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摘要 ：近年来， 随着我国经济不断发展， 我国北方城市供热需求日趋增长 。2021 年以来， 我国北方多地区迎来历史最强寒潮， 但 各地区冬季供热困难问题积存已久， 导致资源浪费和环境污染问题层出不穷 。 目前， 远程供热监控系统成为供热公司应对供热困 难的主要手段， 但目前仍未有成熟的技术出现 。基于中国电信天翼物联网云平台和窄带物联网技术 (Narrow Band Internet of Things， NB-IoT) 设计了一款集中供热阀门远程控制系统 。分析了集中供热阀门远程控制系统的需求， 搭建了基于“云- 管-端” 的系统主框架 。完成了集中供热阀门远程控制系统的硬件终端构架并编写了下位机软件 。应用天翼物联网云平台， 实现了集中供 热阀门远程控制系统的设备管理 、数据储存 、数据查看 、远程控制等功能 。通过对系统的测试， 验证了设计的实用性 。该设计完 成了对用户单元阀门进水温度数据 、开度数据实时采集上传的任务， 实现了对单元阀门开度远程控制的任务， 为我国冬季北方居 民提供了更好的采暖服务。
关键词：集中供热,NB-IoT,阀门控制,天翼物联网云平台
Design of Remote Control System for Central Heating Vavel Based on NB-IoT
Xu Tao， Gao Zijian
(School of Automation, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136. China)
Abstract: In recent years, with the continuous development of China's economy, the demand for heating in northern cities is increasing day by day. Since 2021. most parts of northern China have suffered from extreme cold weather, and the problem of heating difficulties in various regions has existed for a long time, resulting in the waste of resources and environmental pollution . At present, the remote heating monitoring system has become the main means for heating enterprises to cope with heating problems, but the technology still needs not yet mature. Based on China Telecom Tianyi IoT Cloud Platform and NB-IoT communication technology , a central heating valve remote control system was designed. Secondly, the hardware circuit of the remote central heating valve control system was designed . Third, terminal software was written. Finally, the system was tested using the Tianyi IoT Cloud Platform, which showed that the equipment management, data storage, data storage, remote control, and other functions were realized by utilizing the central heating valve remote control system . The design system conducts the task of real-time collection and upload of the inlet water temperature data and opening data of the user unit valve , and realizes the remote opening degree control of the unit valve, so as to provide better heating services for northern residents in winter.
Key words: central heating; NB-IoT; valve control; Tianyi IoT cloud platform
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。
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。
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。
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 100 µF 的钽电容， 以及 100 nF 、1 µF 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， 需要图 3 主控模块电路设计电平转换电路 。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 。
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。
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。
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。
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。
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°。
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°。
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。
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。
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