基于IC卡的新型供暖計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭采君

（中國地質(zhì)科學(xué)院 勘查地球物理勘查地球化學(xué)研究所，河北 廊坊 065000）

在我國北方地區(qū)，隨著冬季供暖由福利化變革為商品化，供暖熱能的商品化屬性越來越突出，現(xiàn)在人們已經(jīng)普遍承認(rèn)熱能是商品。既然熱能是商品，那么其計(jì)量和購銷就應(yīng)該更科學(xué)，更合理，更符合商品交換的規(guī)律。然而在實(shí)際供暖計(jì)費(fèi)中，大多數(shù)地區(qū)仍采用按供暖建筑物的建筑面積計(jì)費(fèi)的方式，這種計(jì)費(fèi)方式的弊端主要表現(xiàn)在：用戶購買的是熱能卻需要按建筑面積計(jì)費(fèi)，二者間換算關(guān)系不夠明確直接。在整個(gè)供暖過程中，用戶熱能的消耗不僅與采暖房間溫度的高低有關(guān)，而且受許多其他因素的影響，如環(huán)境溫度、房間保暖性能、單位面積散熱器數(shù)。也就是說同等面積的不同建筑物，達(dá)到相同的采暖溫度，所消耗的熱能是不同的。按建筑面積計(jì)費(fèi)，必然造成消耗熱能不同付費(fèi)卻相同，這既不利于計(jì)費(fèi)的公平合理，也不利于節(jié)能減排。因此這里提出一種按熱能消耗量計(jì)費(fèi)的供暖計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 按熱能消耗量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)按熱能消耗量計(jì)費(fèi)，首先需要準(zhǔn)確測量采暖用戶的熱能消耗量，根據(jù)物理熱力學(xué)定律，采暖消耗的熱能與流過散熱器的熱水的流量以及流進(jìn)流出散熱器的熱水的溫度差成正比，設(shè)流進(jìn)散熱器的水量為Mi（m3），流出散熱器的水量為 Mo（m3），散熱器進(jìn)口溫度為 Ti（℃），散熱器出口溫度為To（℃），比例系數(shù)為 C，消耗的熱能為 Q。當(dāng) Mi=Mo時(shí)，則有 Q=CMo（Ti-To）；當(dāng) Mi＞Mo時(shí)，說明供熱水在用戶端有損耗，損耗也應(yīng)計(jì)入熱能消耗，則有 Q=CMo（Ti-To）+C（Mi-Mo）Ti；只要準(zhǔn)確測量出 Mi、Mo、Ti、To就可以計(jì)算出用戶消耗的熱能，再根據(jù)年度單位熱能的定價(jià)計(jì)算出用戶需要支付的采暖費(fèi)用，從而實(shí)現(xiàn)按熱能消耗計(jì)費(fèi)。

根據(jù)上述計(jì)費(fèi)原理，本文給出的預(yù)付費(fèi)式按熱能消耗計(jì)費(fèi)的供暖計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的基本工作過程是：用戶在開始供暖前，預(yù)存一定金額到IC卡中，將IC卡插入用戶的計(jì)費(fèi)終端上，計(jì)費(fèi)系統(tǒng)讀取IC卡中寫入的預(yù)存金額和年度熱能單價(jià)，如果預(yù)存金額大于0，則計(jì)費(fèi)系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)將流量控制閥打開，開始供暖；同時(shí)啟動流量監(jiān)測和溫度監(jiān)測功能測量用戶端流進(jìn)流出的流量以及進(jìn)口出口的溫度，根據(jù)上述測得的參數(shù)，計(jì)算用戶的熱能消耗值和應(yīng)付費(fèi)金額，并從預(yù)付金額中扣除，當(dāng)預(yù)付金額扣除到0時(shí)，系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)關(guān)閉流量控制閥結(jié)束供暖，并用蜂鳴器提醒用戶充值IC卡。供暖過程中，用戶隨時(shí)可通過系統(tǒng)提供的4個(gè)鍵控制流量控制閥的開啟程度，一旦預(yù)付費(fèi)扣除到0，該功能立即失效，以防止用戶自行打開閥門供暖。系統(tǒng)預(yù)留用戶流量調(diào)節(jié)功能，用戶可以根據(jù)自己的要求調(diào)整截閥開啟的程度，調(diào)整房間的溫度，這樣有利于降低用戶的采暖費(fèi)用，節(jié)約能源減少排放。系統(tǒng)通過預(yù)置的監(jiān)控程序，檢測采暖面積內(nèi)供暖系統(tǒng)偷漏水情況，并對偷漏水情況做出提醒和記錄，從而保護(hù)熱能供應(yīng)方的利益。

