基于IC卡的新型供暖计费系统设计

在我国北方地区，随着冬季供暖由福利化变革为商品化，供暖热能的商品化属性越来越突出，现在人们已经普遍承认热能是商品。既然热能是商品，那么其计量和购销就应该更科学，更合理，更符合商品交换的规律。然而在实际供暖计费中，大多数地区仍采用按供暖建筑物的建筑面积计费的方式，这种计费方式的弊端主要表现在：用户购买的是热能却需要按建筑面积计费，二者间换算关系不够明确直接。在整个供暖过程中，用户热能的消耗不仅与采暖房间温度的高低有关，而且受许多其他因素的影响，如环境温度、房间保暖性能、单位面积散热器数。也就是说同等面积的不同建筑物，达到相同的采暖温度，所消耗的热能是不同的。按建筑面积计费，必然造成消耗热能不同付费却相同，这既不利于计费的公平合理，也不利于节能减排。因此这里提出一种按热能消耗量计费的供暖计费系统设计方案。

1 按热能消耗量计费系统设计
     实现按热能消耗量计费，首先需要准确测量采暖用户的热能消耗量，根据物理热力学定律，采暖消耗的热能与流过散热器的热水的流量以及流进流出散热器的热水的温度差成正比，设流进散热器的水量为Mi(m3)，流出散热器的水量为Mo(m3)，散热器进口温度为Ti(℃)，散热器出口温度为To(℃)，比例系数为C，消耗的热能为Q。当Mi=Mo时，则有Q=CMo(Ti-To)；当Mi>Mo时，说明供热水在用户端有损耗，损耗也应计入热能消耗，则有Q=CMo(Ti-To)+C(Mi-Mo)Ti；只要准确测量出Mi、Mo、Ti、To就可以计算出用户消耗的热能，再根据年度单位热能的定价计算出用户需要支付的采暖费用，从而实现按热能消耗计费。
     根据上述计费原理，本文给出的预付费式按热能消耗计费的供暖计费系统的基本工作过程是：用户在开始供暖前，预存一定金额到IC卡中，将IC卡插入用户的计费终端上，计费系统读取IC卡中写入的预存金额和年度热能单价，如果预存金额大于0，则计费系统控制步进电机将流量控制阀打开，开始供暖；同时启动流量监测和温度监测功能测量用户端流进流出的流量以及进口出口的温度，根据上述测得的参数，计算用户的热能消耗值和应付费金额，并从预付金额中扣除，当预付金额扣除到0时，系统控制步进电机关闭流量控制阀结束供暖，并用蜂鸣器提醒用户充值IC卡。供暖过程中，用户随时可通过系统提供的4个键控制流量控制阀的开启程度，一旦预付费扣除到0，该功能立即失效，以防止用户自行打开阀门供暖。系统预留用户流量调节功能，用户可以根据自己的要求调整截阀开启的程度，调整房间的温度，这样有利于降低用户的采暖费用，节约能源减少排放。系统通过预置的监控程序，检测采暖面积内供暖系统偷漏水情况，并对偷漏水情况做出提醒和记录，从而保护热能供应方的利益。
     因此，需要该系统按一定时间间隔△t(如1min)实时采集如下数据：1)供暖系统进出口流量Mi、Mo；2)供暖系统进出口温度Ti、To整个系统的示意图如图1所示。
   
   

2 系统硬件设计
     按热能消耗量计费的供暖计费系统原理框图如图2所示。用户的预付费金额在年度供暖开始前由供暖企业写入IC卡中，作为本年度提供供暖的条件；温度测量模块完成对用户采暖系统进出口温度的精确测量；流量测量模块完成对用户采暖系统进出口流量的测量；实时日历模块用于产生实时钟，为系统工作以及工作情况的记录提供时间依据；键盘、报警、显示模块为用户提供人机交互手段，用户通过它可以在供暖开始后调整供热水的流速，调整日历、时钟、显示器用于显示剩余金额等信息；中央控制单元用于采集IC卡、温度、流量、键盘按键、时间等信息，通过对所有信息的处理，决定步进电机的工作，通过步进电机驱动模块驱动步进电机执行。
   
