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摘要：机房是设备保障的基本场所，机房温控则是关键因素之一，新疆空管远端台站老旧机房的温控，则常常需要值班员耗费精力去管理。本文针对此薄弱环节，研究了空调与新风系统在机房的联动使用技术，设计基于嵌入式的控制系统自动完成机房温控工作，希望使机房能够更加智慧和自动化，为设备保障提供坚实的基础。

关键词：远端台站；机房温度；新风系统；自动控制；嵌入式系统

0 引言

通信导航监视设备是保障空管运行的基本设备，而设备机房则是保障通信导航监视设备的基本场所，通导设备的正常运行与否，也与机房的环境息息相关，因此设备机房的重要程度不言而喻。温度、湿度、供电、防雷、防火则是设备机房的几个重要物理环境，每一项都有着严格的标准，机房温度的控制基本排在了第一位。以本行业为例，通导设备机房的温度控制基本是靠空调解决，新机房、重要机房基本为精密空调，老旧机房则多使用家用空调，空调则成为控制机房温度的重要设备之一。

本文通过对远端台站老旧机房运行维护的特点，结合实际生产中存在问题等，深入研究了机房空调与新风机联动使用，从而更好、更节能、更方便的控制机房温度的新技术。

1 机房的运行维护

1.1 机房温度的要求

远端导航台站的一间老旧机房，设备满满当当，从左至右有直流柜、UPS、配电柜、甚高频电台、民航大网、ADS-B等设备，是进出新疆航路航线上的重要节点。由于设备多，机房空间小，机房温度升高快，再根据技术保障中心手册要求：设备机房温度应控制在15℃至28℃范围之内，相对湿度应小于85%；配电间、油机房温度应控制在5℃至40℃范围之内，相对湿度应小于85%[1]，控制机房温度则成为值班员的一项重要工作之一。

1.2 运维存在的问题

新疆属于典型的温带大陆性干旱气候，夏季炎热，冬季寒冷，春秋两季则是昼夜温差大；又由于老旧设备机房使用的是家用空调，当室外温度低于10度时，则空调制冷功能失效，因此需要值班人员打开窗户给机房降温。春秋两季则为白天开空调，夜间开窗户，冬季则为机房温度高了开窗，温度低了关窗，对值班员的精力有很大的牵引力。另外，经常开窗导致了外面的尘土进入机房，使机房灰尘严重超标，也加速了通导设备的老化现象。

因此，本文研究将空调与新风机在设备机房联动使用，从而控制机房温度，减轻值班员工作压力，降低机房尘土。

2 总体设计

2.1 基本概念

空调（Air Conditioner）：即空气调节器，是指用人工手段，对建筑或建筑内环境空气的温度、湿度、流速等参数进行调节和控制的设备[2]。空调大致分为：家用空调、专用空调、中央空调等。远端台站老旧的机房，多数使用为家用空调；新建的一些机房则多数为基站专用空调或者精密型专用空调。

新风系统（Fresh Air System）：由送风系统和排风系统组成的一套独立空气处理系统，它分为管道式新风系统和无管道新风系统两种。管道式新风系统由新风机和管道配件组成，通过新风机净化室外空气导入室内，通过管道将室内空气排出；无管道新风系统由新风机组成，同样由新风机净化室外空气导入室内。相对来说管道式新风系统由于工程量大更适合工业或者大面积办公区使用，而无管道新风系统因为安装方便，更适合家庭使用[3]。

2.2 基本设计思路

以远端台站老旧机房为例，机房中目前都已安装1～2台空调，基本为家用空调。现为解决春秋冬三季室外温度较低时，空调不工作，需值班员频繁开关窗户的难题，可在现有的机房加装新风系统，为降低成本及工作量，可优先考虑无管道新风系统。通过新风机向机房输送外界寒冷空气，从而达到降温目的。

如果能用一种控制设备，将空调与新风机联动使用，在室外温度高时自动让空调工作，在室外温度低时让新风机工作，并且能够自动控制机房温度，这将大大减少值班员的工作压力和精力，也让机房变得更加智慧。

