基于NB-IoT的供热温度监测系统设计.pdf

2023年/第11期 物联网技术全面感知 Comprehensive Perception50 引 言随着我国城市建设的快速发展，集中供热的规模更加庞大，是我国冬季主要的供暖形式之一。由于供热系统具有大惯性和大滞后等特点1，供热不均和水力失衡等问题时常出现2。为解决此类问题，热力公司需要对室内供暖的实际温度进行获取，以此指导热网的自动化调度工作，调整供热策略，从而达到按需供热的重要目标3。无线通信技术因具有成本低、灵活性高、适应性强和便于维护等优势，在各行业及温度监测领域得到广泛的应 用4-5。文献 6 利用 ZigBee 技术进行温度传感器组网，对室内多个点位的温度进行监测。但 ZigBee 技术仅适用于短距离、小范围内的设备组网，信号穿墙能力弱，不适用于长距离通信。文献 7 采用近年来推出的远距离无线电（Long Range Radio,LoRa）技术设计了一种环境温湿度监测节点，可以实时监测车间内的温湿度变化，对异常情况进行报警提醒。但 LoRa 网络在实际使用时，除了在现场终端设备中安装 LoRa 射频模块外，还需根据终端设备的数量，部署相应的汇聚网关，部署难度大，成本较高8。文献 9 运用通用无线分组业务（General Packet Radio Service,GPRS）技术对集中供热用户住房内的温度进行监测。但 GPRS 设备工作电流较大，整体功耗高10，不适合用于长期由电池供电的工作场景。窄带物联网（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）作为近些年发展较快的物联网无线通信技术，使用授权频段，具有低功耗、低速率和强连接等特点，与非实时、低频次的定时上报数据类业务较契合11-12。因此，本文设计一种基于 NB-IoT 技术，采用 UDP 的远程供热温度监测系统，温度终端可用电池供电，按照设置的时间周期定时采集环境和设备的有关信息，并上传至云服务器；热力公司可通过电脑端浏览器打开 Web 页面查阅当前和历史数据，也可通过手机 APP 查看当前供热情况。系统对于协助热力公司掌握供热状况、提高供热质量具有实际意义。1 系统总体设计基于 NB-IoT 的供热温度监测系统总体结构如图 1 所示。由温度终端、移动通信网络、百度云服务器和客户端等四部分组成。温度终端作为现场设备，采集和处理室内的环境温湿度数据和设备相关信息，并通过 NB-IoT 网络上传至移动通信基站；移动通信基站通过 UDP 协议与云服务器交换数据，云服务器对数据进行解析、存储；手机 APP 和电脑Web 浏览器可通过 HTTP 协议访问云服务器查看最新数据。图 1 供热温度监测系统组成NB-IoT 支持 TCP、UDP、HTTP、消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport,MQTT）、受限应用协议（Constrained Application Protocol,CoAP）等众多协议。其中，基于 NB-IoT 的供热温度监测系统设计薛 峰1，李 娟1，王如龙2（1.北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192；2.中热智能（北京）工程技术有限公司，北京 100085）摘 要：针对供暖季热力公司获取热用户室内温度困难的问题，设计实现了一种基于窄带物联网（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）的温度监测系统。温度终端以 ARM 内核的 STM32L071CBT6 为主控微处理器，应用中国移动 M5310-A 无线通信模组，通过用户数据报协议（User Datagram Protocol,UDP）将数据上传至百度云服务器；开发了安卓手机 APP 和电脑端 Web 服务程序作为客户端数据查询软件。实验证明，系统能够实现按设定的测温周期对室内温湿度、设备温度、设备电量、通信信号强度等数据进行远程获取传输，有助于热力公司提高供热质量。关键词：集中供热；室温监测；NB-IoT；云服务器；Web 服务程序；手机 APP中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）11-0005-03DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.11.001收稿日期：2022-11-17 修回日期：2022-12-15基金项目：国家自然科学基金项目（51477010）；教育部高等教育司产学合作协同育人项目（201901009003）物联网技术 2023年/第11期 全面感知 Comprehensive Perception6UDP 协议的报文结构简单，且无需保持长连接，对流量和电量消耗少，适用于低功耗的应用场景。2 系统硬件设计供热温度监测系统终端的硬件总体结构如图 2 所示，主要由锂电池、低压差线性稳压器、主控单元、NB-IoT通信模组、温湿度传感器和电池电量检测电路等部分组成。图 2 温度终端硬件总体结构低 压 差 线 性 稳 压 器 ME6211C33M5G-N 将 电 池 电源稳压后给各部分供电；主控单元包括主控微处理器（Micro Control Unit,MCU）及其外围电路，MCU 型号为STM32L071CBT6，待机模式的消耗电流为 0.85 A，外围电路包括串行接口电路、供电插口、晶振、滤波电容、复位按钮等；NB-IoT 通信模组包括模组本体及其外围电路，模组本体选用中国移动 M5310-A，外围电路包括串行接口电路、SIM 卡、天线和复位按钮。M5310-A 支持 UDP 协议及其他多种通信协议，在节能模式（Power Saving Mode,PSM）状态下的运行电流低至 5 A；温湿度传感器型号为奥松AHT25，采用 I2C 协议进行通信，体积小，精度良好，使用 1.27 mm 间距的插销式接口与 MCU 连接。