1. 引言
现如今我国北部地区冬季供暖已成为一大民生问题，大多城市采用直接烧煤集中管理的粗放模式 [1] [2]。经常出现某些海拔较高或地域偏远地方供热温度不足；城市人口集中的地区温度过高造成资源浪费的现象 [3] [4]。供暖系统缺乏闭环，供热公司也无法及时得到反馈，存在较多弊端。
社会上已出现的改进方式主要有以下两种。一是利用单片机配合SIM卡模块作为整体供暖阀门的控制端，用户可以通过手机发送短消息的方式来获取家中的环境温度，从而根据当前温度，以短消息的方式控制家中的电子阀门 [5] [6]；二是单纯通过线缆连接上位机与阀门，多数采用CAN总线 [7] [8] [9]。虽然上述两种方法在一定程度上有所改进，但各自仍存在一些问题。如果采用SIM卡通信的方式，那么随着通信次数的提高用户会增加额外的费用 [10]，而要是采用CAN总线或其他线缆的方式，因为各室各户距离不同，房屋结构不同，布线难度不同，会耗费一定的人力物力，一旦某处出现故障也较难排查。
基于此，随着物联网技术迅速发展并成为热门领域，智慧城市智慧生活的理念深入人心，人们越来越关注供暖这一技术的创新与应用 [11] [12] [13] [14]，也就是对现有一户一阀供暖系统引入自动控制策略。即本文提出了一种新型家用供暖测温插座系统，即利用LoRa物联网的家庭供暖控制方案。通过配置相同的地址，信道，中心频率之后建立家用插座与户阀之间的信息连接，建立起二者的实时通讯。实验现象表明，此套控制系统实现了按需调节和使用的目的，提高了工作效率，有利于推动物联网技术在工业领域当中的应用。
2. 系统设计方案
由于挨家挨户屋内都配备有插座，且插座里的电源可以作为供电电源降压使用，不需要额外引入新的电源，方便用户使用，采集的温度也准确，因此选取插座作为测温装置。家庭供暖测温插座系统设计的结构如图1所示。在测温插座系统里SHT30温度传感器用来采集屋内的实时温度。LCD用来显示屋内的实时温度、用户设定温度、用户热力费余额以及当前的LoRa通讯地址。键盘模块用于根据键值来确定所显示的信息。AT24C256模块用于保留上一次写入的数据。LoRa模块用于建立与供暖阀门之间的数据交换。STC8A8K64S4A12作为主控单片机控制整个系统。
Figure 1. Diagram of the temperature measuring socket system structure
图1. 测温插座系统结构框图
3. 硬件设计方案
3.1. 插座电源模块
插座电源降压采用LS03-13B03R3变压器将220 V交流电降为3.3 V。它具有交直流两用，输入电压范围宽，可靠性高，功耗低，安全隔离等优点。输出功率为1.98 W，效率可达67%。插座电源模块的电路设计如图2所示。
Figure 2. Diagram of the socket power module circuit principle
图2. 插座电源模块电路原理图
3.2. SHT30温度传感器模块
插座的模具需要满足国家标准，大小固定，因此需要选用一款体积小巧，测温精度满足要求的温度传感器。本系统选取的是SHT30，该传感器通讯速度快，测温范围能达到−40℃~+125℃，精度为0.2℃。SHT30的电路设计如图3所示。
Figure 3. Diagram of the SHT30 temperature sensor circuit
图3. SHT30温度传感器电路原理图
3.3. LCD液晶显示模块
插座的上端安装了一款ST7539液晶显示屏。它包含192个段和64共用1个图标共用驱动电路，可以在无外部时钟时执行读写命令，以最小化耗电量。同时因其外围组件少，也便于安装在插座模具当中。LCD的电路设计如图4所示。
Figure 4. Diagram of the display module circuit
图4. 显示模块电路原理图
3.4. 键盘模块
键盘模块设置三个功能按键，一个为翻页按键，根据键值确定显示的内容。另外两个为加减功能键用来增加或减少用户设定的温度值与插座对应的LoRa地址。按键电路如图5所示。
Figure 5. Diagram of the display module circuit
图5. 显示模块电路原理图
3.5. EEPROM模块
插座与阀门有众多参数需要保存，选用AT24C256作为系统的存储芯片。EEPROM中保存了一些重要的参数，具有100万次可重复擦写功能。在系统断电时，数据依旧保留。EEPROM中保存的参数包括：
● 系统出厂时的默认值；
● 供热公司利用云平台控制DTU通过485总线下发的写指令；
● 插座LoRa与阀门LoRa通讯当中的重要参数。
AT24C256电路如图6所示。
Figure 6. Diagram of the AT24C256 storage circuit
图6. AT24C256存储电路原理图
3.6. LoRa通讯模块
插座与阀门之间的通讯采用无线通讯，因考虑到用户各个屋内的结构不同，距离不同，亟需选取一款传播距离远，通信速度快，功耗低且穿透力强的物联网模块。LoRa专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计。其接收电流仅10 mA，睡眠电流200 nA，这大大延迟了电池的使用寿命。不仅如此，目前LoRa可以免费使用，大大降低生产成本。LoRa模块如图7所示。
Figure 7. Diagram of the LoRa module circuit
图7. LoRa模块电路原理图
3.7. 主控模块