本文将以研究和设计该控制系统为主线，阐述基于嵌入式系统的空调与新风系统联动控制系统的设计，图1为设计总体框图。

中间部分为基于嵌入式芯片的控制箱，包含两路温度探头，一路探测室外温度，一路探测室内温度。左侧则为机房空调，当探测到室内外温度均高时，则通过继电器控制电源或使用红外遥控启动空调来完成机房降温。右侧则为机房新装新风机系统，当探测到室外温度低，室内温度高时，则通过继电器控制电源或使用PWM变频控制新风系统电机来完成机房降温；当探测到室内外温度均低时，则全部停止工作。

另外，经查阅手册技术资料后，机房的空调功率少则1～2KW，多则5～6KW，而新风机系统无主动制冷设备，只有电机耗电，功率一般为40W～200W左右，通过控制系统让空调与新风机联动使用，可大大降低机房电耗，节约经费。

3 控制系统详细设计

3.1 硬件总体设计

根据功能实现需求，控制系统如图2所示，大概分为4部，分别是：电源部分、控制主板部分、温度探头部分、功率继电器部分。除控制主板外，其余设备均可采购成品，因此控制主板部分则成为了研究与设计重点。

3.2 控制板的硬件设计

图3为控制板硬件设计的总体原理图，分为22个设计模块，主要完成以下功能：

1）对机房室内和室外进行温度测量；

2）通过继电器控制配电箱中的功率继电器，从而完成对空调、交流新风机电源的控制；

3）设计直流新风机变频功能，实现精准温度控制功能；

4）设计4个按键及OLED显示屏，完成人机交互功能；

5）设计串口通信和WIFI通信，为后期接入智慧台站监控系统预留通信接口。

下面本文将对原理图中部分模块的芯片选择和电路设计做详细介绍：

3.2.1 微控制器（MCU）

微控制器（MCU）又称单片机，是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器、随机存储器、只读存储器、多种I/O和中断、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统[3]。在此根据功能需求选择了意法半导体的stm32f103芯片，该芯片拥有48个管脚，128KB的FLASH和20KB的SRAM，2个串口，2个IIC接口，2组PWM接口以及外部管脚均带有外部中断功能，自带内部自带时钟和硬件看门狗，更为方便的是带有底层HAL软件开发库，极大地减轻软件开发难度。

从原图中可看出，微控制器系统主要由控制MCU、MCU时钟、复位、电池、调试接口等主要电路组成，它们是该芯片运行的必备电路部分。时钟电路部分是由8MHz的主晶振和32.768KHz的时钟晶振组成；其余部分为常规电阻电容组成的电路。

3.2.2 继电器控制电路

在本次设计中，设计了4组相同的继电器控制电路，详见原理图右上部分。由于STM32 MCU芯片的管脚驱动电流最大只有20mA，因此不能直接驱动继电器吸合，故在此采用了PC817光耦隔离芯片和8050三极管进行电流放大，1N4007则为保护二极管。继电器则选择了松乐5脚SRD-03型，控制端电压为3V，被控端耐压为250V，最大电流为10A，且该继电器市场常见且性价比高。

3.2.3 变频直流电机控制电路

本文选择了一款24V直流无刷电机的无管道新风机，该无刷电机可通过三相变频驱动工作，并且可是实现转速的控制，因此在控制电路板上设计了2路无刷电机转速控制电路。

驱动芯片选择了一款国产芯片，即瑞盟科技的MS39549。该芯片是无感三相直流电机驱动芯片，采用正弦波驱动方式，具有低噪声及低震动的特点，电源耐压为30V，最大输出电流为1.6A，由MCU输出PWM波控制芯片，完成电机转速控制，并且可检测电机转速。此外该芯片8管脚设计，外围电路简单，非常适合在此使用，具体设计原理图见图3。

