徐 濤，高子鑒

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng) 110136）

0 引言

目前我國(guó)北方主要的供熱方式是集中供熱。集中供熱的本質(zhì)是在居民居住較為密集的區(qū)域或者工業(yè)生產(chǎn)聚集區(qū)內(nèi)進(jìn)行集中熱源建設(shè)，各集中供熱熱源向各自分擔(dān)區(qū)域內(nèi)的居民或者企業(yè)提供生活用熱或生產(chǎn)用熱[1]。相較于造成大量二氧化硫與顆粒物污染的散煤取暖方式，目前北方城市的集中供熱熱源多數(shù)采用熱電聯(lián)產(chǎn)、燃?xì)忮仩t、區(qū)域燃煤鍋爐等。集中供熱技術(shù)提高了燃料的利用效率，使得我國(guó)供熱季北方城市的大氣環(huán)境污染問(wèn)題得到了一定程度的控制。且集中供熱技術(shù)設(shè)備自動(dòng)化程度高、故障率低、供熱站占地面積小，并不占用太多公共資源。供熱公司通過(guò)集中供熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分戶計(jì)量，解決了收費(fèi)管理困難的問(wèn)題，一定程度上提升了居民采暖的舒適度[2]。我國(guó)北方人口密度較高，進(jìn)入冬季后城市居民以及工業(yè)園區(qū)用熱面積較大，集中供熱符合我國(guó)北方冬季的采暖需求。20世紀(jì)70年代末我國(guó)就開展了對(duì)集中供熱模式的技術(shù)研究與發(fā)展[3]，伴隨著集中供熱的技術(shù)發(fā)展，一系列問(wèn)題也隨之而來(lái)。最嚴(yán)峻的問(wèn)題是由于閥門老化、管道距離長(zhǎng)且年久失修，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)跑冒滴漏等情況，造成了大量的資源浪費(fèi)和供熱不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題；集中供熱系統(tǒng)宏觀調(diào)控容易而微觀調(diào)控困難。

集中供熱遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)部分是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)這一概念自20世紀(jì)90年代末提出來(lái)距今已有20多年，但是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)真正迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用于實(shí)際是在近10年[4]。美國(guó)在2009年提出了智慧地球戰(zhàn)略，在實(shí)用性領(lǐng)域進(jìn)行了大量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用嘗試，例如供電電網(wǎng)、醫(yī)療衛(wèi)生以及教育管理系統(tǒng)等。歐盟各國(guó)在步入20世紀(jì)后才開始對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，起步與我國(guó)相差無(wú)幾，但歐盟是首個(gè)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展提出有建設(shè)性計(jì)劃的國(guó)際組織。歐盟各國(guó)為確保其在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)中的絕對(duì)領(lǐng)先地位，于2009年年中提出了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃》（Internet of Things-An action plan for Eu?rope），并提交至歐盟理事會(huì)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了初步規(guī)范，制定了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略[5-7]。

集中供熱最大的問(wèn)題在于微觀調(diào)控能力較弱導(dǎo)致用戶體驗(yàn)感較差，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)恰好彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷[8]。在窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)之前，大多數(shù)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)通過(guò)本地通信的方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制，傳統(tǒng)方式通信距離較短，無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化、去人工化。而通過(guò)新興的NB-IoT技術(shù)，再結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的云計(jì)算能力可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。NB-IoT技術(shù)相較于傳統(tǒng)的通信方式而言功耗更低、通信范圍更大、覆蓋面積更大[9]。因此，本文對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和NB-IoT的集中供熱遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行研究和開發(fā)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析

