光纤光栅温度传感技术在数据中心温控领域中的应用研究——以东山精密数据中心项目为例

姜海军JIANG Hai-jun

（上海鑫融网络科技股份有限公司，上海 200030）

0 引言

随着我国数字经济的大规模快速发展，数据中心已经成为各种社会活动的信息中心，其安全、可靠、稳定的运行是至关重要的。然而，由于服务器、交换机、存储和备份等设施分布密集，并且数据中心里不同的服务器上分配的负载不均匀，导致每个计算设备上产生的热量也不相同。加上数据中心气流的停滞性等因素，这些区域的温度将会不断上升，最终超过计算节点的临界工作温度，这就形成了“热点”现象[1]。“热点”现象的频繁出现，一方面，会导致单个计算机节点工作在超过临界工作温度的环境中会大大增加硬件的故障几率，甚至会导致频繁的宕机现象；另一方面，会导致数据中心、过度冷却，而且大大降低了冷却系统的冷却效率，使电源使用效率（PUE）居高不下。针对数据中心的温度控制问题，国家相关部门制定了相应的规范进行管理。GB50174-2017《数据中心设计规范》对数据中心的工作温度作出了明确要求：A/B 级机房，温度23±1 摄氏度；C 级机房18-28 摄氏度[2]。

综上所述，对于数据中心的温度进行全面的温度监测是非常必要的。目前使用的温度监测手段很多，都有一定的局限性，简介如下：①热敏电阻、热电偶、单总线数字温度传感器等电子温度探头，其测温相对准确，但易受电磁干扰，测温稳定性差；②分布式光纤测温系统设备（DTS），布设复杂，定位精度相对较差，易于错区。本文提供了一种基于光纤光栅温度传感技术的数据中心温度实时监测预警系统，可以全面、真实、可靠的每套机柜的温度信息，及时捕捉服务器机柜的“热点”现象的出现，进而实现数据中心的精准温控。此外，除了数据中心服务器的机柜温控外，还可以对UPS 配电室、蓄电池、电缆桥架等处温度进行实时监测。

1 光纤光栅温度传感原理

光纤光栅是一种波长反射型光纤无源器件。研究表明[3]：假设应变和温度分别引起Bragg 波长的变化是相互独立的，则在两者同时变化的情况下，Bragg 波长λB的变化可以表示为：

式中，Pe为有效弹光系数，Pe=neff2（P12-ν（P11+P12））/2，其中P11、P12为弹光系数，ν 为光纤泊松比，ε 为轴向应变，α为热光系数，ζ 为热膨胀系数，ΔT 为温度的变化量。一般情况下，光纤光栅温度传感器让光纤光栅形成一个弧度，去除应变的影响，于是：

因此，光纤光栅温度传感器的中心反射波长值随光纤光栅所受环境温度的变化而变化，并具有良好的线性关系，实现了温度信息和光波长绝对映射，而对光波信号的光强度变化不敏感，因此，采用光纤光栅作为温度敏感元件可以获得较高的测量精度，并具有良好的可靠性和稳定性。鉴于此，基于光纤光栅传感技术的温度实时监测系统在温度测量领域中倍受青睐，在数据中心温度测控应用中也具有无与伦比的优势。

2 数据中心温度实时监测预警系统构成

基于光纤光栅温度传感技术的数据中心温度实时监测预警系统主要由光纤光栅温度传感器、光纤光栅测温报警主机、通信光缆、系统工作站、配套的数据中心温度在线监测预警系统软件以及光纤配线架、交换机等配套设备组成，其系统构成图如图1 所示。