3.2.4 通信电路

本文在控制主板上设计了2路通信电路，分别是标准的9针串口通信和WIFI通信，为以后接入智慧台站系统进行了通信预留设计。

串口通信选择了MAX3232芯片，TTL端输入输出为3.3V，串口端为±12V，通信距离大约为15米左右。

WIFI通信选择当下流行的ESP8266系列的12S模块，它是一款高性价比WIFI SOC模组，支持标准的IEEE802.11 b/g/n协议，内置完成的TCP/IP协议栈。后期可以通过连接无线路由器与智慧台站系统相接入，实现更多的开发功能。

3.2.5 其他辅助电路

电源部分采用了LM7812芯片和AMS1117芯片。LM7812芯片将外部的开关电源输出的24V直流电进行线性降压至12V，供继电器和后级使用，再由AMS1117芯片降压至3.3V，供MCU控制板使用，其中包含了滤波电容、二极管等元器件。

显示屏使用了分辨率为128x64的OLED屏，该模块与MCU使用IIC通信，用户可以在屏幕上看到机房内外温度、工作模式等信息。

测温芯片则使用了DS18B20测温探头，不锈钢封装，具有防水、防尘灯特点，可直接在户外使用。

存储芯片则使用AT24C02 EEPROM芯片，在此主要存储用户设置的各类参数，如室内外温度阀值、温度校准值等等，防止控制板掉电后参数丢失。

其他按键、接口在此不再过多叙述，具体见原理图。

3.3 控制板的程序设计

控制板的程序设计主要就是STM32F103 MCU的编程，程序主要使用C语言编写，开发环境为KEIL IDE，调试仿真器为ST-LINK V2。意法半导体均为该公司的STM微控制器提供了底层HAL库，为程序开发大大减轻工作量和压力，下面本文将主要阐述上层应用的开发，底层程序主要调用HAL库函数。

图4为主程序运行示意图，当MCU上电启动后，首先对MCU本身的管脚、IIC、UART、PWM、时钟及看门狗功能进行初始化，均可调用底层HAL库函数完成。等待本身功能初始化完毕后，则对外围电路，如显示屏、WIFI模组、存储芯片进行初始化和参数值的读取。

完成初始化后，则进入主循环模式，读取DS18B20测量的室内温度和室外温度，判读温度值，启动相应的工作模式，如空调制冷、新风机制冷或者不需要制冷等，图4中的20、10等数值是假设阀值，该阀值可以由用户自行设置，然后存储于EEPROM芯片中。

在使用PWM控制新风机工作时，在此可以采用PID技术精准控制风机转速从而达到机房温度的精准控制。

图5为控制板的按键中断响应程序，当用户按下按键后进入中断程序，判断用户按的按键是否有效，如果操作正确则在屏幕上进行响应。当用户完成参数设置后，判断参数设置是否合法，如果设置正确则存储在EEPROM芯片中，MCU主程序也将按照新的参数执行，完成相应的功能。

3.5 控制板设计实物

图6为所设计加工的实物安装图，目前已安装至甚高频机房中，能够预期实现对新风机和空调的联动控制。在冬季，根据室外温度关闭空调运行，开启新风机运行，使用室外天然冷风给机房降温；在夏季，根据室外温度关闭新风机，开启空调运行，使用空调给机房降温；在秋季，晚上温度低则开启新风机，白天温度高则开启空调，实现机房温度控制。此套方案，降低了机房环境能耗，节约了机房用电。

4 结束语

目前已按照本文所研究，完成了相应的硬件制作和程序编写，也在新疆地区进行了半年的运行测试，覆盖夏秋冬三季，功能达到预期效果，完成了空调与新风机在机房联动使用技术的验证和实现。

也希望此文章在智慧机房建设中，能够提供一些新颖的思路，将当前主流的一些技术应用在机房中，为值班员减轻工作压力，提高机房智慧力。

参考文献：

[1]空中交通管制中心技术保障中心运行手册.3205-06工作环境管理细则.P-3

[2]制冷空调技术及控制原理[M].中国电力出版社.2016

[3]新风系统知识常识普及.网易.2017-08-22

[4]朱兆优.单片机原理与应用[M].北京：电子工业出版社.2016：1-2.