在我國(guó)北方采暖季，采暖用戶缺少手段來(lái)判斷供熱公司的供熱水平是否達(dá)。為滿足用戶掌握實(shí)時(shí)進(jìn)水溫度的要求，系統(tǒng)提供手段讓用戶能實(shí)時(shí)掌握進(jìn)水溫度。因此，硬件終端的溫度傳感器需要按一定頻率檢測(cè)進(jìn)水溫度數(shù)據(jù)，并且系統(tǒng)按時(shí)上傳進(jìn)水溫度數(shù)據(jù)和單元閥門開度數(shù)據(jù)至云平臺(tái)。云平臺(tái)更新獲取的數(shù)據(jù)并顯示，讓用戶有手段查詢實(shí)時(shí)進(jìn)水溫度和單元閥門開度數(shù)據(jù)，用戶還可查詢進(jìn)水溫度和單元閥門歷史開度情況，從而判斷供熱公司的供熱情況是否符合最低標(biāo)準(zhǔn)。采暖用戶可以通過(guò)智能手機(jī)終端或PC網(wǎng)頁(yè)端登錄天翼云平臺(tái)查詢歷史溫度數(shù)據(jù)，判斷供熱公司是否按照要求供熱。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足用戶需求，用戶從系統(tǒng)中獲得的進(jìn)水溫度數(shù)據(jù)和閥門開度具有客觀性時(shí)效性和準(zhǔn)確性，有數(shù)據(jù)作為強(qiáng)有力的依據(jù)，也能有效地避免用戶與供熱公司因?yàn)楣釂?wèn)題產(chǎn)生矛盾，并且提高用戶采暖的舒適度。

為了使用戶獲得更好的采暖體驗(yàn)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)。

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)：系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)，用戶可以通過(guò)PC端和手機(jī)端登錄控制臺(tái)面端對(duì)溫度數(shù)據(jù)和閥門開度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。

（2）設(shè)備控制：用戶可以通過(guò)PC端或手機(jī)端登錄云平臺(tái)對(duì)供熱閥門控制終端下達(dá)指令，通過(guò)對(duì)單元閥門開度的控制，完成室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

（3）異常報(bào)警：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到進(jìn)水溫度數(shù)據(jù)不處于設(shè)定閾值內(nèi)時(shí)，硬件終端部分將啟動(dòng)報(bào)警程序，將報(bào)警信息發(fā)送至云平臺(tái)。

1.2 基于“云-管-端”模式的總體方案設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展至今已有20余年的歷史，各國(guó)對(duì)信息科技產(chǎn)業(yè)第三次革命加速了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展[10]。嵌入式技術(shù)的蓬勃發(fā)展也在一定程度上提升了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的最底端，傳感技術(shù)的發(fā)展同樣對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展起到了積極作用[11]。目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各大新潮領(lǐng)域，例如通信技術(shù)領(lǐng)域、傳感器技術(shù)領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域等等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)符合大眾的需求，能切實(shí)地解決人們的實(shí)際生活問(wèn)題?！霸啤奔丛破脚_(tái)，云平臺(tái)的核心是云計(jì)算。云平臺(tái)可以管理數(shù)據(jù)中心的各類資源如“計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、鏡像、數(shù)據(jù)庫(kù)等”。管理員或租戶可以通過(guò)云平臺(tái)來(lái)完成業(yè)務(wù)的下發(fā)。云平臺(tái)是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)框架的核心。云平臺(tái)可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同劃分為公有云和私有云。多數(shù)企業(yè)在處理企業(yè)內(nèi)部私密數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)自主搭建云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，這種云被稱為私有云。例如阿里云，天翼云這種完全公開的互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)中心，被稱為公有云。

“管”作為云平臺(tái)和終端通信的渠道，為終端向上發(fā)送的數(shù)據(jù)提供了載體，并實(shí)現(xiàn)了信息的傳輸“管”的實(shí)質(zhì)是各種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，目前我國(guó)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展較為完備，已經(jīng)逐漸開始向智能化方向發(fā)展。

