基于NB-IoT的集中供热阀门远程控制系统设计

徐 涛，高子鉴

（沈阳航空航天大学自动化学院，沈阳 110136）

0 引言

目前我国北方主要的供热方式是集中供热。集中供热的本质是在居民居住较为密集的区域或者工业生产聚集区内进行集中热源建设，各集中供热热源向各自分担区域内的居民或者企业提供生活用热或生产用热[1]。相较于造成大量二氧化硫与颗粒物污染的散煤取暖方式，目前北方城市的集中供热热源多数采用热电联产、燃气锅炉、区域燃煤锅炉等。集中供热技术提高了燃料的利用效率，使得我国供热季北方城市的大气环境污染问题得到了一定程度的控制。且集中供热技术设备自动化程度高、故障率低、供热站占地面积小，并不占用太多公共资源。供热公司通过集中供热技术实现了分户计量，解决了收费管理困难的问题，一定程度上提升了居民采暖的舒适度[2]。我国北方人口密度较高，进入冬季后城市居民以及工业园区用热面积较大，集中供热符合我国北方冬季的采暖需求。20世纪70年代末我国就开展了对集中供热模式的技术研究与发展[3]，伴随着集中供热的技术发展，一系列问题也随之而来。最严峻的问题是由于阀门老化、管道距离长且年久失修，经常会出现跑冒滴漏等情况，造成了大量的资源浪费和供热不达标等问题；集中供热系统宏观调控容易而微观调控困难。

集中供热远程控制系统中最关键的技术部分是物联网技术。物联网这一概念自20世纪90年代末提出来距今已有20多年，但是物联网技术真正迅速发展和广泛应用于实际是在近10年[4]。美国在2009年提出了智慧地球战略，在实用性领域进行了大量的物联网应用尝试，例如供电电网、医疗卫生以及教育管理系统等。欧盟各国在步入20世纪后才开始对物联网技术进行研发，起步与我国相差无几，但欧盟是首个对物联网技术发展提出有建设性计划的国际组织。欧盟各国为确保其在互联网技术开发中的绝对领先地位，于2009年年中提出了《欧盟物联网行动计划》（Internet of Things-An action plan for Eu⁃rope），并提交至欧盟理事会，对物联网技术进行了初步规范，制定了物联网发展战略[5-7]。

集中供热最大的问题在于微观调控能力较弱导致用户体验感较差，窄带物联网技术的出现恰好弥补了这个缺陷[8]。在窄带物联网技术出现之前，大多数传统控制系统通过本地通信的方式实现监测和控制，传统方式通信距离较短，无法实现智能化、去人工化。而通过新兴的NB-IoT技术，再结合物联网云平台的云计算能力可以实现监控系统远程控制。NB-IoT技术相较于传统的通信方式而言功耗更低、通信范围更大、覆盖面积更大[9]。因此，本文对基于物联网云平台和NB-IoT的集中供热远程控制系统进行研究和开发。

1 总体方案设计

1.1 系统需求分析

在我国北方采暖季，采暖用户缺少手段来判断供热公司的供热水平是否达。为满足用户掌握实时进水温度的要求，系统提供手段让用户能实时掌握进水温度。因此，硬件终端的温度传感器需要按一定频率检测进水温度数据，并且系统按时上传进水温度数据和单元阀门开度数据至云平台。云平台更新获取的数据并显示，让用户有手段查询实时进水温度和单元阀门开度数据，用户还可查询进水温度和单元阀门历史开度情况，从而判断供热公司的供热情况是否符合最低标准。采暖用户可以通过智能手机终端或PC网页端登录天翼云平台查询历史温度数据，判断供热公司是否按照要求供热。本系统的设计需要满足用户需求，用户从系统中获得的进水温度数据和阀门开度具有客观性时效性和准确性，有数据作为强有力的依据，也能有效地避免用户与供热公司因为供热问题产生矛盾，并且提高用户采暖的舒适度。

