基于NB-IoT的供熱溫度監測系統設計

薛 峰，李 娟，王如龍

（1.北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192；2.中熱智能（北京）工程技術有限公司，北京 100085）

0 引 言

隨著我國城市建設的快速發展，集中供熱的規模更加龐大，是我國冬季主要的供暖形式之一。由于供熱系統具有大慣性和大滯后等特點[1]，供熱不均和水力失衡等問題時常出現[2]。為解決此類問題，熱力公司需要對室內供暖的實際溫度進行獲取，以此指導熱網的自動化調度工作，調整供熱策略，從而達到按需供熱的重要目標[3]。

無線通信技術因具有成本低、靈活性高、適應性強和便于維護等優勢，在各行業及溫度監測領域得到廣泛的應用[4-5]。文獻[6]利用ZigBee技術進行溫度傳感器組網，對室內多個點位的溫度進行監測。但ZigBee技術僅適用于短距離、小范圍內的設備組網，信號穿墻能力弱，不適用于長距離通信。文獻[7]采用近年來推出的遠距離無線電（Long Range Radio,LoRa）技術設計了一種環境溫濕度監測節點，可以實時監測車間內的溫濕度變化，對異常情況進行報警提醒。但LoRa網絡在實際使用時，除了在現場終端設備中安裝LoRa射頻模塊外，還需根據終端設備的數量，部署相應的匯聚網關，部署難度大，成本較高[8]。文獻[9]運用通用無線分組業務（General Packet Radio Service,GPRS）技術對集中供熱用戶住房內的溫度進行監測。但GPRS設備工作電流較大，整體功耗高[10]，不適合用于長期由電池供電的工作場景。窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）作為近些年發展較快的物聯網無線通信技術，使用授權頻段，具有低功耗、低速率和強連接等特點，與非實時、低頻次的定時上報數據類業務較契合[11-12]。

因此，本文設計一種基于NB-IoT技術，采用UDP的遠程供熱溫度監測系統，溫度終端可用電池供電，按照設置的時間周期定時采集環境和設備的有關信息，并上傳至云服務器；熱力公司可通過電腦端瀏覽器打開Web頁面查閱當前和歷史數據，也可通過手機APP查看當前供熱情況。系統對于協助熱力公司掌握供熱狀況、提高供熱質量具有實際意義。

1 系統總體設計

基于NB-IoT的供熱溫度監測系統總體結構如圖1所示。由溫度終端、移動通信網絡、百度云服務器和客戶端等四部分組成。溫度終端作為現場設備，采集和處理室內的環境溫濕度數據和設備相關信息，并通過NB-IoT網絡上傳至移動通信基站；移動通信基站通過UDP協議與云服務器交換數據，云服務器對數據進行解析、存儲；手機APP和電腦Web瀏覽器可通過HTTP協議訪問云服務器查看最新數據。

圖1 供熱溫度監測系統組成

NB-IoT支持TCP、UDP、HTTP、消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport,MQTT）、受限應用協議（Constrained Application Protocol,CoAP）等眾多協議。其中，UDP協議的報文結構簡單，且無需保持長連接，對流量和電量消耗少，適用于低功耗的應用場景。

2 系統硬件設計

供熱溫度監測系統終端的硬件總體結構如圖2所示，主要由鋰電池、低壓差線性穩壓器、主控單元、NB-IoT通信模組、溫濕度傳感器和電池電量檢測電路等部分組成。

圖2 溫度終端硬件總體結構

低壓差線性穩壓器ME6211C33M5G-N將電池電源穩壓后給各部分供電；主控單元包括主控微處理器（Micro Control Unit,MCU）及其外圍電路，MCU型號為STM32L071CBT6，待機模式的消耗電流為0.85 μA，外圍電路包括串行接口電路、供電插口、晶振、濾波電容、復位按鈕等；NB-IoT通信模組包括模組本體及其外圍電路，模組本體選用中國移動M5310-A，外圍電路包括串行接口電路、SIM卡、天線和復位按鈕。M5310-A支持UDP協議及其他多種通信協議，在節能模式（Power Saving Mode,PSM）狀態下的運行電流低至5 μA；溫濕度傳感器型號為奧松AHT25，采用I2C協議進行通信，體積小，精度良好，使用1.27 mm間距的插銷式接口與MCU連接。

根據電池電量和電壓的曲線關系[13]，設計了電池電量檢測電路。利用電阻分壓和ADC采樣功能，估算鋰電池的剩余電量。電池電量檢測電路原理如圖3所示。VCC為電池的供電引腳，BAT_ADC為ADC采樣引腳，SWITCH引腳用來控制PMOS管Q2的通斷，防止分壓電阻在設備休眠期間對地產生電流，浪費電能。

