基于NB-IoT的集中供熱閥門遠程控制系統(tǒng)設(shè)計

徐 濤，高子鑒

（沈陽航空航天大學自動化學院，沈陽 110136）

0 引言

目前我國北方主要的供熱方式是集中供熱。集中供熱的本質(zhì)是在居民居住較為密集的區(qū)域或者工業(yè)生產(chǎn)聚集區(qū)內(nèi)進行集中熱源建設(shè)，各集中供熱熱源向各自分擔區(qū)域內(nèi)的居民或者企業(yè)提供生活用熱或生產(chǎn)用熱[1]。相較于造成大量二氧化硫與顆粒物污染的散煤取暖方式，目前北方城市的集中供熱熱源多數(shù)采用熱電聯(lián)產(chǎn)、燃氣鍋爐、區(qū)域燃煤鍋爐等。集中供熱技術(shù)提高了燃料的利用效率，使得我國供熱季北方城市的大氣環(huán)境污染問題得到了一定程度的控制。且集中供熱技術(shù)設(shè)備自動化程度高、故障率低、供熱站占地面積小，并不占用太多公共資源。供熱公司通過集中供熱技術(shù)實現(xiàn)了分戶計量，解決了收費管理困難的問題，一定程度上提升了居民采暖的舒適度[2]。我國北方人口密度較高，進入冬季后城市居民以及工業(yè)園區(qū)用熱面積較大，集中供熱符合我國北方冬季的采暖需求。20世紀70年代末我國就開展了對集中供熱模式的技術(shù)研究與發(fā)展[3]，伴隨著集中供熱的技術(shù)發(fā)展，一系列問題也隨之而來。最嚴峻的問題是由于閥門老化、管道距離長且年久失修，經(jīng)常會出現(xiàn)跑冒滴漏等情況，造成了大量的資源浪費和供熱不達標等問題；集中供熱系統(tǒng)宏觀調(diào)控容易而微觀調(diào)控困難。

集中供熱遠程控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)部分是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)這一概念自20世紀90年代末提出來距今已有20多年，但是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)真正迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用于實際是在近10年[4]。美國在2009年提出了智慧地球戰(zhàn)略，在實用性領(lǐng)域進行了大量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用嘗試，例如供電電網(wǎng)、醫(yī)療衛(wèi)生以及教育管理系統(tǒng)等。歐盟各國在步入20世紀后才開始對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行研發(fā)，起步與我國相差無幾，但歐盟是首個對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展提出有建設(shè)性計劃的國際組織。歐盟各國為確保其在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)中的絕對領(lǐng)先地位，于2009年年中提出了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動計劃》（Internet of Things-An action plan for Eu?rope），并提交至歐盟理事會，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行了初步規(guī)范，制定了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略[5-7]。

集中供熱最大的問題在于微觀調(diào)控能力較弱導致用戶體驗感較差，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)恰好彌補了這個缺陷[8]。在窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)之前，大多數(shù)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)通過本地通信的方式實現(xiàn)監(jiān)測和控制，傳統(tǒng)方式通信距離較短，無法實現(xiàn)智能化、去人工化。而通過新興的NB-IoT技術(shù)，再結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)云平臺的云計算能力可以實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)遠程控制。NB-IoT技術(shù)相較于傳統(tǒng)的通信方式而言功耗更低、通信范圍更大、覆蓋面積更大[9]。因此，本文對基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺和NB-IoT的集中供熱遠程控制系統(tǒng)進行研究和開發(fā)。

1 總體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)需求分析

在我國北方采暖季，采暖用戶缺少手段來判斷供熱公司的供熱水平是否達。為滿足用戶掌握實時進水溫度的要求，系統(tǒng)提供手段讓用戶能實時掌握進水溫度。因此，硬件終端的溫度傳感器需要按一定頻率檢測進水溫度數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)按時上傳進水溫度數(shù)據(jù)和單元閥門開度數(shù)據(jù)至云平臺。云平臺更新獲取的數(shù)據(jù)并顯示，讓用戶有手段查詢實時進水溫度和單元閥門開度數(shù)據(jù)，用戶還可查詢進水溫度和單元閥門歷史開度情況，從而判斷供熱公司的供熱情況是否符合最低標準。采暖用戶可以通過智能手機終端或PC網(wǎng)頁端登錄天翼云平臺查詢歷史溫度數(shù)據(jù)，判斷供熱公司是否按照要求供熱。本系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足用戶需求，用戶從系統(tǒng)中獲得的進水溫度數(shù)據(jù)和閥門開度具有客觀性時效性和準確性，有數(shù)據(jù)作為強有力的依據(jù)，也能有效地避免用戶與供熱公司因為供熱問題產(chǎn)生矛盾，并且提高用戶采暖的舒適度。