“端”指的是各種終端設(shè)備，包括監(jiān)控終端和應(yīng)用終端等。目前監(jiān)控終端包括掃碼器、電表、攝像頭等等。目前最常見(jiàn)的應(yīng)用終端是智能手機(jī)。目前終端設(shè)備終端也日趨智能化也趨于融合化。市場(chǎng)上的大多數(shù)終端設(shè)備能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)、指令執(zhí)行、與云平臺(tái)交互等功能。例如近些年興起的運(yùn)動(dòng)手環(huán)，可以在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的同時(shí)，通過(guò)硬件終端采集用戶各項(xiàng)身體指標(biāo)并上傳至云網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

本系統(tǒng)以“云-管-端”為設(shè)計(jì)框架，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 基于“云-管-端”的系統(tǒng)總體方案

2 供熱閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

供熱閥門遠(yuǎn)程硬件終端部分由溫度傳感器，單元閥門控制舵機(jī)，NB-IoT通信模塊等部分組成，硬件終端通過(guò)NB-IoT通信協(xié)議與運(yùn)營(yíng)基站進(jìn)行通信，與云平臺(tái)對(duì)接。本設(shè)計(jì)選用中國(guó)電信天翼云平臺(tái)，通過(guò)對(duì)應(yīng)終端設(shè)備的唯一IMEI碼完成接入，通過(guò)設(shè)備創(chuàng)建、消息訂閱，完成云平臺(tái)與終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸功能。系統(tǒng)硬件原理如圖2所示。

圖2 供熱閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件原理框圖

2.2 主控模塊

本設(shè)計(jì)主控模塊選用的單片機(jī)型號(hào)為STC8A8K64S4 A12。STC8A8K64S4A12型號(hào)單片機(jī)出廠時(shí)默認(rèn)P5.4為復(fù)位管腳，本系統(tǒng)采用軟件復(fù)位，故而不設(shè)計(jì)復(fù)位電路，且該單片機(jī)設(shè)有內(nèi)部時(shí)鐘，不需要外加晶振。STC8A8K6 4S4A12最小系統(tǒng)電路如圖3所示。用3.3 V電壓為單片機(jī)供電并為AVREF引腳提供基準(zhǔn)電壓，C2、C3電容起到濾波作用用來(lái)去除信號(hào)干擾。

圖3 主控模塊電路

2.3 NB-IoT通訊模塊

本設(shè)計(jì)選用BC26模塊作為NB-IoT通信模塊。其電路原理圖如圖4所示。其性能優(yōu)越性主要體現(xiàn)在低功耗和多頻段上[12]。在靠近模塊VBAT輸入端，并聯(lián)一個(gè)等效電阻低的100μF的鉭電容，以及100 nF、1μF的濾波電容保證模塊工作穩(wěn)定性。BC26串口模塊工作電壓為1.8 V。本設(shè)計(jì)中BC26通信模塊供電電壓為3.3 V，需要設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路。3.3 V供電電壓經(jīng)過(guò)三極管SQ9014降壓至1.8 V實(shí)現(xiàn)MCU與BC26串口端的供電與連接。BC26模塊啟動(dòng)前，可以將PWRKEY引腳電平拉低使BC26模塊啟動(dòng)。本系統(tǒng)中和BC26模塊需要長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)，PWRKEY引腳串聯(lián)1 kΩ電阻連接DGND實(shí)現(xiàn)PWRKEY引腳電位長(zhǎng)時(shí)間拉低。BC26模塊包含一個(gè)SIM接口，支持BC26模塊與外部SIM卡數(shù)據(jù)互通。外部SIM卡通過(guò)模塊內(nèi)部的電源供電，支持1.8 V或者3.3 V供電。