为了使用户获得更好的采暖体验，本系统的设计应实现以下目标。

（1）远程监测：系统将数据上传云平台，用户可以通过PC端和手机端登录控制台面端对温度数据和阀门开度的实时数据和历史数据进行查看。

（2）设备控制：用户可以通过PC端或手机端登录云平台对供热阀门控制终端下达指令，通过对单元阀门开度的控制，完成室内温度的调节，从而实现系统的远程控制。

（3）异常报警：当系统检测到进水温度数据不处于设定阈值内时，硬件终端部分将启动报警程序，将报警信息发送至云平台。

1.2 基于“云-管-端”模式的总体方案设计

物联网技术发展至今已有20余年的历史，各国对信息科技产业第三次革命加速了物联网技术的发展[10]。嵌入式技术的蓬勃发展也在一定程度上提升了物联网技术的飞速发展，作为物联网技术的最底端，传感技术的发展同样对物联网技术的发展起到了积极作用[11]。目前物联网技术已经广泛应用于各大新潮领域，例如通信技术领域、传感器技术领域、计算机网络技术领域等等领域。物联网技术符合大众的需求，能切实地解决人们的实际生活问题。“云”即云平台，云平台的核心是云计算。云平台可以管理数据中心的各类资源如“计算、网络、存储、镜像、数据库等”。管理员或租户可以通过云平台来完成业务的下发。云平台是物联网服务框架的核心。云平台可以根据应用场合不同划分为公有云和私有云。多数企业在处理企业内部私密数据时会自主搭建云计算服务平台，这种云被称为私有云。例如阿里云，天翼云这种完全公开的互联网云平台中心，被称为公有云。

“管”作为云平台和终端通信的渠道，为终端向上发送的数据提供了载体，并实现了信息的传输“管”的实质是各种网络通信技术，目前我国的网络通信技术发展较为完备，已经逐渐开始向智能化方向发展。

“端”指的是各种终端设备，包括监控终端和应用终端等。目前监控终端包括扫码器、电表、摄像头等等。目前最常见的应用终端是智能手机。目前终端设备终端也日趋智能化也趋于融合化。市场上的大多数终端设备能实现数据检测、指令执行、与云平台交互等功能。例如近些年兴起的运动手环，可以在实现数据交互的同时，通过硬件终端采集用户各项身体指标并上传至云网络进行数据分析。

本系统以“云-管-端”为设计框架，系统总体设计方案设计如图1所示。

图1 基于“云-管-端”的系统总体方案

2 供热阀门远程控制系统硬件设计

2.1 硬件总体结构设计

供热阀门远程硬件终端部分由温度传感器，单元阀门控制舵机，NB-IoT通信模块等部分组成，硬件终端通过NB-IoT通信协议与运营基站进行通信，与云平台对接。本设计选用中国电信天翼云平台，通过对应终端设备的唯一IMEI码完成接入，通过设备创建、消息订阅，完成云平台与终端设备的数据传输功能。系统硬件原理如图2所示。

图2 供热阀门远程控制系统硬件原理框图

2.2 主控模块

本设计主控模块选用的单片机型号为STC8A8K64S4 A12。STC8A8K64S4A12型号单片机出厂时默认P5.4为复位管脚，本系统采用软件复位，故而不设计复位电路，且该单片机设有内部时钟，不需要外加晶振。STC8A8K6 4S4A12最小系统电路如图3所示。用3.3 V电压为单片机供电并为AVREF引脚提供基准电压，C2、C3电容起到滤波作用用来去除信号干扰。

图3 主控模块电路

2.3 NB-IoT通讯模块

本设计选用BC26模块作为NB-IoT通信模块。其电路原理图如图4所示。其性能优越性主要体现在低功耗和多频段上[12]。在靠近模块VBAT输入端，并联一个等效电阻低的100µF的钽电容，以及100 nF、1µF的滤波电容保证模块工作稳定性。BC26串口模块工作电压为1.8 V。本设计中BC26通信模块供电电压为3.3 V，需要设计电平转换电路。3.3 V供电电压经过三极管SQ9014降压至1.8 V实现MCU与BC26串口端的供电与连接。BC26模块启动前，可以将PWRKEY引脚电平拉低使BC26模块启动。本系统中和BC26模块需要长时间待机，PWRKEY引脚串联1 kΩ电阻连接DGND实现PWRKEY引脚电位长时间拉低。BC26模块包含一个SIM接口，支持BC26模块与外部SIM卡数据互通。外部SIM卡通过模块内部的电源供电，支持1.8 V或者3.3 V供电。

图4 NB-IoT模块电路

2.4 温度传感器PT1000调理电路

铂电阻在潮湿环境也不易被腐蚀氧化，具有良好的重复性以及温度变化敏感性。基于以上优点本系统选择PT1000作为温度传感器。其调理电路如图5所示。本设计选择的主控模块自带A/D转换功能。利用3个电阻与PT1000构成一个桥路，使用运算放大器的同相放大器功能对桥路产生的差分电压进行放大。放大后的电压送到单片机进行AD采集就能完成对温度信号的采集。此电路以依靠简单的运放和几个电阻就来可以实现输出为0~5 V满量程，最大限度下满足精度要求。

