基于NB_IOT 的供热远程监测系统设计

杨远，杜忠华

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

近年来，城市集中供热系统规模不断扩大，同时出现了诸多问题，用户对供热质量提出了较高要求[1]。对用户终端供热状态信息采集不及时，将导致用户供热质量没有达到预想效果。在采集多处数据信息、出现多处故障及调节多处流量时，造成时间和人力的耗费，不能及时处理用户的需求[2]。在物联网技术迅速发展的同时，现有的远程监测技术面临的问题也随之而来[5-6]。文献[3]采用GPRS 物联网技术设计了集中供热在线监测系统，该技术容易受覆盖范围的限制，存在通信死角，导致实时性差。传统上采用以太网技术设计热力站在线监测系统，该技术采用超时重发机制，单点故障容易扩散，导致整个网络系统瘫痪不能正常工作。该文提出一种基于NB_IOT 的供热远程监测系统，基于蜂窝网络的NB_IOT 自身具备广覆盖、低功耗、强链接等优势[7-8]，弥补了现有监测方式的不足。

1 系统整体方案设计

从未来发展的视角来说，若想确保供热系统有较高的运行效益且提高用户供热质量，用户流量调节是一种可行性较高的模式。为提高用户供热质量，对传统的供热系统进行合理改进，在保证用户质量的基础上采用变流量调节，能满足供热需求且能减低热源的能耗。调节用户流量大小时，需实时监测用户室内外温度和输送管道内的热源信息，否则并不能达到预想的效果。基本的变流量供热系统结构图如图1 所示。变流量调节的引入可以更好地对不同用户提供相同的服务，并能进行相应的供热调节和管控[4]。

图1 变流量供热系统基本结构图

远程监测系统框图如图2 所示，其主要由用户采集端、NB_IOT 模块、物联网云平台和应用终端构成。其中，用户采集端负责用户室内温湿度数据采集、流量调节阀控制和管道内温度数据采集等。NB_IOT 模块与云平台进行数据交互，将数据上传到物联网云平台，并对数据进行储存。用户和供暖企业可以通过PC 端、移动端实时查看供热系统用户端状态信息和下发流量调节控制指令。

图2 系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 主控制模块硬件电路设计

系统终端结构图如图3 所示，构成部分主要包含温湿度传感器、流量调节阀、管道内温度传感器、NB_IOT 模块、STM32微控制器、电源电路、时钟电路、复位电路及ADC 转换电路。电源主要由电池和外部人工接口供电，电池提供5 V 的电源电压。整个电路设计做低功耗处理，3.3 V降压电源电路设计如图4所示。电源电路主要负责给STM32微控制器及NB_IOT模组提供3.3 V 电压。

图3 控制终端结构图

图4 电源电路

传感器与STM32 微控制器完成数据的采集；NB_IOT 模块与物联网云平台交互完成数据上传及指令接收控制；驱动电机模块负责控制用户流量调节阀阀体动作，通过电机驱动电路与微控制器STM32 连接；根据微控制器STM32 接收的控制指令进行处理并发送控制信号至驱动电机模块；最终实现用户流量的调节。主控制器作为系统运行的核心控制部分，根据供热的实际需求以及对低功耗的要求，该文选择STM32 作为主控制器芯片。以提供动态电压调节、超低功耗时钟振荡器和超低功耗下的通信外设接口，动态运行模式下电流消耗低至87 μA/MHz；在停止模式下，唤醒时间可低至3.5 μs。

2.2 采集模块硬件设计

在数据采集模块设计中，STM32 微控制器的串口与传感器通信接口相连接，采集传感器所测数据信息。数据采集模块主要包括温湿度传感器、管道内温度传感器及流量调节阀。温湿度传感器主要采集用户室内温湿度数据，管道内温度传感器采集用户热源管道内的热源温度。根据系统的设计需求，管道采集温度选择了PT100 防水温度传感器，输出信号为模拟信号，工作温度为-50～500 ℃。温湿度传感器选用了TE Connectivity 生产的HPP845E031R4，是专用的湿度和温度即插即用传感器，嵌入在可回流焊接的双扁平无引线封装中；其工作电压为1.5～3.6 V，工作温度在-40～125 ℃，数字输出模块可实现与微控制器接口直接连接[11]。

根据用户流量调节阀阀体结构和需求，选用了RF310-17192-5.0V 带开关的减速电机，其性能参数如表1 所示。通过电机驱动电路实现微控制器STM32 控制RF310 减速电机的启动与停止，电机驱动模块直接与微控制器STM32 连接。供热企业可根据供热系统实时监测状态信息，在控制终端上发送控制指令；通过云平台与NB_IOT 模块交互，将控制指令传输至微控制器STM32；最终通过微控制器STM32 串口发送控制信号至电机驱动模块。