   
2．1 温度测量电路
     温度测量电路原理图如图3所示，该电路用于将代表温度的模拟电压数字化，供中央控制单元读取使用。Rt1、Rt2为Rt100铂电阻温度传感器，该传感器稳定性和线性都较好，工作温度范围为-200～650℃，其电阻与温度的关系为R=Ro(1+αT)，其中α＝0．003 851，Ro为100Ω，T为摄氏温度。在实际使用时Rt100常作为不平衡桥中的一个桥臂，如图3中的R1、R2、R3、Rt1和R4、R5、R6、Rt2分别组成桥路。其中R1=R2= R4=R5=3 kΩ，R3=R6=100 Ω，精度为O．1％，温度系数25 ppm；以2．5 V的参考电源为桥路供电，这样当温度从0℃变到100℃时，桥路输出电压范围为0～29．686 mV，温度每变化0．1℃，输出电压近似变化29．5μV。铂电阻的阻值偏小，在实际使用时应采用三线接法，以消除接线引入的测量误差。R3、R6选取100 Ω，温度大于0℃时，桥路输出电压大于0，从而满足后面A／D转换器输入电压大于0 V的需要。这里R1、R2、R4、R5的阻值给定3 kΩ，主要是考虑减轻U2的输出负担，此时每个桥路从U2中取的电流小于1．67 mA。
   
   
     U1为16位△-∑A／D转换器AD7705，通过SPI接口与CPU连接，该器件为2路差动输入，内带1～128可程控放大器，共模抑制比优于130dB，串行接口，单电源工作，按图中的接法，使用2．5 V参考电源、64倍放大、20 Hz采样率时，等效输入端噪声有效值为0．63μV，分辨率为0．596μV。对于温度变化0．1℃引起的29．5μV的电压变化量，经过64倍放大后为1．888 mV，准确测量是不成问题的。
     U2为2．5 V电压基准源BEF5025，该器件在单5 V供电的条件下，可以产生0．05％精度、噪声7．5μVp-p的精确电压基准，输出电流可达10 mA。这里采用REF5025不仅为A／D转换器提供电压基准，而且还为测温桥路提供稳定电源。理论上讲，由于桥路为差动输出，A／D转换器为差动输入，电源和地线上的电压扰动都可作为共模信号被抑制掉，不会影响输出精度，但由于组成桥路的电阻不能完全匹配，因此共模
信号也可能对输出造成干扰，采用稳定的电压基准源为其供电，可以解决此问题。
2．2 系统控制电路
     系统控制电路如图4所示，该电路是整个计费系统的核心，该电路在CPU的控制下完成温度、流量、预付费、实时钟以及键盘按键信息的读入，同时将需要显示输出的信息以串行的方式送到LCD显示，需要步进电机执行的命令通过隔离驱动送到步进电机执行。
   
   
     图4中，U1为8位AVR微处理器ATmega8，其主要特点为：8 KB的系统内可编程F1ash；512 B的EEPROM，擦写寿命：100 000次；1 KB的片内SRAM；2个具有独立预分频器8位定时器／计数器，一个具有比较功能，另一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器／计数器；2个片外中断源；23个可编程的I／O线：1个SPI接口。PB1、PB2、MO、MI、SCK用于初始化温度测量电路和读入测量的2通道温度数据；PC0～PC3用于扫描K1～K4 4个按键；PC4、PC5用于驱动步进电机的2个绕组；PC6、PD0、PD1用于连接LCD显示器；INT0、INT1用于以中断方式测量2通道流量数据；PB6、PB7用于读入、设置实时钟；PB0、PD5-PD7用于IC卡的数据读入，PD4用于驱动蜂鸣器。
     U4、Q1、Q2组成步进电机隔离驱动电路，该电路在U1的控制下驱动步进电机正(反)向旋转设定的角度。VD1、VD2用于吸收步进电机绕组的反向冲击电压，避免破坏其他电路。
     U3为低功耗CMOS实时时钟／日历芯片PCF8563，该器件内置32．768 kHz振荡器，产生的时钟信号控制芯片生成实时钟数据，通过I2C总线供U1读取，并作为系统时钟控制其他电路工作。U2是IC卡集成电路X76F100，其主要特点为：具有读写相互独立的可编程64位密码保护；内含112 B快擦写存储器阵列；内置重试计数器，非法用户进行8次试读(写)后存储器阵列自动清零；I2C总线接口，连线简单；功耗极低，待机电流1 μA，工作电流为3 mA；存储器阵列可擦写1O万次；数据可保存100年。这里X76F100用于存放用户序列号、充值次数、充值金额、本年度供热单价等信息。用户端计费系统预置64位信息读取密码，用于信息的读取；信息写入密码保存于供暖企业，用于给用户充值。由于读出和写入信息的密码分离，写入密码(64位)只保存在企业手里，因此非法写入信息成功的几率极低。
     该系统设计的流量传感器采用DFT-1000B，其量程为2.5～25L／min，测量精度±5％FS，它用光隔离输出脉冲数代表流过传感器的流量，因此与控制系统接口连接简单，控制系统对接收到的流量脉冲计数，就可测得流过传感器的流量值。流量脉冲信号连接于U1的外中断触发输入引脚，每个脉冲到来后触发中断服务程序计数，从而记录流量值。
2．3 系统电源设计
     系统共需要3组电源保障系统正常工作，即用于温度测量电路的模拟电源VDD，用于控制系统的数字电源VCC，用于步进电机工作的功率电源+5 V，其中模拟电源和数字电源电源共地且与功率电源地线隔离。考虑到系统需要长时间不间断工作，电源部分采用以交流供电为主，充电电池供电为辅的电源解决方案。系统电源电路原理图如图5所示。
   