為了使用戶獲得更好的采暖體驗，本系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)實現(xiàn)以下目標。

（1）遠程監(jiān)測：系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳云平臺，用戶可以通過PC端和手機端登錄控制臺面端對溫度數(shù)據(jù)和閥門開度的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行查看。

（2）設(shè)備控制：用戶可以通過PC端或手機端登錄云平臺對供熱閥門控制終端下達指令，通過對單元閥門開度的控制，完成室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制。

（3）異常報警：當系統(tǒng)檢測到進水溫度數(shù)據(jù)不處于設(shè)定閾值內(nèi)時，硬件終端部分將啟動報警程序，將報警信息發(fā)送至云平臺。

1.2 基于“云-管-端”模式的總體方案設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展至今已有20余年的歷史，各國對信息科技產(chǎn)業(yè)第三次革命加速了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展[10]。嵌入式技術(shù)的蓬勃發(fā)展也在一定程度上提升了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的最底端，傳感技術(shù)的發(fā)展同樣對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展起到了積極作用[11]。目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各大新潮領(lǐng)域，例如通信技術(shù)領(lǐng)域、傳感器技術(shù)領(lǐng)域、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域等等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)符合大眾的需求，能切實地解決人們的實際生活問題。“云”即云平臺，云平臺的核心是云計算。云平臺可以管理數(shù)據(jù)中心的各類資源如“計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲、鏡像、數(shù)據(jù)庫等”。管理員或租戶可以通過云平臺來完成業(yè)務(wù)的下發(fā)。云平臺是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)框架的核心。云平臺可以根據(jù)應(yīng)用場合不同劃分為公有云和私有云。多數(shù)企業(yè)在處理企業(yè)內(nèi)部私密數(shù)據(jù)時會自主搭建云計算服務(wù)平臺，這種云被稱為私有云。例如阿里云，天翼云這種完全公開的互聯(lián)網(wǎng)云平臺中心，被稱為公有云。

“管”作為云平臺和終端通信的渠道，為終端向上發(fā)送的數(shù)據(jù)提供了載體，并實現(xiàn)了信息的傳輸“管”的實質(zhì)是各種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，目前我國的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展較為完備，已經(jīng)逐漸開始向智能化方向發(fā)展。

“端”指的是各種終端設(shè)備，包括監(jiān)控終端和應(yīng)用終端等。目前監(jiān)控終端包括掃碼器、電表、攝像頭等等。目前最常見的應(yīng)用終端是智能手機。目前終端設(shè)備終端也日趨智能化也趨于融合化。市場上的大多數(shù)終端設(shè)備能實現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測、指令執(zhí)行、與云平臺交互等功能。例如近些年興起的運動手環(huán)，可以在實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的同時，通過硬件終端采集用戶各項身體指標并上傳至云網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)分析。

本系統(tǒng)以“云-管-端”為設(shè)計框架，系統(tǒng)總體設(shè)計方案設(shè)計如圖1所示。

圖1 基于“云-管-端”的系統(tǒng)總體方案

2 供熱閥門遠程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

供熱閥門遠程硬件終端部分由溫度傳感器，單元閥門控制舵機，NB-IoT通信模塊等部分組成，硬件終端通過NB-IoT通信協(xié)議與運營基站進行通信，與云平臺對接。本設(shè)計選用中國電信天翼云平臺，通過對應(yīng)終端設(shè)備的唯一IMEI碼完成接入，通過設(shè)備創(chuàng)建、消息訂閱，完成云平臺與終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸功能。系統(tǒng)硬件原理如圖2所示。

圖2 供熱閥門遠程控制系統(tǒng)硬件原理框圖

2.2 主控模塊

本設(shè)計主控模塊選用的單片機型號為STC8A8K64S4 A12。STC8A8K64S4A12型號單片機出廠時默認P5.4為復位管腳，本系統(tǒng)采用軟件復位，故而不設(shè)計復位電路，且該單片機設(shè)有內(nèi)部時鐘，不需要外加晶振。STC8A8K6 4S4A12最小系統(tǒng)電路如圖3所示。用3.3 V電壓為單片機供電并為AVREF引腳提供基準電壓，C2、C3電容起到濾波作用用來去除信號干擾。

