基于NB-loT的智慧供热入户阀设计与实现

摘要：为了实现住宅供热系统的智能化管理和节能降耗，本文设计了一种基于NB-IoT 的智慧供热入户阀。该入户阀能够远程控制阀门的开关和开度，并实时采集供回水温度、流量等数据，上传至云平台进行监测和分析。用户可以通过手机App 实时了解入户阀状态，并进行远程控制。实验结果表明，该系统能够有效提高供热效率，综合节能率约8%，为智慧供热系统的建设提供了一种可行的解决方案。

关键词：智慧供热；入户阀控制；实时监控；节能；NB-lot；远程控制；智能化

中图分类号：TN02；TP391.8 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）06-0114-03开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

0 引言

我国北方冬季大部分供热时间4个月以上，甚至长达半年时间。传统供暖系统的用户阀门平时处于全开状态，能源浪费，用户体验差。随着国家所倡导的绿色能源《“十四五”现代能源体系规划》，各地供暖工作逐渐建成。因此，本文研究设计一种基于NB-loT 的智慧供热入户阀（简称PTV），远程控制阀门的开关和开度，实现供热系统的智能化管理和节能降耗。

1 PTV方案设计

1.1 PTV基本硬件原理方框图

主控制器MCU模块、通讯模块、数据采集模块和阀门控制模块是构成PTV最主要的四大模块。

PTV通过锂电池供电后，单片机（MCU）作为主控制器（CPU），采集供热住户前端管网的供水温度、回水温度、流量，通过NB-IoT远程通讯，由阀门控制管道口径范围DN20的阀门开度和开关，智能进行供暖或者停止供暖，利于提高节能和管理。PTV基本硬件原理方框图如图1。

1.2 主控制器MCU数据选型

PTV设计的关键是主控MCU对供热蒸汽管道、回水管道、供水管道的温度、热量、流量、压力等参数的测试与控制，并将测试数据上传到云平台；热水流量仪等。因此控器选NUVOTON（新唐）的单片机（MCU）NANO110SD2BN，该单片机满足下电源模块、按键、液晶屏、语音、IC卡，电机控制、智能热表等232通讯装置。控制器系统结构如图2所示。

1.3 数据采集模块

设置超声波PT1000温度传感器、压差传感器、涡轮流量计等传感器元件采集供回水、补水、供热蒸汽的温度、压力检测，数据采集模块通过PTV阀门开度来控制压力、热量、流量精确控制，并通过检测电路、A/D转换后数据传送到CPU。

1.3.1 热量精准控制原理

1）温控接口电路。智慧供热入户阀PTV方案设计中需要检测室外温度、供回水温度。所以测温元件采用超声温度传感器PT1000铂热电阻[1]。

2）热量控制电路。选择瑞盟科技MS1022[2-4]低功耗超声波热量表芯片，该芯片外围电路精简，内部不但集成了模拟开关、模拟比较器、施密特触发器等器件，而且增加了第一波检测功能，这样抗干扰能力大大增强。内部比较器的offset可编程范围为± 35 mV，采样精度提高。通过命令码Start_TOF_Restart 可以完成一次超声波时差（供水、回水）的温度测量和时差数据的读取，大数据平台或手机APP远程监控判断超声波换能器[5]异常、入户阀管内有麻丝、砂石、水中有气泡等异常，大大减少软件的操作和电量的消耗。图3 为热量精准控制图。

1.3.2 流量精准控制原理

1）流量接口电路。由一对或多对超声波传感器、单片机控制器、脉冲信号处理电路等组成。超声波流量计与涡轮流量[6]计相同，温度传感器可配置在表壳内，测量介质工作条件和压力传感器。

2）M-bus模块控制流量电路。一路四线M-bus 总线接口，可接流量表。选择瑞盟科技MS726芯片，该芯片3.3V 逻辑电平接口，总线无极性连接，芯片内部集成5.5V 与3.3V 稳压源、复用电流源，具有较大的输出功率，可以远程供电，该芯片支持高达9600波特率的半双工的UART通讯。

MS726芯片采用8pin的SOP8/PP 封装，没有接地引脚，所以在设计电路是散热片背面接地，布线时注意散热片需要阻焊开窗，同时焊线时注意底部GND 不要虚焊，图4为流量精准控制图。

1.4 其他模块

PTV还包含直流马达驱动模块、电源供电模块、触摸按键模块及NB-IoT通讯模块[7]等。模块具体型号、参数和功能如表1所示。

2 实验结果与分析

2.1 实验环境

入户阀安装在住户前端供、回水管道上，测试与验证如图5装置图。智能入户阀与数据平台通过4G，NB网络无线连接。

2.2 测试与验证结果

为了验证PTV 阀门开度，在电池供电后，手机App上设置入户阀设备配置，如图6所示。

供热数据服务中心将管网各监测点信息（供水温度、回水温度，阀门开合度、室内温度、室外温度、功率、流量、NB信号强度等）实时地显示在背投式大屏幕监视屏上如图7，二次平衡网控制软件也提供报警查询等功能。如果换热站中的关注参数报警时，背投式大屏幕投影仪能够产生报警信息，工作员可以及时记录报警产生的所属小区位置、设备型号、原因、时间等相关参数。用户也可通过手机App实时、直观地了解入户阀的当前状态。

试验结果表明，该系统采集回水温度数值的相对误差缩小为1.1%，阀门开度平均相对误差缩小为±5%，100%为全开，0%为关闭，符合设定PTV开关及开度控制，可为智慧供水热提供良好的技术支撑。

3 总结

本设计在顺应阀门大方向的前提下，采用锂电池供电，工作原理简单，用M-bus模块对接热量表获取温度和流量，自带测温；实现NB-loT的智慧供热入户阀开关和开度。适用于集中供热，给用户带来更加灵敏、便捷的节能和管理体验。

针对现有供热系统技术限制，拟提出一种智慧供热入户阀设计方法，使得供热系统降低能源消耗，满足越来越高的节能要求，为后续探索智慧供热对集中供热节能减排[9]奠定基础。