   
     低功耗的控制系统由交流供电和电池供电组成不间断电源，保证控制系统不掉电连续工作；功耗较大的步进电机及其驱动电路只由交流供电，在交流电断开时停止步进电机运转，减小电源消耗。VD1、VD2、VD3、R1组成后备电池充电电路，当交流电接通时，自动给充电电池充电。

3 系统软件设计
     系统软件主要包括AD7705、PCF8563、系统的初始化，IC卡信息读取，流量、温度测量，按键扫描，电机驱动，供暖费扣除等功能模块。图6给出了系统工作的流程图。
   
   
     需要说明的是：给IC卡施加复位信号后，IC卡输出4字节数据19H 00H AAH 55H，系统以此作为判断IC卡接入与否的标准。系统读取IC卡信息时，首先读入1个4字节的序列号，并与系统序列号比对，如果不一致，用蜂鸣器给出提示并等待换卡；如果一致则继续读出其他信息，以此保证一个系统只有唯一的一张IC卡，防止一卡多用。序列号一致的条件下系统继续读入充值次数，如果充值次数小于等于系统保存的充值次数，那么IC卡中的金额将不被读取，以此杜绝一次充值重复使用的情况发生；如果充值次数大于系统保存的充值次数，系统保存此新的充值次数后再读入此次充值金额，与系统中保存的余额相加后作为新的供热余额使用。最读出本年度供热单价，更新系统单价数据。
     用户调整流量功能只有在供暖期间且用户预存金额不为0时，才被激活，在其他情况下，流量控制阀一直处于锁闭状态不能被用户调整。日历调整(对钟)用户可以在开机后任意时刻进行。用户余额、本年度消耗热能值、消耗的总热能值等关键数据，均被保存于CPU的EEPROM中，即使系统断电，数据也不会丢失。系统定时器中断间隔100 ms，这样既不会使键盘判断迟钝，也不会过分增加CPU负担。流量测量中断设置成上升沿触发，可有效避免同一事件重复触发。

4 结论
     该系统虽然造价低廉、电路和工作流程简单，但其温度测量误差小于0．05℃。温度测量范围为0～130℃，流量测量误差小于1．25L／  min，流量测量量程2．5～25 L／min，该系统通过测量流过用户采暖系统的热水流量和采暖系统进出口温度差，计算出用户的热能消耗。该系统的特点主要有：1)实现按热能消耗计费，计费更合理；2)用户可根据需要启用或停止供暖以及调整室内温度，从而使用户节省采暖开支，有利于节约能源；3)对供热水的跑冒滴漏收取费用，减少供暖方损失；4)采用预付费方式结算，便于计算机管理，节约企业人力资源。作为试验系统，该设计采用的流量传感器量程偏小，不适合大型采暖用户使用。总之，该系统通过直接测量用户的热能消耗计算采暖费用较按采暖面积计费的方法更科学、合理，系统结构简单、成本低廉比较适合推广应用。