基于NB-loT的智慧供熱入戶閥設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)住宅供熱系統(tǒng)的智能化管理和節(jié)能降耗，本文設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT 的智慧供熱入戶閥。該入戶閥能夠遠(yuǎn)程控制閥門的開關(guān)和開度，并實(shí)時(shí)采集供回水溫度、流量等數(shù)據(jù)，上傳至云平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。用戶可以通過手機(jī)App 實(shí)時(shí)了解入戶閥狀態(tài)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效提高供熱效率，綜合節(jié)能率約8%，為智慧供熱系統(tǒng)的建設(shè)提供了一種可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：智慧供熱；入戶閥控制；實(shí)時(shí)監(jiān)控；節(jié)能；NB-lot；遠(yuǎn)程控制；智能化

中圖分類號(hào)：TN02；TP391.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）06-0114-03開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

0 引言

我國(guó)北方冬季大部分供熱時(shí)間4個(gè)月以上，甚至長(zhǎng)達(dá)半年時(shí)間。傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)的用戶閥門平時(shí)處于全開狀態(tài)，能源浪費(fèi)，用戶體驗(yàn)差。隨著國(guó)家所倡導(dǎo)的綠色能源《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》，各地供暖工作逐漸建成。因此，本文研究設(shè)計(jì)一種基于NB-loT 的智慧供熱入戶閥（簡(jiǎn)稱PTV），遠(yuǎn)程控制閥門的開關(guān)和開度，實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)的智能化管理和節(jié)能降耗。

1 PTV方案設(shè)計(jì)

1.1 PTV基本硬件原理方框圖

主控制器MCU模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和閥門控制模塊是構(gòu)成PTV最主要的四大模塊。

PTV通過鋰電池供電后，單片機(jī)（MCU）作為主控制器（CPU），采集供熱住戶前端管網(wǎng)的供水溫度、回水溫度、流量，通過NB-IoT遠(yuǎn)程通訊，由閥門控制管道口徑范圍DN20的閥門開度和開關(guān)，智能進(jìn)行供暖或者停止供暖，利于提高節(jié)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(shù)據(jù)選型

PTV設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是主控MCU對(duì)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(shù)的測(cè)試與控制，并將測(cè)試數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)；熱水流量?jī)x等。因此控器選NUVOTON（新唐）的單片機(jī)（MCU）NANO110SD2BN，該單片機(jī)滿足下電源模塊、按鍵、液晶屏、語音、IC卡，電機(jī)控制、智能熱表等232通訊裝置?？刂破飨到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

設(shè)置超聲波PT1000溫度傳感器、壓差傳感器、渦輪流量計(jì)等傳感器元件采集供回水、補(bǔ)水、供熱蒸汽的溫度、壓力檢測(cè)，數(shù)據(jù)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(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)傳送到CPU。

1.3.1 熱量精準(zhǔn)控制原理

1）溫控接口電路。智慧供熱入戶閥PTV方案設(shè)計(jì)中需要檢測(cè)室外溫度、供回水溫度。所以測(cè)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(jiǎn)，內(nèi)部不但集成了模擬開關(guān)、模擬比較器、施密特觸發(fā)器等器件，而且增加了第一波檢測(cè)功能，這樣抗干擾能力大大增強(qiáng)。內(nèi)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(shí)差（供水、回水）的溫度測(cè)量和時(shí)差數(shù)據(jù)的讀取，大數(shù)據(jù)平臺(tái)或手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控判斷超聲波換能器[5]異常、入戶閥管內(nèi)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(zhǔn)控制圖。

1.3.2 流量精準(zhǔn)控制原理

1）流量接口電路。由一對(duì)或多對(duì)超聲波傳感器、單片機(jī)控制器、脈沖信號(hào)處理電路等組成。超聲波流量計(jì)與渦輪流量[6]計(jì)相同，溫度傳感器可配置在表殼內(nèi)，測(cè)量介質(zhì)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(nèi)部集成5.5V 與3.3V 穩(wěn)壓源、復(fù)用電流源，具有較大的輸出功率，可以遠(yuǎn)程供電，該芯片支持高達(dá)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(shè)計(jì)電路是散熱片背面接地，布線時(shí)注意散熱片需要阻焊開窗，同時(shí)焊線時(shí)注意底部GND 不要虛焊，圖4為流量精準(zhǔn)控制圖。

1.4 其他模塊

PTV還包含直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(hào)、參數(shù)和功能如表1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

入戶閥安裝在住戶前端供、回水管道上，測(cè)試與驗(yàn)證如圖5裝置圖。智能入戶閥與數(shù)據(jù)平臺(tái)通過4G，NB網(wǎng)絡(luò)無線連接。

2.2 測(cè)試與驗(yàn)證結(jié)果

為了驗(yàn)證PTV 閥門開度，在電池供電后，手機(jī)App上設(shè)置入戶閥設(shè)備配置，如圖6所示。

供熱數(shù)據(jù)服務(wù)中心將管網(wǎng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息（供水溫度、回水溫度，閥門開合度、室內(nèi)溫度、室外溫度、功率、流量、NB信號(hào)強(qiáng)度等）實(shí)時(shí)地顯示在背投式大屏幕監(jiān)視屏上如圖7，二次平衡網(wǎng)控制軟件也提供報(bào)警查詢等功能。如果換熱站中的關(guān)注參數(shù)報(bào)警時(shí)，背投式大屏幕投影儀能夠產(chǎn)生報(bào)警信息，工作員可以及時(shí)記錄報(bào)警產(chǎn)生的所屬小區(qū)位置、設(shè)備型號(hào)、原因、時(shí)間等相關(guān)參數(shù)。用戶也可通過手機(jī)App實(shí)時(shí)、直觀地了解入戶閥的當(dāng)前狀態(tài)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)采集回水溫度數(shù)值的相對(duì)誤差縮小為1.1%，閥門開度平均相對(duì)誤差縮小為±5%，100%為全開，0%為關(guān)閉，符合設(shè)定PTV開關(guān)及開度控制，可為智慧供水熱提供良好的技術(shù)支撐。

3 總結(jié)

本設(shè)計(jì)在順應(yīng)閥門大方向的前提下，采用鋰電池供電，工作原理簡(jiǎn)單，用M-bus模塊對(duì)接熱量表獲取溫度和流量，自帶測(cè)溫；實(shí)現(xiàn)NB-loT的智慧供熱入戶閥開關(guān)和開度。適用于集中供熱，給用戶帶來更加靈敏、便捷的節(jié)能和管理體驗(yàn)。

針對(duì)現(xiàn)有供熱系統(tǒng)技術(shù)限制，擬提出一種智慧供熱入戶閥設(shè)計(jì)方法，使得供熱系統(tǒng)降低能源消耗，滿足越來越高的節(jié)能要求，為后續(xù)探索智慧供熱對(duì)集中供熱節(jié)能減排[9]奠定基礎(chǔ)。