1. 引言
在我国北方大部分地区，冬季采暖是居民生活的基本需求，主要的采暖方式是由供暖中心以城市热网为热源的集中供暖，居民需要向供暖中心支付费用，供暖中心要保证用户的室内温度 [1] [2] [3] 。目前供暖中心采集用户室内温度的方式大多采用人工测量，由工人手持温度测量仪进入用户房间测量室内温度，记录温度数据后上报数据。这种运行管理模式，存在较多弊端。主要表现为：用户不方便实时监测室内的温度并根据需求进行实时调节，缺少舒适体验感。整体的供暖系统缺乏从供暖中心到用户再反馈至供暖中心的闭环结构，无法做到双方信息及时有效的交流。目前市场上还并未存在可以很好解决这一尴尬现状的智能家居产品。NB-IoT技术在智能家居、智慧医疗、智慧农业等领域应用广泛，技术相对成熟。该技术相对于其他通讯方式特点明显，优点突出主要表现为“低功耗”、“广覆盖”、“低成本” [4] [5] [6] 。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，人们越来越关注智慧供暖这一技术的创新与应用，也就是对现有传统供暖方式引入温度实时双向反馈的策略。本文提出了一种新型家用供暖管理方案，即利用NB-IoT物联网的智能插座系统。利用NB-IoT技术将用户与供暖公司形成完整闭环紧密联系。实验现象表明，此套室内测温插座系统实现了温度实时双向反馈的目的，提高了工作效率，提升了用户体验舒适度，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
现如今各家各户室内都配备有很多插座，具备提供多点测温的条件并且室内220 V交流电与测温插座相连可以作为供电电源降压后进行使用，不需要额外引入新的电源设备，对用户来说经济方便，因此选用插座作为整体系统的载体设备。基于NB-IoT的室内测温插座系统的结构如图1所示。在测温插座系统中SHT30温度传感器用来采集室内实时温度。LCD显示屏用来显示室内的“实时温度”、“设定温度”、“热力费余额”等关键信息。键盘模块可使用户对显示屏显示内容进行自由切换，并对“设定温度”进行增加或者减少的操作。AT24C256存储模块，用来存储插座或云平台提供的“温度偏移”、“ICCID”、“上报周期”等信息，实时更新的存储内容为插座与云平台之间的信息交互提供保障。NB模块用于建立测温插座与电信云平台之间的信息交互。最终供暖公司通过电信云平台对用户室内的温度信息进行查看和调整。
Figure 1. System structure block diagram
图1. 系统结构框图
3. 硬件设计方案
3.1. 电源模块
电源模块可实现将家用220 V交流电，转换为3.3 V直流电供插座主控板各模块使用的功能。为实现此功能特采用LS03-13B03R3 DIY型AC-DC模块电源。该型号电源具备超宽输入电压范围(85~305VAC/70~430VDC)、交直流两用、可靠性高、功耗低、寿命可控、成本可调等特点。输出功率为1.98 W，效率可达67%。广泛适用于工控和电力仪器仪表、智能家居等对体积要求苛刻、并对EMC要求不高的场合。电源模块电路原理图如图2所示。
Figure 2. Schematic diagram of the power module circuit
图2. 电源模块电路原理图
3.2. SHT30温度传感器模块
新型数字温度传感器SHT30将传感器技术提升到了一个新水平。作为SHT20系列的继承者，它将定义温度传感的下一个行业标准。SHT30温度传感器系列结合了多种功能和各种接口(I2C、模拟电压输出)，应用友好，工作电压范围宽(2.4至5.5 V)，适合各类应用。SHT30提供了一系列新功能，如增强信号处理、两个独特和用户可选I2C [7] [8] [9] 地址、一个可编程温湿度极限的报警模式，以及高达1 M的通讯速度。SHT30测温范围能达到−40℃~+125℃，精度为0.2℃。SHT30温度传感器模块电路原理图如图3所示。
SHT30温度传感器测量数据始终以16位值(无符号整数)的形式传输。数据数值经过线性化并补偿了温度和电源电压的影响。使用公式：
(1)
可将原始数值转换为物理比例(
表示温度的原始传感器输出)。
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
ST7539是一种用于图形点阵液晶显示系统的驱动器和控制器LSI。它包含192个段和64共用1个图标共用驱动电路。芯片直接连接到一个微处理器。该微处理器接受并行处理接口(8位)、串行外围接口(4线SPI)、I2C接口。显示数据存储在片上显示数据RAM中(DDRAM) 192 × 65位。它在没有外部操作时钟的情况下执行显示数据RAM读/写操作，以最小化耗电量。此外，因为它包含驱动液晶的电源电路，所以可以制作组件最少的显示系统。因此测温插座选用ST7539作为显示屏显示所需内容。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
显示的内容在传输有效的数据前要指定设备的地址，因为数据在主从设备上的传输是建立在地址上的。大多数地址为7位协议规定地址添加一个最低位来表示后续数据的方向，高电平则是主设备向从设备读取数据，低电平则是主设备向从设备中读取数据。具体发送数据的格式如图5所示。
Figure 5. Response signal sequence diagram
图5. 应答信号时序图
在本图中地址数据是8bit中含有1 bit方向，每个传输的数据是9 bit包含1 bit应答位。定义STC8A8K64S4A12单片机中P2.4管脚，P2.5管脚分别为SDA引脚，SCL引脚。本设计中的数据存储模块AT24C256遵循IIC总线协议。通过对IIC进行初始化后可使读取寄存器地址更加方便，写入数据的时候亦是如此。
3.4. 键盘模块
键盘模块设计三个按键，其中“功能键”的作用是切换LCD显示屏显示内容，“增减键”与“减少键”分别用来设置用户“设定温度”的增减。键盘电路如图6所示。
Figure 6. Diagram of the keyboard module circuit
