基于NB-loT的智慧供熱入戶閥設計與實現

摘要：為了實現住宅供熱系統的智能化管理和節能降耗，本文設計了一種基于NB-IoT 的智慧供熱入戶閥。該入戶閥能夠遠程控制閥門的開關和開度，并實時采集供回水溫度、流量等數據，上傳至云平臺進行監測和分析。用戶可以通過手機App 實時了解入戶閥狀態，并進行遠程控制。實驗結果表明，該系統能夠有效提高供熱效率，綜合節能率約8%，為智慧供熱系統的建設提供了一種可行的解決方案。

關鍵詞：智慧供熱；入戶閥控制；實時監控；節能；NB-lot；遠程控制；智能化

中圖分類號：TN02；TP391.8 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）06-0114-03開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

0 引言

我國北方冬季大部分供熱時間4個月以上，甚至長達半年時間。傳統供暖系統的用戶閥門平時處于全開狀態，能源浪費，用戶體驗差。隨著國家所倡導的綠色能源《“十四五”現代能源體系規劃》，各地供暖工作逐漸建成。因此，本文研究設計一種基于NB-loT 的智慧供熱入戶閥（簡稱PTV），遠程控制閥門的開關和開度，實現供熱系統的智能化管理和節能降耗。

1 PTV方案設計

1.1 PTV基本硬件原理方框圖

主控制器MCU模塊、通訊模塊、數據采集模塊和閥門控制模塊是構成PTV最主要的四大模塊。

PTV通過鋰電池供電后，單片機（MCU）作為主控制器（CPU），采集供熱住戶前端管網的供水溫度、回水溫度、流量，通過NB-IoT遠程通訊，由閥門控制管道口徑范圍DN20的閥門開度和開關，智能進行供暖或者停止供暖，利于提高節能和管理。PTV基本硬件原理方框圖如圖1。

1.2 主控制器MCU數據選型

PTV設計的關鍵是主控MCU對供熱蒸汽管道、回水管道、供水管道的溫度、熱量、流量、壓力等參數的測試與控制，并將測試數據上傳到云平臺；熱水流量儀等。因此控器選NUVOTON（新唐）的單片機（MCU）NANO110SD2BN，該單片機滿足下電源模塊、按鍵、液晶屏、語音、IC卡，電機控制、智能熱表等232通訊裝置。控制器系統結構如圖2所示。

1.3 數據采集模塊

設置超聲波PT1000溫度傳感器、壓差傳感器、渦輪流量計等傳感器元件采集供回水、補水、供熱蒸汽的溫度、壓力檢測，數據采集模塊通過PTV閥門開度來控制壓力、熱量、流量精確控制，并通過檢測電路、A/D轉換后數據傳送到CPU。

1.3.1 熱量精準控制原理

1）溫控接口電路。智慧供熱入戶閥PTV方案設計中需要檢測室外溫度、供回水溫度。所以測溫元件采用超聲溫度傳感器PT1000鉑熱電阻[1]。

2）熱量控制電路。選擇瑞盟科技MS1022[2-4]低功耗超聲波熱量表芯片，該芯片外圍電路精簡，內部不但集成了模擬開關、模擬比較器、施密特觸發器等器件，而且增加了第一波檢測功能，這樣抗干擾能力大大增強。內部比較器的offset可編程范圍為± 35 mV，采樣精度提高。通過命令碼Start_TOF_Restart 可以完成一次超聲波時差（供水、回水）的溫度測量和時差數據的讀取，大數據平臺或手機APP遠程監控判斷超聲波換能器[5]異常、入戶閥管內有麻絲、砂石、水中有氣泡等異常，大大減少軟件的操作和電量的消耗。圖3 為熱量精準控制圖。

1.3.2 流量精準控制原理

1）流量接口電路。由一對或多對超聲波傳感器、單片機控制器、脈沖信號處理電路等組成。超聲波流量計與渦輪流量[6]計相同，溫度傳感器可配置在表殼內，測量介質工作條件和壓力傳感器。

2）M-bus模塊控制流量電路。一路四線M-bus 總線接口，可接流量表。選擇瑞盟科技MS726芯片，該芯片3.3V 邏輯電平接口，總線無極性連接，芯片內部集成5.5V 與3.3V 穩壓源、復用電流源，具有較大的輸出功率，可以遠程供電，該芯片支持高達9600波特率的半雙工的UART通訊。

MS726芯片采用8pin的SOP8/PP 封裝，沒有接地引腳，所以在設計電路是散熱片背面接地，布線時注意散熱片需要阻焊開窗，同時焊線時注意底部GND 不要虛焊，圖4為流量精準控制圖。

1.4 其他模塊

PTV還包含直流馬達驅動模塊、電源供電模塊、觸摸按鍵模塊及NB-IoT通訊模塊[7]等。模塊具體型號、參數和功能如表1所示。

2 實驗結果與分析

2.1 實驗環境

入戶閥安裝在住戶前端供、回水管道上，測試與驗證如圖5裝置圖。智能入戶閥與數據平臺通過4G，NB網絡無線連接。

2.2 測試與驗證結果

為了驗證PTV 閥門開度，在電池供電后，手機App上設置入戶閥設備配置，如圖6所示。

供熱數據服務中心將管網各監測點信息（供水溫度、回水溫度，閥門開合度、室內溫度、室外溫度、功率、流量、NB信號強度等）實時地顯示在背投式大屏幕監視屏上如圖7，二次平衡網控制軟件也提供報警查詢等功能。如果換熱站中的關注參數報警時，背投式大屏幕投影儀能夠產生報警信息，工作員可以及時記錄報警產生的所屬小區位置、設備型號、原因、時間等相關參數。用戶也可通過手機App實時、直觀地了解入戶閥的當前狀態。

試驗結果表明，該系統采集回水溫度數值的相對誤差縮小為1.1%，閥門開度平均相對誤差縮小為±5%，100%為全開，0%為關閉，符合設定PTV開關及開度控制，可為智慧供水熱提供良好的技術支撐。

3 總結

本設計在順應閥門大方向的前提下，采用鋰電池供電，工作原理簡單，用M-bus模塊對接熱量表獲取溫度和流量，自帶測溫；實現NB-loT的智慧供熱入戶閥開關和開度。適用于集中供熱，給用戶帶來更加靈敏、便捷的節能和管理體驗。

針對現有供熱系統技術限制，擬提出一種智慧供熱入戶閥設計方法，使得供熱系統降低能源消耗，滿足越來越高的節能要求，為后續探索智慧供熱對集中供熱節能減排[9]奠定基礎。