因此，需要該系統(tǒng)按一定時(shí)間間隔Δt（如1 min）實(shí)時(shí)采集如下數(shù)據(jù)：1）供暖系統(tǒng)進(jìn)出口流量 Mi、Mo；2）供暖系統(tǒng)進(jìn)出口溫度Ti、To。整個(gè)系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1 按熱能消耗計(jì)費(fèi)的供暖計(jì)費(fèi)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of billing system according to heating energy consumption

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

按熱能消耗量計(jì)費(fèi)的供暖計(jì)費(fèi)系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。用戶的預(yù)付費(fèi)金額在年度供暖開始前由供暖企業(yè)寫入IC卡中，作為本年度提供供暖的條件；溫度測量模塊完成對用戶采暖系統(tǒng)進(jìn)出口溫度的精確測量；流量測量模塊完成對用戶采暖系統(tǒng)進(jìn)出口流量的測量；實(shí)時(shí)日歷模塊用于產(chǎn)生實(shí)時(shí)鐘，為系統(tǒng)工作以及工作情況的記錄提供時(shí)間依據(jù)；鍵盤、報(bào)警、顯示模塊為用戶提供人機(jī)交互手段，用戶通過它可以在供暖開始后調(diào)整供熱水的流速，調(diào)整日歷、時(shí)鐘、顯示器用于顯示剩余金額等信息；中央控制單元用于采集IC卡、溫度、流量、鍵盤按鍵、時(shí)間等信息，通過對所有信息的處理，決定步進(jìn)電機(jī)的工作，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行。

圖2 計(jì)費(fèi)系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Block diagram of billing system

2.1 溫度測量電路

溫度測量電路原理圖如圖3所示，該電路用于將代表溫度的模擬電壓數(shù)字化，供中央控制單元讀取使用。Rt1、Rt2為Pt100鉑電阻溫度傳感器，該傳感器穩(wěn)定性和線性都較好，工作溫度范圍為-200～650℃，其電阻與溫度的關(guān)系為R=Ro（1+αT），其中 α=0.003851，Ro為 100 Ω，T 為攝氏溫度。在實(shí)際使用時(shí)Pt100常作為不平衡橋中的一個(gè)橋臂，如圖3中的R1、R2、R3、Rt1和 R4、R5、R6、Rt2分別組成橋路。 其中 R1=R2=R4=R5=3 kΩ，R3=R6=100 Ω，精度為 0.1%，溫度系數(shù)25 ppm；以2.5 V的參考電源為橋路供電，這樣當(dāng)溫度從0℃變到100℃時(shí)，橋路輸出電壓范圍為0～29.686 mV，溫度每變化0.1℃，輸出電壓近似變化29.5 μV。鉑電阻的阻值偏小，在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)采用三線接法[1]，以消除接線引入的測量誤差。R3、R6選取100 Ω，溫度大于0℃時(shí)，橋路輸出電壓大于0，從而滿足后面A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓大于0 V的需要。這里R1、R2、R4、R5的阻值給定3 kΩ，主要是考慮減輕U2的輸出負(fù)擔(dān)，此時(shí)每個(gè)橋路從U2中取的電流小于1.67 mA。

圖3 溫度測量電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of temperature measurement circuit

U1為16位△-Σ A/D轉(zhuǎn)換器AD7705[2]，通過SPI接口與CPU連接，該器件為2路差動輸入，內(nèi)帶1～128可程控放大器，共模抑制比優(yōu)于130 dB，串行接口，單電源工作，按圖中的接法，使用2.5 V參考電源、64倍放大、20 Hz采樣率時(shí)，等效輸入端噪聲有效值為0.63 μV，分辨率為0.596 μV。對于溫度變化0.1℃引起的29.5 μV的電壓變化量，經(jīng)過64倍放大后為1.888 mV，準(zhǔn)確測量是不成問題的。

U2為2.5 V電壓基準(zhǔn)源REF5025[3]，該器件在單 5 V供電的條件下，可以產(chǎn)生0.05%精度、噪聲7.5 μVp-p的精確電壓基準(zhǔn)，輸出電流可達(dá)10 mA。這里采用REF5025不僅為A/D轉(zhuǎn)換器提供電壓基準(zhǔn)，而且還為測溫橋路提供穩(wěn)定電源。理論上講，由于橋路為差動輸出，A/D轉(zhuǎn)換器為差動輸入，電源和地線上的電壓擾動都可作為共模信號被抑制掉，不會影響輸出精度，但由于組成橋路的電阻不能完全匹配，因此共模信號也可能對輸出造成干擾，采用穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)源為其供電，可以解決此問題。