根据电池电量和电压的曲线关系13，设计了电池电量检测电路。利用电阻分压和 ADC 采样功能，估算锂电池的剩余电量。电池电量检测电路原理如图 3 所示。VCC 为电池的供电引脚，BAT_ADC 为 ADC 采样引脚，SWITCH 引脚用来控制 PMOS 管 Q2 的通断，防止分压电阻在设备休眠期间对地产生电流，浪费电能。图 3 电池电量检测电路3 系统软件设计系统软件设计包括温度终端嵌入式程序、监测系统服务程序和安卓 APP 三部分。嵌入式程序开发工具为 MDK5 和STM32CubeMX，STM32CubeMX可对MCU进行初始化配置，提高开发效率；监测系统服务程序和安卓 APP 的开发工具分别为 IntelliJ IDEA 2021.2.2 和 Android Studio 2021.3.1。3.1 嵌入式程序设计嵌入式程序主要包括终端初始化、数据收集及处理、通信配置、数据发送、休眠与唤醒。程序流程如图 4 所示。图 4 嵌入式程序流程终端上电启动，MCU 完成时钟、USART、GPIO、I2C、ADC 转换等初始化任务，同时 M5310-A 完成驻网工作等初始化任务；初始化成功后，分别通过 AHT25、电池电量检测电路、AT 命令收集需要发送的各类数据，如环境温湿度、设备温度、信号值等，并将数据处理成字符串形式以备数据发送任务；进行通信配置任务，指定服务器地址和端口，发送 UDP 数据。发送完毕，M5310-A 进入 PSM 模式，MCU启动 RTC，定时 5 min，进入待机模式。此时的测温周期为5 min，即 MCU 的待机时间。MCU 待机时间到则被唤醒，随即唤醒 M5310-A 使其退出 PSM 模式，再次进行数据收发任务。M5310-A 使用的 AT 命令见表 1 所列。表 1 AT 命令AT 命令解 释AT+CSQ检查信号强度AT+CEREG?检查 PS 域附着状态AT+NSOCR=DGRAM，17，2334，1创建 UDP 监听端口AT+NSOCFG=0，0，0指定输入格式为字符串AT+NSOST=0，120.48.87.77，9999，xx 为要发送的数据内容AT+NSOCL=0关闭 UDP在数据收集和处理过程中，对于环境温湿度数据，可以重复多次读取传感器的数值并进行均值滤波处理，使数据更加准确。2023年/第11期 物联网技术全面感知 Comprehensive Perception73.2 监测系统服务程序设计监测系统服务程序部署于百度云服务器内，通过 9999端口与 M5310-A 进行通信，M5310-A 通过 UDP 协议向云服务器的 9999 端口发送数据。监测系统服务程序一方面负责接收、解析、存储 M5310-A 发送的数据，并将历史数据以电脑端 Web 页面可视化呈现；另一方面向外提供接口给手机 APP 查询最新数据使用。监测系统服务程序整体使用 Spring Boot 框架进行搭建，数据的存储和查询使用持久层框架 Mybatis，数据库采用 MySQL，针对 Web 页面使用 Thymeleaf 和 Echarts 进行页面可视化效果的渲染和显示；使用 Netty 网络程序应用框架接收并处理 M5310-A 发送的UDP 数据。系统服务程序结构如图 5 所示。图 5 系统服务程序结构3.3 手机 APP 设计手机 APP 采用原生开发方式，基于 Java 语言编写，通过 HTTP 协议与百度云服务器通信，采用 OkHttp 网络请求框架14向云服务器发送 GET 请求，云服务器中的系统服务程序接收到 GET 请求后会回复一组响应数据；APP 使用Gson 库将获取到的 HTTP 响应数据解析为 Java 对象，最终将 Java 对象显示到绑定的界面控件上，完成数据显示任务。手机 APP 设计框图如图 6 所示。图 6 手机 APP 设计框图4 系统测试由于百度云服务器拥有公网 IP 且具有防火墙功能，因此在测试前，需打开相应端口的防火墙权限，放行 Web 和APP 对云服务器的请求。使用IDEA内置的MAVEN工具将服务程序打包成jar包，将 jar 包上传至云服务器并启动，启动服务程序界面如图 7所示。图 7 启动服务程序界面服务程序成功启动后，将终端上电，等待其以 5 min 的时间间隔发送 10 次数据。发送完毕后，使用 Chrome 浏览器访问云服务器的 8080 端口，服务器显示的 Web 界面如图 8 所示。图 8 Web 界面启动手机 APP 查询最近一次设备上报的数据。点击“获取最新数据”按钮，数据界面可显示最新一次上报的时间、环境温湿度、设备温度、设备电量、信号强度和测温周期等数据。数据显示界面如图 9 所示。观察 Web 界面和手机APP 显示，二者的温湿度等数据一致且完整。图 9 APP 数据显示界面5 结 语本文主要开发了一种基于 NB-IoT 的远程供热温度监测系统，该系统运用 UDP 协议进行数据传输，具有运行稳定、数据传输完整和功耗低等特点。热力公司工作人员可使用电脑端 Web 页面和安卓 APP 查看历史和最新数据，实现了物联网技术与集中供热系统的结合，为集中供热系统向智慧化、低碳化转变提供了参考。后续研究将丰富手机 APP 等功能。（下转第12页）物联网技术 2023年/第11期 全面感知 Comprehensive Perception12区域水质监测区域存在移动信号覆盖差和供电设施缺乏等难题，建立基于 LoRaWAN 的 LoRa 水质监测网络；同时，在监测云服务管理平台上部署 LSTM 模型，设计水质监测网络自适应能量系统，水质监测设备监测节点能根据电池历史剩余能量和监测区域未来天气情况动态调整监测频率，实现偏远区域河湖长期、实时、全覆盖水质监测，有效解决传统水质监测模式带来的设备供电难、监测效率低、耗费成本大的问题。图 9 系统整体测试参考文献1 马银鑫，郭来功，朱明智，等.基于微控制器的水质监测系统设计 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