圖4 NB-IoT模塊電路

2.4 溫度傳感器PT1000調(diào)理電路

鉑電阻在潮濕環(huán)境也不易被腐蝕氧化，具有良好的重復(fù)性以及溫度變化敏感性?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)本系統(tǒng)選擇PT1000作為溫度傳感器。其調(diào)理電路如圖5所示。本設(shè)計(jì)選擇的主控模塊自帶A/D轉(zhuǎn)換功能。利用3個(gè)電阻與PT1000構(gòu)成一個(gè)橋路，使用運(yùn)算放大器的同相放大器功能對(duì)橋路產(chǎn)生的差分電壓進(jìn)行放大。放大后的電壓送到單片機(jī)進(jìn)行AD采集就能完成對(duì)溫度信號(hào)的采集。此電路以依靠簡(jiǎn)單的運(yùn)放和幾個(gè)電阻就來(lái)可以實(shí)現(xiàn)輸出為0~5 V滿量程，最大限度下滿足精度要求。

圖5 PT1000溫度傳感器調(diào)理電路

2.5 單元閥門舵機(jī)KSMA-03X調(diào)理電路

本設(shè)計(jì)選用KSMA-03X這款舵機(jī)。本舵機(jī)額定電壓為12~24 V，最大電流值不大于10 A，可以采用12 V/5 A來(lái)供電。完全可以滿足設(shè)計(jì)需求。根據(jù)運(yùn)放器件的“虛斷”的概念，5腳的輸入電壓完全等于角度電位器的輸出電壓。根據(jù)運(yùn)放器件的“虛短”的概念，5腳和6腳的電壓相同，6腳和7腳相連，所以說(shuō)7腳的電壓等于角度電位器的輸出電壓。在用兩個(gè)電阻分壓將輸出電壓分成不超過(guò)單片機(jī)的輸入電壓。PWM腳用來(lái)控制舵機(jī)角度，C19的作用是對(duì)7腳輸出電壓信號(hào)進(jìn)行濾波。單元閥門舵機(jī)調(diào)理電路如圖6所示。

圖6 KSMA-03X單元閥門舵機(jī)調(diào)理電路

3 供熱閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要用于對(duì)主控模塊外圍設(shè)備的控制。軟件性能的優(yōu)劣，會(huì)直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的工作效率。根據(jù)1.1節(jié)分析得到的系統(tǒng)需求，本設(shè)計(jì)以Keil5為開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了供熱閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)進(jìn)水溫度的數(shù)據(jù)采集、進(jìn)水溫度異常報(bào)警、閥門開度數(shù)據(jù)采集、云平臺(tái)通信、閥門開度遠(yuǎn)程控制等功能。本控制系統(tǒng)中的軟件部分主要包括以下幾部分，分別是系統(tǒng)初始化、BC26模塊通信、閾值報(bào)警、傳感器數(shù)據(jù)采集與處理等部分。系統(tǒng)硬件終端通電后主程序開始運(yùn)行，在主程序中完成串口初始化、BC26通信模塊初始化、EE?PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊初始化、IIC初始化等任務(wù)。溫度傳感器PT1000對(duì)進(jìn)水溫度信息進(jìn)行采集，信息存入片外EEPROM并根據(jù)設(shè)定時(shí)間間隔上報(bào)進(jìn)水溫度數(shù)據(jù)。閥門控制舵機(jī)模塊通過(guò)外加調(diào)理電路采集單元閥門開度信息，存入外接EE?PROM，定時(shí)上傳至云平臺(tái)。用戶可通過(guò)云平臺(tái)對(duì)遠(yuǎn)程供熱閥門控制硬件終端進(jìn)行指令下發(fā)，完成遠(yuǎn)程控制。供熱閥門遠(yuǎn)程控制硬件終端的軟件部分主程序流程如圖7所示。根據(jù)供熱閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的需求，其中NB-IoT通信模塊相關(guān)任務(wù)包括BC26模塊初始化、BC26天翼云平臺(tái)對(duì)接、數(shù)據(jù)收發(fā)和指令接收等任務(wù)。數(shù)據(jù)采集相關(guān)任務(wù)共有兩項(xiàng)分別是閥門進(jìn)水溫度采集任務(wù)、單元閥門開度采集任務(wù)。設(shè)備控制任務(wù)為單元閥門控制任務(wù)。