2.2 系統(tǒng)控制電路

系統(tǒng)控制電路如圖4所示，該電路是整個(gè)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的核心，該電路在CPU的控制下完成溫度、流量、預(yù)付費(fèi)、實(shí)時(shí)鐘以及鍵盤按鍵信息的讀入，同時(shí)將需要顯示輸出的信息以串行的方式送到LCD顯示，需要步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行的命令通過隔離驅(qū)動送到步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行。

圖4 控制電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of control circuit

圖4中，U1為 8位 AVR微處理器ATmega8[4]，其主要特點(diǎn)為：8 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash；512 B的EEPROM，擦寫壽命:100000次；1 KB的片內(nèi)SRAM；2個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)具有比較功能，另一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；2個(gè)片外中斷源；23個(gè)可編程的I/O線；1個(gè) SPI接口。PB1、PB2、MO、MI、SCK用于初始化溫度測量電路和讀入測量的2通道溫度數(shù)據(jù)；PC0～PC3 用于掃描 K1～K44 個(gè)按鍵；PC4、PC5 用于驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的2個(gè)繞組；PC6、PD0、PD1用于連接 LCD顯示器；INT0、INT1用于以中斷方式測量2通道流量數(shù)據(jù)；PB6、PB7 用于讀入、設(shè)置實(shí)時(shí)鐘；PB0、PD5～PD7 用于 IC 卡的數(shù)據(jù)讀入，PD4用于驅(qū)動蜂鳴器。

U4、Q1、Q2組成步進(jìn)電機(jī)隔離驅(qū)動電路，該電路在U1的控制下驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正（反）向旋轉(zhuǎn)設(shè)定的角度。VD1、VD2用于吸收步進(jìn)電機(jī)繞組的反向沖擊電壓，避免破壞其他電路。

U3為低功耗CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片 PCF8563[5]，該器件內(nèi)置32.768 kHz振蕩器，產(chǎn)生的時(shí)鐘信號控制芯片生成實(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)，通過I2C總線供U1讀取，并作為系統(tǒng)時(shí)鐘控制其他電路工作。U2是IC卡集成電路X76F100[6]，其主要特點(diǎn)為：具有讀寫相互獨(dú)立的可編程64位密碼保護(hù)；內(nèi)含112 B快擦寫存儲器陣列；內(nèi)置重試計(jì)數(shù)器，非法用戶進(jìn)行8次試讀（寫）后存儲器陣列自動清零；I2C總線接口，連線簡單；功耗極低，待機(jī)電流1 μA，工作電流為3 mA；存儲器陣列可擦寫10萬次；數(shù)據(jù)可保存100年。這里X76F100用于存放用戶序列號、充值次數(shù)、充值金額、本年度供熱單價(jià)等信息。用戶端計(jì)費(fèi)系統(tǒng)預(yù)置64位信息讀取密碼，用于信息的讀?。恍畔懭朊艽a保存于供暖企業(yè)，用于給用戶充值。由于讀出和寫入信息的密碼分離，寫入密碼（64位）只保存在企業(yè)手里，因此非法寫入信息成功的幾率極低。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流量傳感器采用DFT-1000B，其量程為2.5～25 L/min，測量精度±5%FS，它用光隔離輸出脈沖數(shù)代表流過傳感器的流量，因此與控制系統(tǒng)接口連接簡單，控制系統(tǒng)對接收到的流量脈沖計(jì)數(shù)，就可測得流過傳感器的流量值。流量脈沖信號連接于U1的外中斷觸發(fā)輸入引腳，每個(gè)脈沖到來后觸發(fā)中斷服務(wù)程序計(jì)數(shù)，從而記錄流量值。

2.3 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)共需要3組電源保障系統(tǒng)正常工作，即用于溫度測量電路的模擬電源VDD，用于控制系統(tǒng)的數(shù)字電源VCC，用于步進(jìn)電機(jī)工作的功率電源+5 V，其中模擬電源和數(shù)字電源電源共地且與功率電源地線隔離?？紤]到系統(tǒng)需要長時(shí)間不間斷工作，電源部分采用以交流供電為主，充電電池供電為輔的電源解決方案。系統(tǒng)電源電路原理圖如圖5所示。

低功耗的控制系統(tǒng)由交流供電和電池供電組成不間斷電源，保證控制系統(tǒng)不掉電連續(xù)工作；功耗較大的步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動電路只由交流供電，在交流電斷開時(shí)停止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，減小電源消耗。VD1、VD2、VD3、R1組成后備電池充電電路，當(dāng)交流電接通時(shí)，自動給充電電池充電。

圖5 系統(tǒng)電源電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of system power supply circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括AD7705、PCF8563、系統(tǒng)的初始化，IC卡信息讀取，流量、溫度測量，按鍵掃描，電機(jī)驅(qū)動，供暖費(fèi)扣除等功能模塊。圖6給出了系統(tǒng)工作的流程圖。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖Fig.6 Flow chart of system working