表1 RF310减速电机性能参数表

2.3 NB_IOT模块硬件设计

该设计中NB_IOT 通信模块选用了移远通信生产的BC25，BC25 是一款高性能、多频段、低功耗、支持OpenCPU 的无线通信模块；可节约MCU，采用LCC贴片封装，支持2.1～3.6 V 低电压供电；支持多频段及丰富外部接口，支持海量的连接数量；内嵌网络协议栈。在低功耗模式下电流功耗可低至3.8 μA，只消耗低至180 kHZ的带宽[7-8]。根据系统的设计需求，NB_IOT 模块硬件电路设计主要包括电源电路、串口通信电路、USIM 卡座电路等，BC25硬件电路如图5所示。由于NB_IOT 通信输出引脚的输出电压为1.8 V，微控制器STM32 串口输入引脚默认为3.3 V，需设计通信转换电路，其转换电路设计如图6 所示。

图5 BC25硬件电路

图6 转换电路

3 系统软件设计

3.1 主控制器软件设计

在系统运行后，初始化微控制器STM32、各类传感器及NB_IOT 模组，数据采集终端通过NB_IOT 模组尝试网络连接，判断网络连接状态；若连接成功，根据系统开发需求设置数据采集周期及频率；微控制器STM32 根据用户设置采集周期和频率，对各节点传感器的数据进行采集；NB_IOT 模块将采集的数据上传至云平台，通过云平台返回的标志位判断是否上传成功；若为真，表示完成采集数据的上传。同时，微控制器STM32 通过判断是否存在控制指令下发；若用户控制终端存在下发控制指令，微控制器STM32 控制驱动电机作相应动作。主控制程序流程图如图7 所示。

图7 主控制程序流程图

3.2 网络通信软件设计

云平台将用户端的传感器、网络、用户联系起来，用户可以根据需求简便及灵活地搭建远程监测系统，实现采集终端与用户建立连接[9-11]。该系统设计采用阿里云服务平台，云平台的搭建主要包括创建产品及设备，同时生成设备序列号，用于网络通信时设备的一一对应，保证数据的安全传输。

NB_IOT 模块与云平台采用MQTT 通信协议进行网络连接，MQTT 协议底层采用TCP 网络通信协议，可保证数据上传的安全性和可靠性。采用MCU发送AT 命令语言进行网络连接，连接流程图如图8所示。在进行连接前需完成设备属性与序列号的匹配，每个设备对应一个序列号；在数据上传和指令下发时对应具体的设备信息。通过命令语言可查询连接状态、附着网络、网络信号等功能。

图8 网络连接流程图

云平台与应用服务器通过不同的网络通信协议完成连接。云平台通过服务器端的订阅请求，将设备产生的数据通过HTTP/2 通道推送到用户服务器。HTTP/2 具有方便、快捷、低延时的优势。用户服务器通过数据发布下发数据并由HTTPS 通道推送至云平台，云平台通过MQTT 通道推送至采集终端。

3.3 用户服务器软件设计

用户服务器软件是将终端数据最直观地展示给用户的人机交互软件。该文设计采用阿里云平台提供的人机交互平台，用户可根据需求自动搭建人机交互页面[12-16]。人机界面如图9 所示，分为设备上线连接、数据上报、异常告警以及主题订阅窗口。根据设备序列号查看每个用户的供热实时状态，每个窗口通过订阅云平台的订阅主题实现数据接收，通过推送主题发布数据至云平台。

图9 系统测试图

4 系统测试

系统测试主要包括采集数据信息的上报和下发控制指令对流量的调节两部分。移动端与云平台匹配身份三元组信息进行网络连接；发送连接请求后，根据云平台返回标志判断是否连接成功；点击设备数据上报，用户可查看用户端供热实时状态信息，如图9 所示。该系统可以实时监测供热状态信息。当供热出现异常时，可查询历史报警时间、报警内容等信息，为查明故障原因提供帮助。企业工作人员可在PC 端上登录云平台，下发控制指令；主控制器接收到下发的指令时进行控制指令处理分析，发送控制信号至驱动电机模块或上传相应状态信息，以调节用户流量[17-20]。

5 结论

该文对整个系统的硬件电路设计与软件程序设计流程进行了介绍，并进行了基本功能的测试。该系统是基于NB_IOT 的供热远程监测系统，可实时采集供热系统的供热状态，上传数据至服务器终端进行显示；控制终端下发控制指令，调节供热系统的用户流量，实现了供热系统数据的远程监测及供热系统的用户流量远程调节；可远程保障供热系统的正常运行，同时也为故障排查提供数据支持。该系统具有成本低、功耗低、可扩展性高等优势，可为开发基于NB_IOT 的远程监测系统提供参考。