圖3 電池電量檢測電路

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括溫度終端嵌入式程序、監測系統服務程序和安卓APP三部分。嵌入式程序開發工具為MDK5和STM32CubeMX，STM32CubeMX可對MCU進行初始化配置，提高開發效率；監測系統服務程序和安卓APP的開發工具分別為IntelliJ IDEA 2021.2.2和Android Studio 2021.3.1。

3.1 嵌入式程序設計

嵌入式程序主要包括終端初始化、數據收集及處理、通信配置、數據發送、休眠與喚醒。程序流程如圖4所示。

圖4 嵌入式程序流程

終端上電啟動，MCU完成時鐘、USART、GPIO、I2C、ADC轉換等初始化任務，同時M5310-A完成駐網工作等初始化任務；初始化成功后，分別通過AHT25、電池電量檢測電路、AT命令收集需要發送的各類數據，如環境溫濕度、設備溫度、信號值等，并將數據處理成字符串形式以備數據發送任務；進行通信配置任務，指定服務器地址和端口，發送UDP數據。發送完畢，M5310-A進入PSM模式，MCU啟動RTC，定時5 min，進入待機模式。此時的測溫周期為5 min，即MCU的待機時間。MCU待機時間到則被喚醒，隨即喚醒M5310-A使其退出PSM模式，再次進行數據收發任務。M5310-A使用的AT命令見表1所列。

表1 AT命令

在數據收集和處理過程中，對于環境溫濕度數據，可以重復多次讀取傳感器的數值并進行均值濾波處理，使數據更加準確。

3.2 監測系統服務程序設計

監測系統服務程序部署于百度云服務器內，通過9999端口與M5310-A進行通信，M5310-A通過UDP協議向云服務器的9999端口發送數據。監測系統服務程序一方面負責接收、解析、存儲M5310-A發送的數據，并將歷史數據以電腦端Web頁面可視化呈現；另一方面向外提供接口給手機APP查詢最新數據使用。監測系統服務程序整體使用Spring Boot框架進行搭建，數據的存儲和查詢使用持久層框架Mybatis，數據庫采用MySQL，針對Web頁面使用Thymeleaf和Echarts進行頁面可視化效果的渲染和顯示；使用Netty網絡程序應用框架接收并處理M5310-A發送的UDP數據。系統服務程序結構如圖5所示。

圖5 系統服務程序結構

3.3 手機APP設計

手機APP采用原生開發方式，基于Java語言編寫，通過HTTP協議與百度云服務器通信，采用OkHttp網絡請求框架[14]向云服務器發送GET請求，云服務器中的系統服務程序接收到GET請求后會回復一組響應數據；APP使用Gson庫將獲取到的HTTP響應數據解析為Java對象，最終將Java對象顯示到綁定的界面控件上，完成數據顯示任務。手機APP設計框圖如圖6所示。

圖6 手機APP設計框圖

4 系統測試

由于百度云服務器擁有公網IP且具有防火墻功能，因此在測試前，需打開相應端口的防火墻權限，放行Web和APP對云服務器的請求。

使用IDEA內置的MAVEN工具將服務程序打包成jar包，將jar包上傳至云服務器并啟動，啟動服務程序界面如圖7所示。

圖7 啟動服務程序界面

服務程序成功啟動后，將終端上電，等待其以5 min的時間間隔發送10次數據。發送完畢后，使用Chrome瀏覽器訪問云服務器的8080端口，服務器顯示的Web界面如圖8所示。

圖8 Web界面

啟動手機APP查詢最近一次設備上報的數據。點擊“獲取最新數據”按鈕，數據界面可顯示最新一次上報的時間、環境溫濕度、設備溫度、設備電量、信號強度和測溫周期等數據。數據顯示界面如圖9所示。觀察Web界面和手機APP顯示，二者的溫濕度等數據一致且完整。

圖9 APP數據顯示界面

5 結 語

本文主要開發了一種基于NB-IoT的遠程供熱溫度監測系統，該系統運用UDP協議進行數據傳輸，具有運行穩定、數據傳輸完整和功耗低等特點。熱力公司工作人員可使用電腦端Web頁面和安卓APP查看歷史和最新數據，實現了物聯網技術與集中供熱系統的結合，為集中供熱系統向智慧化、低碳化轉變提供了參考。后續研究將豐富手機APP等功能。