图6. 键盘模块电路原理图
3.5. BC26模块
BC26基于联发科MT2625芯片平台研发，支持全球频段，用户只需要一颗模组，即可覆盖全球需求。BC26具有超小体积，尺寸仅为17.7 × 15.8 × 2.0 mm满足紧凑型终端设备的需求。该模块还支持低供电电压范围(2.1~3.63 V)，更适合NB-IoT技术的应用场景。同时，这款产品支持中国移动OneNET云平台、中国电信EasyIoT、华为OceanConnect物联网云平台。为用户的应用提供了极大的便利。BC26模块电路原理图如图7所示。
Figure 7. Schematic diagram of the BC26 module circuit
图7. BC26模块电路原理图
3.6. EEPROM模块
DL24C256是一个256 K位串行电可擦除的可编程存储器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：
· 系统出场时的默认值
· 供暖公司利用云平台下发的写指令
· 插座与云平台通讯当中的重要参数
DL24C256电路如图8所示。
Figure 8. Schematic diagram of the EEPROM storage module circuit
图8. EEPROM存储模块电路原理图
3.7. 主控模块
主控芯片选择STC8A8K64S4A12。它具备超快速8051内核，最大64 K字节FLASH空间，支持用户配置EEPROM大小，512字节单页擦除；128字节内部直接访问RAM以及128字节内部间接访问RAM，ADC支持12位精度16通道的模数转换。主控模块电路图如图9所示。
Figure 9. Diagram of the main control unit circuit
图9. 主控单元电路原理图
4. 软件设计方案
4.1. 系统总体设计
室内测温插座系统包含温度采集、信息显示、按键控制和最核心的BC26通信这四个部分。整体流程为各部分初始化完成后，SHT30温度传感器进行实时温度检测，并将采集到的温度数据存储在AT24C256存储单元中，为后续的数据交互和信息显示做准备。
LCD显示屏，从AT24C256中读取数据进行显示。同时可通过按键切换显示内容，方便用户查看多种信息。BC26的通信分为主动上报和指令下发及响应两个部分。其中的实时温度、温度偏移和SIM卡的ICCID定时10分钟上报一次，热力费余额数据定时24小时上报一次。其余的指令是云平台主动下发并响应，随时可以进行。系统整体软件流程图如图10所示。
Figure 10. Diagram of the system master program
图10. 系统主程序流程图
4.2. BC26通信部分软件设计
测温插座BC26模块在初始化程序运行完毕后即可与平台建立通讯，具体通讯内容包括：
· 下发指令：发温度偏移、下发上报周期、查询上报周期、下发设备时间、查询设备时间、下发设定温度、查询设定温度、下发温度上下限、查询温度上下限、下发费用余额、查询设备版本号、查询(iccid、温度、温度偏移、信号强度)；
· 数据上报：查询余额、iccid、温度、温度偏移以及当前信号强度。上报数据设置为定时上报，不需要主动下发相关查询指令。
终端设备具体应用流程如图11所示。
Figure 11. Specific application flow chart of terminal equipment
图11. 终端设备具体应用流程图
5. 电信AEP云平台对接
5.1. 创建产品并配置相关信息
在配置产品信息的操作中，需要在电信AEP平台端对设备“接入方式”、“网络类型”、“通讯协议”、“数据加密方式”、“认证方式”、“透传模式开关”等关键信息按照系统所需实现的功能进行配置。具体配置规则如图12所示。
5.2. 设备添加
每一个BC26模块都对应一个特定的IMEI码，通过该IMEI码可以明确对应具体设备上传的信息，由此精准定位用户设备，有针对性的进行室内温度监测的任务。设备添加界面如图13所示。
5.3. 平台端配置数据交互属性和服务
配置数据交互的具体属性和服务类别，是平台端与物联网设备建立链接的关键一步，配置好相关信息即可实现对智能插座数采集据的有效接收和平台指令的及时下发。配置过程严格遵守通讯协议的要求，具体如图14所示。
5.4. 测温插座信息查看及指令下发
在对电信AEP云平台各项参数配置完毕后，平台端可用过如下界面，进行相关操作(其中包括“数据查看”、“指令下发”、“指令下发响应”等操作)。云平台操作界面如图15所示。
6. 实验测试
6.1. 插座部分测试
配插座电源板与主控板与插座模具当中上电测试，内部结构如图16所示。
Figure 16. Physical diagram of the inside of the socket device
图16. 插座装置内部实物图
测试显示和温度采集功能时，通过按键调整插座显示界面为“实时采集温度”、“用户设定温度”、“热力费余额”，并通过按键调整设定温度值均正常运行，显示界面如图17所示。
Figure 17. Diagram of external objects of the socket device
图17. 插座装置外部实物图
6.2. 云平台操作
平台端可以正常接受插座上传的温度等数据，并通过相应指令对插座信息进行修改。实时温度、SIM卡ICCID、温度偏移量及信号强度可在数据查看界面显示，如图18所示。
下发上报周期、下发温度偏移量等指令进程和发聩结果可在指令下发日志中显示，如图19所示。
7. 结束语
本文利用NB-IoT通讯设计了一种新型的家用室内测温插座系统，整体包含测温插座和电信AEP云平台两个部分。一方面，该系统可以使用户实时监测自家室内温度和热力费余额等信息，并可通过简单操作上报个性化的期望温度数据。另一方面，供暖公司可以通过电信AEP云平台集中查看离散用户供暖情况和个性化需求，做到对供暖任务的简单高效处理。因此该系统针对供暖企业和用户个人提供了极大的便利，也改善了用户的居家体验。