图5 PT1000温度传感器调理电路

2.5 单元阀门舵机KSMA-03X调理电路

本设计选用KSMA-03X这款舵机。本舵机额定电压为12~24 V，最大电流值不大于10 A，可以采用12 V/5 A来供电。完全可以满足设计需求。根据运放器件的“虚断”的概念，5脚的输入电压完全等于角度电位器的输出电压。根据运放器件的“虚短”的概念，5脚和6脚的电压相同，6脚和7脚相连，所以说7脚的电压等于角度电位器的输出电压。在用两个电阻分压将输出电压分成不超过单片机的输入电压。PWM脚用来控制舵机角度，C19的作用是对7脚输出电压信号进行滤波。单元阀门舵机调理电路如图6所示。

图6 KSMA-03X单元阀门舵机调理电路

3 供热阀门远程控制系统软件设计

系统软件主要用于对主控模块外围设备的控制。软件性能的优劣，会直接影响整个控制系统的工作效率。根据1.1节分析得到的系统需求，本设计以Keil5为开发环境，开发了供热阀门远程控制系统的软件，实现了对进水温度的数据采集、进水温度异常报警、阀门开度数据采集、云平台通信、阀门开度远程控制等功能。本控制系统中的软件部分主要包括以下几部分，分别是系统初始化、BC26模块通信、阈值报警、传感器数据采集与处理等部分。系统硬件终端通电后主程序开始运行，在主程序中完成串口初始化、BC26通信模块初始化、EE⁃PROM数据存储模块初始化、IIC初始化等任务。温度传感器PT1000对进水温度信息进行采集，信息存入片外EEPROM并根据设定时间间隔上报进水温度数据。阀门控制舵机模块通过外加调理电路采集单元阀门开度信息，存入外接EE⁃PROM，定时上传至云平台。用户可通过云平台对远程供热阀门控制硬件终端进行指令下发，完成远程控制。供热阀门远程控制硬件终端的软件部分主程序流程如图7所示。根据供热阀门远程控制系统的需求，其中NB-IoT通信模块相关任务包括BC26模块初始化、BC26天翼云平台对接、数据收发和指令接收等任务。数据采集相关任务共有两项分别是阀门进水温度采集任务、单元阀门开度采集任务。设备控制任务为单元阀门控制任务。

图7 供热阀门远程控制系统软件流程

4 系统测试

4.1 用户登录

用户通过PC端或移动手机终端打开中国电信天翼物联网云平台官网在右上角点击“登录”，正确输入用户账号密码后进入操作台。登录界面如图8所示。

图8 登陆界面

4.2 数据查看

用户通过云平台可以查看远程阀门控制系统终端的各项数据，便于用户实时了解进水温度情况，单元阀门开度情况。如图9所示为历史数据查看界面。用户在PC端或移动手机端成功登录云平台后，点击控制台后进入产品界面选择数据查看。可直接查看实时的和历史的进水温度和阀门开度。其中TMP为温度，SDA为单元阀门开度。此时进水温度为27.4℃，单元阀门开度为0.3°。

图9 数据查看界面

4.3 阀门控制

用户可以利用云平台下发指令对单元阀门开度进行控制，以便于用户获得更好的采暖体验。具体操作如下用户进入工作台后选择设备，点击右侧指令下发，服务标识选择REQ，单元阀门开度控制指令为SET_SD。如图10所示输入SET_SD89.2，可将单元阀门开度调整为89.2°。

图10 指令下发界面

4.4 异常报警

当单元阀门水温情况异常时，硬件终端会向云平台发送报警信号，用户可以通过数据查看接收到报警信号。当实时进水温度超过设定的阈值时候。硬件终端向云平台发送报警信号。如图11所示，当阀门水温超过预设的温度阈值时，云平台接收到了硬件终端发送来的报警信号并推送。用户通过信息查看可看到此报警信息。用户此时可以选择对阀门开度进行调整。

图11 云平台接到报警信息

5 结束语

本文设计了一种集中供热阀门远程控制系统，主要应用在我国北方城市。我国北方城市进入供热季后，用户普遍会反映采暖体验不舒适。供热公司只能盲目地加大供暖力度来解决此问题。但此举反而导致了供热不均、资源浪费、环境污染等问题。在我国北方城市供热季节时，本设计在一定程度上可以解决上述问题。用户自主调节阀门开度，能获得更好的采暖体验，也避免了资源分配的不均，从而缓解了环境污染问题。目前我国物联网技术发展迅速，已经进入了生活的各个角落。常见的有共享单车、智能家居、智能物流等。物联网技术的出现不仅给普罗大众的生活带来了便利，也带动了我国的经济发展。NB-IoT技术目前已经逐渐趋于成熟化规范化，相信未来功能会更加强大。基于NB-IoT技术的集中供热阀门远程控制系统贴近民众实际生活，能帮助居民解决采暖问题，未来发展前景不可限量。