基于NB_IOT 的供熱遠程監測系統設計

楊遠，杜忠華

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京 210094）

近年來，城市集中供熱系統規模不斷擴大，同時出現了諸多問題，用戶對供熱質量提出了較高要求[1]。對用戶終端供熱狀態信息采集不及時，將導致用戶供熱質量沒有達到預想效果。在采集多處數據信息、出現多處故障及調節多處流量時，造成時間和人力的耗費，不能及時處理用戶的需求[2]。在物聯網技術迅速發展的同時，現有的遠程監測技術面臨的問題也隨之而來[5-6]。文獻[3]采用GPRS 物聯網技術設計了集中供熱在線監測系統，該技術容易受覆蓋范圍的限制，存在通信死角，導致實時性差。傳統上采用以太網技術設計熱力站在線監測系統，該技術采用超時重發機制，單點故障容易擴散，導致整個網絡系統癱瘓不能正常工作。該文提出一種基于NB_IOT 的供熱遠程監測系統，基于蜂窩網絡的NB_IOT 自身具備廣覆蓋、低功耗、強鏈接等優勢[7-8]，彌補了現有監測方式的不足。

1 系統整體方案設計

從未來發展的視角來說，若想確保供熱系統有較高的運行效益且提高用戶供熱質量，用戶流量調節是一種可行性較高的模式。為提高用戶供熱質量，對傳統的供熱系統進行合理改進，在保證用戶質量的基礎上采用變流量調節，能滿足供熱需求且能減低熱源的能耗。調節用戶流量大小時，需實時監測用戶室內外溫度和輸送管道內的熱源信息，否則并不能達到預想的效果。基本的變流量供熱系統結構圖如圖1 所示。變流量調節的引入可以更好地對不同用戶提供相同的服務，并能進行相應的供熱調節和管控[4]。

圖1 變流量供熱系統基本結構圖

遠程監測系統框圖如圖2 所示，其主要由用戶采集端、NB_IOT 模塊、物聯網云平臺和應用終端構成。其中，用戶采集端負責用戶室內溫濕度數據采集、流量調節閥控制和管道內溫度數據采集等。NB_IOT 模塊與云平臺進行數據交互，將數據上傳到物聯網云平臺，并對數據進行儲存。用戶和供暖企業可以通過PC 端、移動端實時查看供熱系統用戶端狀態信息和下發流量調節控制指令。

圖2 系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 主控制模塊硬件電路設計

系統終端結構圖如圖3 所示，構成部分主要包含溫濕度傳感器、流量調節閥、管道內溫度傳感器、NB_IOT 模塊、STM32微控制器、電源電路、時鐘電路、復位電路及ADC 轉換電路。電源主要由電池和外部人工接口供電，電池提供5 V 的電源電壓。整個電路設計做低功耗處理，3.3 V降壓電源電路設計如圖4所示。電源電路主要負責給STM32微控制器及NB_IOT模組提供3.3 V 電壓。

圖3 控制終端結構圖

圖4 電源電路

傳感器與STM32 微控制器完成數據的采集；NB_IOT 模塊與物聯網云平臺交互完成數據上傳及指令接收控制；驅動電機模塊負責控制用戶流量調節閥閥體動作，通過電機驅動電路與微控制器STM32 連接；根據微控制器STM32 接收的控制指令進行處理并發送控制信號至驅動電機模塊；最終實現用戶流量的調節。主控制器作為系統運行的核心控制部分，根據供熱的實際需求以及對低功耗的要求，該文選擇STM32 作為主控制器芯片。以提供動態電壓調節、超低功耗時鐘振蕩器和超低功耗下的通信外設接口，動態運行模式下電流消耗低至87 μA/MHz；在停止模式下，喚醒時間可低至3.5 μs。

2.2 采集模塊硬件設計

在數據采集模塊設計中，STM32 微控制器的串口與傳感器通信接口相連接，采集傳感器所測數據信息。數據采集模塊主要包括溫濕度傳感器、管道內溫度傳感器及流量調節閥。溫濕度傳感器主要采集用戶室內溫濕度數據，管道內溫度傳感器采集用戶熱源管道內的熱源溫度。根據系統的設計需求，管道采集溫度選擇了PT100 防水溫度傳感器，輸出信號為模擬信號，工作溫度為-50～500 ℃。溫濕度傳感器選用了TE Connectivity 生產的HPP845E031R4，是專用的濕度和溫度即插即用傳感器，嵌入在可回流焊接的雙扁平無引線封裝中；其工作電壓為1.5～3.6 V，工作溫度在-40～125 ℃，數字輸出模塊可實現與微控制器接口直接連接[11]。

根據用戶流量調節閥閥體結構和需求，選用了RF310-17192-5.0V 帶開關的減速電機，其性能參數如表1 所示。通過電機驅動電路實現微控制器STM32 控制RF310 減速電機的啟動與停止，電機驅動模塊直接與微控制器STM32 連接。供熱企業可根據供熱系統實時監測狀態信息，在控制終端上發送控制指令；通過云平臺與NB_IOT 模塊交互，將控制指令傳輸至微控制器STM32；最終通過微控制器STM32 串口發送控制信號至電機驅動模塊。

