節省能源。 2-2 րߛၹ （圖 2）為所規劃的系統架構，我們利用溫濕度 感測器和多功能交流感測器讀取電量使用資料，再將 收到的資料存入雲端資料庫中，設計手機 APP 程式， 可以透過 Wi-Fi 去讀取資料庫的內容並繪製成圖表， 提供管理者控制風扇及冷氣，也可以設定成自動模 式，根據室內外溫濕度值，自動調整冷氣或風扇強弱 以達到省電的目的。 ဦ 2 րߛၹ 2-2-1 ଠڕ
Raspberry Pi 3 Model B（圖 3(a)）是一款基於 Linux 的單板機電腦。我們使用了 Python 撰寫程式， 並使用 Pi 提供的 WI-Fi 介面來與手機做溝通，本專 題所使用的輸入、輸出腳位如圖 3(b)所示。
ဦ 3(a) Raspberry pi 3 Model B
ဦ 3(b) ᏮˢăᏮཙҜ 2-2-2 ർវၗ ‧ᒅޘຏീጡ（DHT-22） DHT-22 包含一個電容式感濕元件和一個高精度 測溫元件，並且可以與 8 位元以上的單晶片連接，採 1-wire 傳輸，使系統收集資訊更加的簡單快速。此元 件因體積超小、極低消耗功率，傳輸距離可達 100 公 尺以上。 1-wire 資料傳輸格式為 40 位元，濕度（16 位元） +溫度（16 位元）+8 位元檢查碼。時序是用戶主機發 送一次開始信號之後，DHT-22 由休眠模式轉換到高 速模式。等待主機開始信號結束之後，DHT-22 發送 響應信號，數據串行送出 40bit 的數據，先發送封包 的高位元；發送的數據依次為濕度高位元、濕度低位 元、温度高位元、温度低位元、檢查碼，發送數據完 觸發一次信息採集，採集完傳感器自動轉入休眠模 式，直到下一次信號來臨。 ဦ 4 ޘຏീጡĞDHT-22ğ
‧྿ᜭજጡ（L298N） L298N 模組是模擬大電壓之附載的驅動器（例 如，馬達），來達到直流馬達的 PWM 控制。此模組 需要雙電源供電，第一個電源是供給模組電路板元 件，第二電源是供給馬達的電源，注意必須共地。再 藉由模組上的 IN1、IN2、IN3、IN4，來控制馬達的 轉速。 ဦ 5 ྿ᜭજጡĞL298Nğ ‧ࡓγቢତќă൴डሀ 使用紅外線接收與發射來控制一些具有紅外線 接收功能的電器（例如，冷氣、電視、風扇）。 ဦ 6 ࡓγቢତќă൴डሀ ‧Ϲ߹ᇴҜк̍ពϯጡ（CAC-012） 在電源監控部分我們選用 CAC-012 模組（圖 7），此模組具備下列功能： 1. 測量功能（電壓、電流、消耗功率、電量） 2. 電量資料透過按鍵清除 3. 資料保存（保存斷電前累計電量） 4. 可在 PC 上顯示（顯示電壓、電流、有功功率、電 量） 5. 串口通信功能（具備 TTL 序列介面，可通過轉接 板與各種終端通信，讀取及設置參數），串口通信 (UART): UART 的原文是 “Universal Asynchronous Receiver & Transmitter”，等同於一般電腦設備上的
串列傳輸端口（Serial Port）的功能。UART 一樣 有 TX，RX 可供使用，且 CAC-012 有支援，讓我 們透過 TTL-USB 與樹梅派達到資料傳輸之功能。 ဦ 7 кΑਕϹ߹ሀᄃፘࠁྮڕాତဦ 2-2-3 హវၗ ‧Android Studio
本專題採用 Android Studio 軟體撰寫手機 APP， 這是一款為 Android 平台開發程式的整合式開發環 境，功能完整。 ‧MQTT 簡單來說，它是為了物聯網而設計的 protocol， 透過 publish/subscribe 的方式來做訊息傳送。由於是 為了物聯網而設計的協定，因此它所需要的網路頻寬 是很低的；因為 Android 預設的函式庫當中沒有像 MQTT 的協定，所以我們必須透過第三方的插件（補 丁）來完成，這種第三方的插件通常在網路上，所以 我們只要將所需載入的 java 檔案包成 jar 的參考資料 就可以使用該函式。 ‧Highcharts 由於手機內部沒有提供類似的繪圖功能，我們採 用這套免費授權的繪圖軟體，具有許多圖種的優勢 外，還可以與資料庫的資料作連結並繪製成圖表，我 們選擇用折線圖來呈現用戶需要的資訊，主要是用 java-script 來寫。 ‧MySQL 對於電源動態管理的重要工作，就是需將每天的 資料上傳至雲端資料庫，以提供管理者做分析研究，
進行最佳化的電源管理。所以我們採用 MySQL 建立 資料庫伺服器。 2.3 ր߹ဦ ဦ 8 ր߹ဦ