图1 系统构成图

该系统的主要工作流程如下：

①分别将光纤光栅温度传感器安装在数据中心的服务器机柜内部的进风口、出风口位置，用于测量各个服务器机柜的温度信息；②将光纤光栅温度传感器安装在UPS的风扇进风口、出风口位置，用于测量UPS 的温度信息；③将光纤光栅温度传感器安装在蓄电池组货架的上方，实时监测蓄电池的温度信息；④将光纤光栅温度传感器安装在配电柜的静触点接头位置，用于测量配电柜电缆接头的温度信息；⑤光纤光栅测温报警主机安装在监控室内，测量各个光纤光栅温度传感器的波长信息，进而解调出各个测点的温度信息；⑥将实测的温度数据通过通讯网络传输到系统工作站，然后通过数据中心温度在线监测预警系统软件进行数据处理、分析、显示和存储等工作，并发出相应的报警指令；⑦不同测点的温度报警信息用于指导数据中心配置的精准温控空调，动态调整其制冷温度以及出风量，对数据中心的服务器机柜温度进行精细化温控，避免形成“热点”现象；⑧数据中心管理人员可以对实测数据、报警信息等进行实时访问与查询。

3 数据中心温度实时监测预警系统设备简介

BJ-FBG1600 型光纤光栅测温报警主机是一款具有波长测量精度高，长期可靠性和稳定性好光纤光栅温度传感解调设备，满足GB16280-2014《线型感温火灾探测器》[4]。可用于对接入各通道的光纤光栅传感器进行数据采集和存储，配备标准的以太网口，满足Modbus/TCP 通信协议，可以通过计算机进行参数配置、数据采集、存储、分析、处理等功能。其实物图片如图2 所示，其光学通道数为32 ，采样频率：同步采集速度为25Hz；波长测量范围：1525～1565nm；工作温度范围：-5℃～+50℃。

图2 BJ-FBG1600 型光纤光栅测温报警主机图片

BJT011 型光纤光栅温度传感器，外壳为不锈钢，具有耐磨、防锈功能，而内芯为紫铜材料，导热速度快，使温度传感器的热响应速度快，可以24 个传感器串联在一通道里，实现准分布式温度测量，其测量精度可达±0.5℃，具有测温精度高、定位精度高、响应速度快、布设简单等诸多优点，完全可以满足数据中心温度监测的技术需求。其传感器和传感器串的实物图片分别如图3 和图4 所示。

图3 单支BJT011 型光纤光栅温度传感器

图4 BJT011 型光纤光栅温度传感器串

4 东山精密数据中心项目应用案例分析

4.1 东山精密数据中心简介

东山精密数据中心项目建设面积约1200 平方米，分为核心服务器机房区域、网络机房区域、配电区域、操作室、消防间、ECC 控制中心等区域，其鸟瞰图如图5 所示。

图5 东山精密数据中心鸟瞰图

东山精密数据中心项目采用了封闭冷通道制冷方案[5]，其原理示意图如图6 所示。

图6 封闭冷通道原理示意图

其中，核心服务器机房由3 个冷通道组成，共有78 台服务器机柜。本文采用光纤光栅温度传感技术重点对78台服务器机柜的进风口、出风口温度进行实时监测，并根据测量得到的温度信息，为各个服务器机柜提供精准的温控方案。

4.2 设备现场布置情况

1 台FBG1600 型光纤光栅测温报警主机安装在数据中心的监控室中的机柜内，而光纤光栅温度传感器分别安装在待测机柜的进风口和出风口位置上。在每个机柜的前面板（即进风口）左右两侧的高度在1.4-1.6m 之间的位置分别布设一支光纤光栅温度传感器，共2 支传感器；而在后面板（即出风口）左右两侧各设置一个温度监测点位，在21U-22U 之间位置分别布设一支光纤光栅温度传感器，共2 支传感器。光纤光栅温度传感器的具体布设情况如图7 所示。现场安装图片如图8 和图9 所示。