圖3 主控模塊電路

2.3 NB-IoT通訊模塊

本設(shè)計選用BC26模塊作為NB-IoT通信模塊。其電路原理圖如圖4所示。其性能優(yōu)越性主要體現(xiàn)在低功耗和多頻段上[12]。在靠近模塊VBAT輸入端，并聯(lián)一個等效電阻低的100μF的鉭電容，以及100 nF、1μF的濾波電容保證模塊工作穩(wěn)定性。BC26串口模塊工作電壓為1.8 V。本設(shè)計中BC26通信模塊供電電壓為3.3 V，需要設(shè)計電平轉(zhuǎn)換電路。3.3 V供電電壓經(jīng)過三極管SQ9014降壓至1.8 V實現(xiàn)MCU與BC26串口端的供電與連接。BC26模塊啟動前，可以將PWRKEY引腳電平拉低使BC26模塊啟動。本系統(tǒng)中和BC26模塊需要長時間待機，PWRKEY引腳串聯(lián)1 kΩ電阻連接DGND實現(xiàn)PWRKEY引腳電位長時間拉低。BC26模塊包含一個SIM接口，支持BC26模塊與外部SIM卡數(shù)據(jù)互通。外部SIM卡通過模塊內(nèi)部的電源供電，支持1.8 V或者3.3 V供電。

圖4 NB-IoT模塊電路

2.4 溫度傳感器PT1000調(diào)理電路

鉑電阻在潮濕環(huán)境也不易被腐蝕氧化，具有良好的重復性以及溫度變化敏感性。基于以上優(yōu)點本系統(tǒng)選擇PT1000作為溫度傳感器。其調(diào)理電路如圖5所示。本設(shè)計選擇的主控模塊自帶A/D轉(zhuǎn)換功能。利用3個電阻與PT1000構(gòu)成一個橋路，使用運算放大器的同相放大器功能對橋路產(chǎn)生的差分電壓進行放大。放大后的電壓送到單片機進行AD采集就能完成對溫度信號的采集。此電路以依靠簡單的運放和幾個電阻就來可以實現(xiàn)輸出為0~5 V滿量程，最大限度下滿足精度要求。

圖5 PT1000溫度傳感器調(diào)理電路

2.5 單元閥門舵機KSMA-03X調(diào)理電路

本設(shè)計選用KSMA-03X這款舵機。本舵機額定電壓為12~24 V，最大電流值不大于10 A，可以采用12 V/5 A來供電。完全可以滿足設(shè)計需求。根據(jù)運放器件的“虛斷”的概念，5腳的輸入電壓完全等于角度電位器的輸出電壓。根據(jù)運放器件的“虛短”的概念，5腳和6腳的電壓相同，6腳和7腳相連，所以說7腳的電壓等于角度電位器的輸出電壓。在用兩個電阻分壓將輸出電壓分成不超過單片機的輸入電壓。PWM腳用來控制舵機角度，C19的作用是對7腳輸出電壓信號進行濾波。單元閥門舵機調(diào)理電路如圖6所示。