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3-1 న౯ᄃՄफ़ ‧Raspberry Pi3 ‧智慧型 Android 手機 ‧個人電腦 ‧多功能交流感測器、紅外線收發器、溫濕度感測 器、風扇、繼電器、馬達驅動器、插座、12V 變壓 器、LED 燈。 3-2 ፟͘ᑕϡёᄲځ在手機 APP 主頁面（圖 9a）輸入系統網路 IP， 使用者可以看到目前的溫溼度，和電壓、電流、功率 也可以從這邊控制繼電器，或是跳轉到冷氣遙控器、 風扇遙控器還有圖表。 ဦ 9a ࢱࢬ （圖 9b）手機連線提示，（圖 9c）冷氣頁面，使 用者可以看到目前的風速跟溫度，也能控制冷氣的溫 度，開關跟風速，透過 image button 跟一般的 button 來傳送 MQTT 的訊息給主控板，達到控制冷氣的效 果。（圖 9d）可讀取雲端所記錄的歷史資料。
ဦ 9b ፟͘ాቢ೩ϯ
ဦ 9d פำბณăᒅޘྤफ़ 3-4 րሀݭԆјဦ ဦ 10 րሀݭ
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此系統模型可提供企業以嵌入式電腦（樹梅派 Raspberry Pi3）為平台，整合安裝於機房內外之溫、 溼度感測器，相關電流監控及行動通訊資料傳輸網路 等裝置，完成如下功能： 1. 根據機房內溫度，進行動態空調控制。 2. 依據室內外溫差，引進戶外冷空氣對室內進行降溫 以達到減少室內空調的耗損。 3. 記錄機房各設備的能量耗損情形上傳雲端，可長時 間觀察分析用電情況進行動態電源規劃 4. 系統可藉由行動裝置在遠端監控操作。 在未來的計畫中，因應各別機房環境不同，設計 也須依實際情況而調整，其中影響效能的重要關鍵在 於導入風側自然冷卻系統前，如何考量近排風口的位 置、規模大小、風量規劃、設備組成以及控制模式。 1 ซăଵࢲ˾Ҝཉ۞నࢍ 一旦進、排風口設計不良，好不容易引進的外 氣，立刻就會從排氣側被抽走，可想而知，致冷效果 會立即大打折扣。因此，最好的作法就是盡可能不要 將進、排風口安排在同一側，倘若環境不許可，真的 必須安排在同一側時，就必須事先經過模擬計算合宜 的距離，以避免受到影響。 2 ఢሀ̂̈ᄃࢲณ 風側自然冷卻的規模大小就與 IT 設備的負載量 有關。而風量的規劃又牽涉到風管的風口大小，彼此 之間的牽動關係可由公式(1)得知： 在設計的過程中，風速通常會被限制，原因在於 太快的風速不僅耗能，同時對風管也容易造成負壓， 導致風管變形。另外，若機房在大樓的某一樓層中選 擇一塊區域來建置資訊機房，機房內的輕鋼架天花板 也很容易因為太高的風速而崩壞。 3. న౯јᄃଠט! 風側自然冷卻可分為進氣側與排氣側，其元件的 選擇也相當重要。萬一遇到下雨天或空氣品質不佳 時，如何讓引進的風達到標準，並且不讓雨水從牆 孔、窗戶滲入。或遇上火災時，能不能立即中斷引風， 以避免加速火勢蔓延，這些都成為設計過程中必須留 意與考量的項目。ણ҂͛ᚥ
1. http://www.tmds.org.tw/ezportal/hyfiles/UPDRS_CH.pdf 2. IPCC, Fourth Assessment Report (AR4) Climate Change
2007 – International Panel of climate Change, 2007
3. Roy S. N. (2008). “Energy Logic: A Road Map to Reducing Energy Consumption in Telecommunications Networks”,
Proceedings of INTELEC, pp. 90-98 , San Diego (CA), September 2008, IEEE, San Diego
4. K. Venkatesan and U. Ramachandraiah, “Energy Conservation for Base Transceiver Station Cooling System with Energy Plus Software”, Indian Journal of Science and Technology, Vol.9, October 2016