需要說明的是：給IC卡施加復(fù)位信號后，IC卡輸出4字節(jié)數(shù)據(jù)19H 00H AAH 55H，系統(tǒng)以此作為判斷IC卡接入與否的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)讀取IC卡信息時(shí)，首先讀入1個(gè)4字節(jié)的序列號，并與系統(tǒng)序列號比對，如果不一致，用蜂鳴器給出提示并等待換卡；如果一致則繼續(xù)讀出其他信息，以此保證一個(gè)系統(tǒng)只有唯一的一張IC卡，防止一卡多用。序列號一致的條件下系統(tǒng)繼續(xù)讀入充值次數(shù)，如果充值次數(shù)小于等于系統(tǒng)保存的充值次數(shù)，那么IC卡中的金額將不被讀取，以此杜絕一次充值重復(fù)使用的情況發(fā)生；如果充值次數(shù)大于系統(tǒng)保存的充值次數(shù)，系統(tǒng)保存此新的充值次數(shù)后再讀入此次充值金額，與系統(tǒng)中保存的余額相加后作為新的供熱余額使用。最后讀出本年度供熱單價(jià)，更新系統(tǒng)單價(jià)數(shù)據(jù)。

用戶調(diào)整流量功能只有在供暖期間且用戶預(yù)存金額不為0時(shí)，才被激活，在其他情況下，流量控制閥一直處于鎖閉狀態(tài)不能被用戶調(diào)整。日歷調(diào)整（對鐘）用戶可以在開機(jī)后任意時(shí)刻進(jìn)行。用戶余額、本年度消耗熱能值、消耗的總熱能值等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，均被保存于CPU的EEPROM中，即使系統(tǒng)斷電，數(shù)據(jù)也不會丟失。系統(tǒng)定時(shí)器中斷間隔100 ms，這樣既不會使鍵盤判斷遲鈍，也不會過分增加CPU負(fù)擔(dān)。流量測量中斷設(shè)置成上升沿觸發(fā)，可有效避免同一事件重復(fù)觸發(fā)。

4 結(jié) 論

該系統(tǒng)雖然造價(jià)低廉、電路和工作流程簡單，但其溫度測量誤差小于0.05℃，溫度測量范圍為0～130℃，流量測量誤差小于 1.25 L/min，流量測量量程 2.5～25 L/min，該系統(tǒng)通過測量流過用戶采暖系統(tǒng)的熱水流量和采暖系統(tǒng)進(jìn)出口溫度差，計(jì)算出用戶的熱能消耗。該系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有：1）實(shí)現(xiàn)按熱能消耗計(jì)費(fèi)，計(jì)費(fèi)更合理；2）用戶可根據(jù)需要啟用或停止供暖以及調(diào)整室內(nèi)溫度，從而使用戶節(jié)省采暖開支，有利于節(jié)約能源；3）對供熱水的跑冒滴漏收取費(fèi)用，減少供暖方損失；4）采用預(yù)付費(fèi)方式結(jié)算，便于計(jì)算機(jī)管理，節(jié)約企業(yè)人力資源。作為試驗(yàn)系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)采用的流量傳感器量程偏小，不適合大型采暖用戶使用?？傊?，該系統(tǒng)通過直接測量用戶的熱能消耗計(jì)算采暖費(fèi)用較按采暖面積計(jì)費(fèi)的方法更科學(xué)、合理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉比較適合推廣應(yīng)用。

[1] 深圳市飛揚(yáng)電氣有限公司.PT100溫度傳感器[EB/OL].（2007-01）[2009-04-01].http://www.fy-dq.cn/PT100_PT100.htm

[2] Analog Devices Products.AD7705 Datasheet[EB/OL].（2006-05）[2010-04-01].http://www.analog.com/en/analog-to-digitalconverters/ad-converters/ad7705/products/product.html.

[3] Texas Instruments Products.REF5025 Datasheet[EB/OL].（2009-04-18）[2010-04-01].http://www.ti.com/lit/gpn/ref5025.

[4] Atmel Products.ATmega8 Datasheet[EB/OL].（2009-07）[2010-04-01].http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc8159.pdf.

[5] 王瑜.PCF8563在電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 [J].電子設(shè)計(jì)工程，2009，17（6）:115-116.WANG Yu.Application of PCF8563 in electronic clock design[J].Electronic Design Engineering，2009，17（6）:115-116.

[6] 賈振國，許琳.X76F100 IC卡及其應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2001（3）：59-61.JIA Zhen-guo，XU Lin.X76F100 smart card and its application[J].Electronic Design Engineering，2001（3）：59-61.