图7 服务器机柜中传感器布设位置图

图8 服务器机柜前面板布设情况

图9 服务器机柜后面板布设情况

综上所述，在东山精密数据中心的每个服务器机柜中布设4 支光纤光栅温度传感器，共布设了312 支光纤光栅温度传感器。

4.3 现场运行情况分析

基于光纤光栅温度传感技术的数据中心温度实时监测预警系统在现场运行一段时间之后，随机选取了一个冷通道中的两台服务器机柜，分别为2#服务器机柜和5#服务器机柜，其温度实时监测数据，经数据处理分别如图10和图11 所示（纵坐标单位为：℃，横坐标为时间）。

从图10 和图11 中可以得出如下结论：

图10 2# 服务器机柜进风口、出风口温度趋势对比图

图11 5# 服务器机柜进风口、出风口温度趋势对比图

①两个服务器机柜的进风口、出风口温度的变化趋势基本一致，说明空调起到了良好的制冷作用；

②当出风口温度超过某一阈值时（设定阈值：27℃），即可加大通风量，使温度回到数据中心要求的温度范围内；

③当出风口温度低于某一阈值时（设定阈值：25.5℃），即可减少通风量，使机柜温度回升至数据中心要求的温度范围；

④触发阈值条件后，温度控制有时会有延迟，是由于温度过冲以及精密空调制冷的调整时间导致的；

⑤通过本系统温控措施可以使服务器机柜内温度维持在25℃到27℃之间范围内。

因此，该系统可以实时监测各个服务器机柜的发热情况，智能调整制冷方案，进而达到制冷节能的目的。该系统投入使用1 年多时间以来，东山精密数据中心的PUE 值为1.21 左右，达到了非常好节能效果，并且有效避免了“热点”效应的出现。

5 数据中心温度实时监测预警系统特点

①安全性高。传感器为全光纤型，本质安全，现场无需供电，不受电磁干扰影响，可以在强电磁干扰等复杂电磁环境中应用。

②可靠性高。温度信息对波长直接编码，测量精度高，可根据波长精确定位。

③准分布式测量。波分复用测量，在单根光纤上可串联多个监测点（典型值：24 只），测点数多，间距可以调整，可以根据现场需求定制。

④响应速度快。光纤光栅温度传感传感器采用紫铜内芯，导热速度快，热响应速度快。

⑤安装方便。光纤光栅温度传感器可以通过扎带绑扎，安装简单，施工方便。

⑥先进性高。本系统采用1 台32 通道光纤光栅测温报警主机最多可实现768 个温度监测点的温度实时监测，维护管理简便，占服务器机柜的空间极小。光纤光栅温度传感器均为波长直接编码，测温精度高，空间定位准确。

本系统可以获得全面、真实、可靠的每套机柜的温度信息，可以为数据中心的制冷分配提供数据支撑，对精密空调的制冷温度与出风量进行智能调节，使数据中心达到最佳冷却状态。一方面，该系统可以延长IT 硬件的使用寿命，降低服务器发生故障的风险，为数据中心的正常运行提供保障；另一方面，该系统还可以降低冷却设施的负荷，降低电源使用效率值，达到节能的目的，进而降低数据中心的运营成本。

6 结论与展望

本文以我国数据中心“热点”现象难以控制，电源使用效率居高不下，迫切需要进行精准温控、节能降耗的现实需求为索引，提出并验证了一套基于光纤光栅温度传感技术的数据中心温度实时监测预警系统，具有准分布式测量、测温精度高、热响应速度快、定位准确、不受电磁干扰、安装简单等诸多优点，完全可以满足数据中心温度监测的需求。此外，光纤光栅温度传感技术还可以应用在数据UPS 配电室进出风口、电缆接头处以及蓄电池室的蓄电池的温度监测。

综上所述，基于光纤光栅温度传感技术的数据中心温度实时监测预警系统在数据中心温度控制领域中具有良好的推广前景，不仅可以大大提高数据中心正常运转的能力，还可以将电源使用效率控制在较低水平，为建设可靠、低碳、绿色、节能的数据中心提供有力的技术支撑。