表1 RF310減速電機性能參數表

2.3 NB_IOT模塊硬件設計

該設計中NB_IOT 通信模塊選用了移遠通信生產的BC25，BC25 是一款高性能、多頻段、低功耗、支持OpenCPU 的無線通信模塊；可節約MCU，采用LCC貼片封裝，支持2.1～3.6 V 低電壓供電；支持多頻段及豐富外部接口，支持海量的連接數量；內嵌網絡協議棧。在低功耗模式下電流功耗可低至3.8 μA，只消耗低至180 kHZ的帶寬[7-8]。根據系統的設計需求，NB_IOT 模塊硬件電路設計主要包括電源電路、串口通信電路、USIM 卡座電路等，BC25硬件電路如圖5所示。由于NB_IOT 通信輸出引腳的輸出電壓為1.8 V，微控制器STM32 串口輸入引腳默認為3.3 V，需設計通信轉換電路，其轉換電路設計如圖6 所示。

圖5 BC25硬件電路

圖6 轉換電路

3 系統軟件設計

3.1 主控制器軟件設計

在系統運行后，初始化微控制器STM32、各類傳感器及NB_IOT 模組，數據采集終端通過NB_IOT 模組嘗試網絡連接，判斷網絡連接狀態；若連接成功，根據系統開發需求設置數據采集周期及頻率；微控制器STM32 根據用戶設置采集周期和頻率，對各節點傳感器的數據進行采集；NB_IOT 模塊將采集的數據上傳至云平臺，通過云平臺返回的標志位判斷是否上傳成功；若為真，表示完成采集數據的上傳。同時，微控制器STM32 通過判斷是否存在控制指令下發；若用戶控制終端存在下發控制指令，微控制器STM32 控制驅動電機作相應動作。主控制程序流程圖如圖7 所示。

圖7 主控制程序流程圖

3.2 網絡通信軟件設計

云平臺將用戶端的傳感器、網絡、用戶聯系起來，用戶可以根據需求簡便及靈活地搭建遠程監測系統，實現采集終端與用戶建立連接[9-11]。該系統設計采用阿里云服務平臺，云平臺的搭建主要包括創建產品及設備，同時生成設備序列號，用于網絡通信時設備的一一對應，保證數據的安全傳輸。

NB_IOT 模塊與云平臺采用MQTT 通信協議進行網絡連接，MQTT 協議底層采用TCP 網絡通信協議，可保證數據上傳的安全性和可靠性。采用MCU發送AT 命令語言進行網絡連接，連接流程圖如圖8所示。在進行連接前需完成設備屬性與序列號的匹配，每個設備對應一個序列號；在數據上傳和指令下發時對應具體的設備信息。通過命令語言可查詢連接狀態、附著網絡、網絡信號等功能。

圖8 網絡連接流程圖

云平臺與應用服務器通過不同的網絡通信協議完成連接。云平臺通過服務器端的訂閱請求，將設備產生的數據通過HTTP/2 通道推送到用戶服務器。HTTP/2 具有方便、快捷、低延時的優勢。用戶服務器通過數據發布下發數據并由HTTPS 通道推送至云平臺，云平臺通過MQTT 通道推送至采集終端。

3.3 用戶服務器軟件設計

用戶服務器軟件是將終端數據最直觀地展示給用戶的人機交互軟件。該文設計采用阿里云平臺提供的人機交互平臺，用戶可根據需求自動搭建人機交互頁面[12-16]。人機界面如圖9 所示，分為設備上線連接、數據上報、異常告警以及主題訂閱窗口。根據設備序列號查看每個用戶的供熱實時狀態，每個窗口通過訂閱云平臺的訂閱主題實現數據接收，通過推送主題發布數據至云平臺。

圖9 系統測試圖

4 系統測試

系統測試主要包括采集數據信息的上報和下發控制指令對流量的調節兩部分。移動端與云平臺匹配身份三元組信息進行網絡連接；發送連接請求后，根據云平臺返回標志判斷是否連接成功；點擊設備數據上報，用戶可查看用戶端供熱實時狀態信息，如圖9 所示。該系統可以實時監測供熱狀態信息。當供熱出現異常時，可查詢歷史報警時間、報警內容等信息，為查明故障原因提供幫助。企業工作人員可在PC 端上登錄云平臺，下發控制指令；主控制器接收到下發的指令時進行控制指令處理分析，發送控制信號至驅動電機模塊或上傳相應狀態信息，以調節用戶流量[17-20]。

5 結論

該文對整個系統的硬件電路設計與軟件程序設計流程進行了介紹，并進行了基本功能的測試。該系統是基于NB_IOT 的供熱遠程監測系統，可實時采集供熱系統的供熱狀態，上傳數據至服務器終端進行顯示；控制終端下發控制指令，調節供熱系統的用戶流量，實現了供熱系統數據的遠程監測及供熱系統的用戶流量遠程調節；可遠程保障供熱系統的正常運行，同時也為故障排查提供數據支持。該系統具有成本低、功耗低、可擴展性高等優勢，可為開發基于NB_IOT 的遠程監測系統提供參考。