主控芯片选择STC8A8K64D4。它具备超快速8051内核，ADC支持12位精度16通道的模数转换，抗干扰，低功耗等优点。满足项目中多ADC采集以及节能的要求。主控模块电路图如图8所示。
Figure 8. Diagram of the main control unit circuit
图8. 主控单元电路原理图
4. 软件设计方案
4.1. 系统总体设计
Figure 9. Diagram of the system master program
图9. 系统主程序流程图
根据期望实现的功能需求家庭供暖测温系统包括：主程序初始化、键盘设置程序、显示程序、通信程序、存储程序、定时中断程序等。系统流程为：首先初始化配置参数，将插座温度设定值、温度设定上限、温度设定下限、温度修正值、插座与阀门的LoRa地址、以及上传时间间隔参数写到存储芯片当中；然后根据程序里配置好的通讯指标建立起插座与阀门之间的通信；当达到默认上传时间间隔或是达到供热公司下发的新的上传时间后，插座将数据通过规定好的通讯协议里的格式发送至阀门处，完成一次信息传递，并等待下一次数据传递的到来。系统主程序流程图如图9所示。
4.2. 插座与阀门通讯协议
插座与阀门同时选用STC8A8K64D4作为主控单片机，事先将双方的通讯地址、信道、中心频率设置成相同，用户可以通过插座上的功能按键查看当前插座的LoRa地址，供暖阀门处的LoRa地址可由供热公司通过下发指令进行更改。
测温插座与供暖阀门之间所需要通讯的内容有：双方通讯的LoRa地址、插座温度设定的上下限、插座温度的修正值、热力费用余额值、数据上传的时间间隔、屋内温度的实时值以及用户期望的温度设定值。具体内容为：
● 上电后，插座向LoRa模块发送通讯数据定义的内容，间隔10秒一次，直到收到对应阀门的回复数据为止；
● 上电后，阀门LoRa模块进入接收状态；如果收到对应插座发出的数据，将变为发送状态并将新的数据回复给对应插座；
● 插座收到对应阀门回复的数据后，按照新的上传间隔上传数据并接受阀门的回复数据，其他时间进入睡眠，减少功耗；
● 阀门收到DTU的配置数据后，不会主动向插座发送数据；当插座向阀门发送配置数据时，阀门才会将新的配置数据发送给插座。
LoRa通讯流程图如图10所示。
基于上述通讯内容，设计一款通讯协议，如表1所示。数据说明为插座所需要传送的内容，其中插座温度设定与反馈两项为既可读也可写的数据，其余为只读数据。类型说明里的默认值为首次开机从EEPROM当中读取的值。
通讯数据格式：具体格式：LORA 00 1C 00 01 8D 3F 3C 81 2B 28 37 59 F9 7A 08 02 8D 3F 3C 81 2B 28 37 59 F9 7A 8D 3F 3C 81 93 55。
各数据具体含义为：
LORA 数据报头标识；00 1C数据长度(字节)；00 01 LoRa地址数据；
8D 3F 3C 81插座温度设定上限；2B 28 37 59插座温度设定下限；F9 7A 08 02插座温度设定；
8D 3F 3C 81插座温度修正；2B 28 37 59热力费余额；F9 7A上传时间间隔；
8D 3F 3C 81插座温度反馈；93 55 CRC校验。
Table 1. Socket and valve communication protocol
表1. 插座与阀门通讯协议
5. 实验测试
5.1. 系统总体设计
将电源板和主控板连接嵌入插座中，具体内部结构图如图11所示。
Figure 11. Diagram of the interior structure of socket
图11. 插座内部结构图
通过功能按键可以实现显示如下四个界面，分别是当前屋内实时温度值，用户设定的温度值，用户累计使用的费用值以及当前通讯的LoRa的地址。插座按键显示如图12所示。
Figure 12. Diagram of external objects of the socket device
图12. 插座装置外部实物图
5.2. 方法对比
目前传统的家用插座不具备测温与显示功能，用户体验感较差，因此研究者们提出了许多解决方案。如文献 [10] 提出的利用NB的物联网模块，通过SIM卡与云平台进行通信，其优势在于可以通过云端直接和云平台进行信息交互。但其弊端在于每一户都配备一个SIM通讯卡，需要定期缴纳SIM卡费用，对于一个单元几十甚至上百的住户来说，其缴费的成本不可忽略。文献 [15] 提出的利用蓝牙或Zigbee等无线通讯模块建立通讯。其优势在于操作简单，但是因为家庭墙壁，距离等因素会对信号质量造成一定的干扰，通信质量较低，同时其功耗也较高。基于此，本文研究的LoRa测温插座装置通过实验测试证明并解决了上述存在的问题，LoRa扩频技术打破了传输功耗和传输距离之间的平衡，实现了一个能实现远距离、长电池寿命、大系统容量、低硬件成本的全新通信技术，目前通讯完全免费，大幅度降低生产和使用成本。
6. 结束语
本文利用LoRa通讯设计了一种新型的家庭供暖插座，构建了家庭供暖温度控制系统。一方面，该测温系统可以帮助用户实时了解房屋内的当前温度以及已经花费的供暖费用。另一方面，用户只需一个按钮就可以设定想要的温度。因此，该加热控制系统为供暖企业和用户提供了极大的方便。
致谢
本文在徐涛教授的细心指导下完成的，我的导师在项目当中给予了我十分多的帮助，在平日的沟通交流中我也学习到了许多知识。此外还要感谢我的师兄师姐以及我的同门，在论文完成过程中提出了许多宝贵的意见。最后向各位评审专家和编辑致以真诚的谢意，感谢您们为本文付出了宝贵的时间。