圖6 KSMA-03X單元閥門舵機調(diào)理電路

3 供熱閥門遠程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要用于對主控模塊外圍設(shè)備的控制。軟件性能的優(yōu)劣，會直接影響整個控制系統(tǒng)的工作效率。根據(jù)1.1節(jié)分析得到的系統(tǒng)需求，本設(shè)計以Keil5為開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了供熱閥門遠程控制系統(tǒng)的軟件，實現(xiàn)了對進水溫度的數(shù)據(jù)采集、進水溫度異常報警、閥門開度數(shù)據(jù)采集、云平臺通信、閥門開度遠程控制等功能。本控制系統(tǒng)中的軟件部分主要包括以下幾部分，分別是系統(tǒng)初始化、BC26模塊通信、閾值報警、傳感器數(shù)據(jù)采集與處理等部分。系統(tǒng)硬件終端通電后主程序開始運行，在主程序中完成串口初始化、BC26通信模塊初始化、EE?PROM數(shù)據(jù)存儲模塊初始化、IIC初始化等任務(wù)。溫度傳感器PT1000對進水溫度信息進行采集，信息存入片外EEPROM并根據(jù)設(shè)定時間間隔上報進水溫度數(shù)據(jù)。閥門控制舵機模塊通過外加調(diào)理電路采集單元閥門開度信息，存入外接EE?PROM，定時上傳至云平臺。用戶可通過云平臺對遠程供熱閥門控制硬件終端進行指令下發(fā)，完成遠程控制。供熱閥門遠程控制硬件終端的軟件部分主程序流程如圖7所示。根據(jù)供熱閥門遠程控制系統(tǒng)的需求，其中NB-IoT通信模塊相關(guān)任務(wù)包括BC26模塊初始化、BC26天翼云平臺對接、數(shù)據(jù)收發(fā)和指令接收等任務(wù)。數(shù)據(jù)采集相關(guān)任務(wù)共有兩項分別是閥門進水溫度采集任務(wù)、單元閥門開度采集任務(wù)。設(shè)備控制任務(wù)為單元閥門控制任務(wù)。

圖7 供熱閥門遠程控制系統(tǒng)軟件流程

4 系統(tǒng)測試

4.1 用戶登錄

用戶通過PC端或移動手機終端打開中國電信天翼物聯(lián)網(wǎng)云平臺官網(wǎng)在右上角點擊“登錄”，正確輸入用戶賬號密碼后進入操作臺。登錄界面如圖8所示。

圖8 登陸界面

4.2 數(shù)據(jù)查看

用戶通過云平臺可以查看遠程閥門控制系統(tǒng)終端的各項數(shù)據(jù)，便于用戶實時了解進水溫度情況，單元閥門開度情況。如圖9所示為歷史數(shù)據(jù)查看界面。用戶在PC端或移動手機端成功登錄云平臺后，點擊控制臺后進入產(chǎn)品界面選擇數(shù)據(jù)查看。可直接查看實時的和歷史的進水溫度和閥門開度。其中TMP為溫度，SDA為單元閥門開度。此時進水溫度為27.4℃，單元閥門開度為0.3°。

圖9 數(shù)據(jù)查看界面

4.3 閥門控制

用戶可以利用云平臺下發(fā)指令對單元閥門開度進行控制，以便于用戶獲得更好的采暖體驗。具體操作如下用戶進入工作臺后選擇設(shè)備，點擊右側(cè)指令下發(fā)，服務(wù)標識選擇REQ，單元閥門開度控制指令為SET_SD。如圖10所示輸入SET_SD89.2，可將單元閥門開度調(diào)整為89.2°。

圖10 指令下發(fā)界面

4.4 異常報警

當單元閥門水溫情況異常時，硬件終端會向云平臺發(fā)送報警信號，用戶可以通過數(shù)據(jù)查看接收到報警信號。當實時進水溫度超過設(shè)定的閾值時候。硬件終端向云平臺發(fā)送報警信號。如圖11所示，當閥門水溫超過預(yù)設(shè)的溫度閾值時，云平臺接收到了硬件終端發(fā)送來的報警信號并推送。用戶通過信息查看可看到此報警信息。用戶此時可以選擇對閥門開度進行調(diào)整。

圖11 云平臺接到報警信息

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種集中供熱閥門遠程控制系統(tǒng)，主要應(yīng)用在我國北方城市。我國北方城市進入供熱季后，用戶普遍會反映采暖體驗不舒適。供熱公司只能盲目地加大供暖力度來解決此問題。但此舉反而導致了供熱不均、資源浪費、環(huán)境污染等問題。在我國北方城市供熱季節(jié)時，本設(shè)計在一定程度上可以解決上述問題。用戶自主調(diào)節(jié)閥門開度，能獲得更好的采暖體驗，也避免了資源分配的不均，從而緩解了環(huán)境污染問題。目前我國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)進入了生活的各個角落。常見的有共享單車、智能家居、智能物流等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)不僅給普羅大眾的生活帶來了便利，也帶動了我國的經(jīng)濟發(fā)展。NB-IoT技術(shù)目前已經(jīng)逐漸趨于成熟化規(guī)范化，相信未來功能會更加強大。基于NB-IoT技術(shù)的集中供熱閥門遠程控制系統(tǒng)貼近民眾實際生活，能幫助居民解決采暖問題，未來發(fā)展前景不可限量。