圖7 供熱閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 用戶登錄

用戶通過(guò)PC端或移動(dòng)手機(jī)終端打開中國(guó)電信天翼物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)官網(wǎng)在右上角點(diǎn)擊“登錄”，正確輸入用戶賬號(hào)密碼后進(jìn)入操作臺(tái)。登錄界面如圖8所示。

圖8 登陸界面

4.2 數(shù)據(jù)查看

用戶通過(guò)云平臺(tái)可以查看遠(yuǎn)程閥門控制系統(tǒng)終端的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，便于用戶實(shí)時(shí)了解進(jìn)水溫度情況，單元閥門開度情況。如圖9所示為歷史數(shù)據(jù)查看界面。用戶在PC端或移動(dòng)手機(jī)端成功登錄云平臺(tái)后，點(diǎn)擊控制臺(tái)后進(jìn)入產(chǎn)品界面選擇數(shù)據(jù)查看?？芍苯硬榭磳?shí)時(shí)的和歷史的進(jìn)水溫度和閥門開度。其中TMP為溫度，SDA為單元閥門開度。此時(shí)進(jìn)水溫度為27.4℃，單元閥門開度為0.3°。

圖9 數(shù)據(jù)查看界面

4.3 閥門控制

用戶可以利用云平臺(tái)下發(fā)指令對(duì)單元閥門開度進(jìn)行控制，以便于用戶獲得更好的采暖體驗(yàn)。具體操作如下用戶進(jìn)入工作臺(tái)后選擇設(shè)備，點(diǎn)擊右側(cè)指令下發(fā)，服務(wù)標(biāo)識(shí)選擇REQ，單元閥門開度控制指令為SET_SD。如圖10所示輸入SET_SD89.2，可將單元閥門開度調(diào)整為89.2°。

圖10 指令下發(fā)界面

4.4 異常報(bào)警

當(dāng)單元閥門水溫情況異常時(shí)，硬件終端會(huì)向云平臺(tái)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，用戶可以通過(guò)數(shù)據(jù)查看接收到報(bào)警信號(hào)。當(dāng)實(shí)時(shí)進(jìn)水溫度超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)候。硬件終端向云平臺(tái)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。如圖11所示，當(dāng)閥門水溫超過(guò)預(yù)設(shè)的溫度閾值時(shí)，云平臺(tái)接收到了硬件終端發(fā)送來(lái)的報(bào)警信號(hào)并推送。用戶通過(guò)信息查看可看到此報(bào)警信息。用戶此時(shí)可以選擇對(duì)閥門開度進(jìn)行調(diào)整。

圖11 云平臺(tái)接到報(bào)警信息

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種集中供熱閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，主要應(yīng)用在我國(guó)北方城市。我國(guó)北方城市進(jìn)入供熱季后，用戶普遍會(huì)反映采暖體驗(yàn)不舒適。供熱公司只能盲目地加大供暖力度來(lái)解決此問(wèn)題。但此舉反而導(dǎo)致了供熱不均、資源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問(wèn)題。在我國(guó)北方城市供熱季節(jié)時(shí)，本設(shè)計(jì)在一定程度上可以解決上述問(wèn)題。用戶自主調(diào)節(jié)閥門開度，能獲得更好的采暖體驗(yàn)，也避免了資源分配的不均，從而緩解了環(huán)境污染問(wèn)題。目前我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)進(jìn)入了生活的各個(gè)角落。常見(jiàn)的有共享單車、智能家居、智能物流等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)不僅給普羅大眾的生活帶來(lái)了便利，也帶動(dòng)了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。NB-IoT技術(shù)目前已經(jīng)逐漸趨于成熟化規(guī)范化，相信未來(lái)功能會(huì)更加強(qiáng)大。基于NB-IoT技術(shù)的集中供熱閥門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)貼近民眾實(shí)際生活，能幫助居民解決采暖問(wèn)題，未來(lái)發(fā)展前景不可限量。