摘 要: 針對當(dāng)前國內(nèi)與市場經(jīng)濟體制極其不符的供暖包費制的供暖體制現(xiàn)況和國外熱量表的昂貴價格，自行開發(fā)設(shè)計一款低功耗、高抗干擾性、高保密性和高精度的一體化智能化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)暖氣的計量和預(yù)付費智能控制。
關(guān)鍵詞: 預(yù)付費；熱量表；智能卡
1、引 言
在過去相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，實行的是大鍋飯式的供暖包費制。“熱”一直無法成為真正的商品。 現(xiàn)在人們對這個問題的解決已經(jīng)形成共識：必需打破大鍋飯式的供暖包費制，采用熱量計量收費制，使“熱”這一商品實現(xiàn)產(chǎn)銷雙方直接交易，使“熱”成為真正的商品。“誰用熱，誰交錢”。 國內(nèi)目前熱量表研制的廠家雖然較多，但成熟的產(chǎn)品還較少，而能大批量生產(chǎn)熱量表的廠家還沒有。國外熱量表的昂貴價格是其在中國推廣應(yīng)用的最大阻力。實現(xiàn)熱量表的國產(chǎn)化，是實現(xiàn)熱量計量收費的關(guān)鍵。在這種情況下開始研制并進(jìn)行熱量表試制，具有一定意義。
2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和預(yù)實現(xiàn)的功能分析
通過市場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前市場上的暖氣表的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其主要存在的缺點有：
（1）溫度傳感器安裝方式不合理，需要安裝特定的管接頭。
（2）兩個溫度傳感器在暖氣表的體外，保密性和安全性不高，暖氣表容易被惡意改裝。
（3）傳輸導(dǎo)線較長，干擾和信號衰減嚴(yán)重，需要加入驅(qū)動電路和抗干擾電路，從而使成本增加。
（4）暖氣表在工作中，用戶不能主觀啟停，不能體現(xiàn)消費自由的原則。
（5）沒有溫控功能，用戶不能調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。
（6）主體結(jié)構(gòu)為單通道式，無法實現(xiàn)回水（暖氣）流量的檢測，不能防止用戶惡意盜熱水行為，從而給供暖公司造成損失。
綜合以上情況，決定自主開發(fā)一種功能更加完善，技術(shù)更加先進(jìn)的一體化雙通道暖氣表，結(jié)構(gòu)如圖2所示，其預(yù)實現(xiàn)的功能如下：
加密功能：自動識別智能卡密碼，可防偽卡或信道惡意攻擊。
顯示功能：采用LCD液晶顯示，可供用戶隨時查詢購暖總量、剩余量、單價、進(jìn)出口溫度。
告警功能：剩余金額小于臨界值時，閥門自動關(guān)、開，聲光驅(qū)動告警，可實現(xiàn)在線監(jiān)測。
關(guān)斷功能：設(shè)置啟停按鈕，方便用戶操作。可以不另外安裝手動閥門。設(shè)置電鎖開關(guān)在不使用暖氣的季節(jié)，用戶可以手動切斷控制器的電源，使其處于零功耗狀態(tài)。剩余熱量為零或系統(tǒng)失電時閥門也會自動關(guān)閉。
數(shù)據(jù)設(shè)置：通過系統(tǒng)軟件可靈活設(shè)置用熱價格、告警量、透支量
分量計費：靈活實現(xiàn)每月的“定量熱量”和"議價熱量"的計量收費
數(shù)據(jù)傳輸：通過射頻卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，計算機系統(tǒng)可將購暖情況傳入智能表
數(shù)據(jù)保護(hù)：使用Flash技術(shù)安全實時現(xiàn)場數(shù)據(jù)保護(hù)，可防止意外原因造成的實時變化的有用數(shù)據(jù)的丟失。
電源監(jiān)控：現(xiàn)場監(jiān)控電源的異常現(xiàn)象并及時進(jìn)行處理。
防盜功能：進(jìn)口和出口流量同時檢測，可防止用戶竊能。
智能溫控：用戶可根據(jù)需求設(shè)定室溫范圍，系統(tǒng)通過動態(tài)流量調(diào)整來自動調(diào)整室溫。
3、總體設(shè)計
3.1系統(tǒng)框圖
本系統(tǒng)以單片機核心，主要由流量傳感、溫度傳感、閥門開閉控制、顯示模塊、射頻模塊、掉電保存、聲光報警、電源監(jiān)控等幾部分組成。硬件框圖如圖3所示。
圖3 硬件框圖
3.2模塊說明
3.2.1流量傳感
安裝在管路系統(tǒng)上，用于計量流過供熱回路水的體積并發(fā)出流量信號。目前，市場上能夠買到的數(shù)字式流量計非常少，常見的都是一些機械式的，其無法和我們的單片機進(jìn)行接口。后來發(fā)現(xiàn)市場上的一些新式的水表的流量檢測系統(tǒng)可以借鑒。故本設(shè)計的流量傳感擬采用霍爾器件來實現(xiàn)。市場上的霍爾器件比較多，但應(yīng)用到本系統(tǒng)中綜合性能大多都不太好，在網(wǎng)上無意發(fā)現(xiàn)了霍爾IC—MLX90248。可謂是為設(shè)計量體定做。
3.2.2溫度傳感
溫度傳感器安裝在管路系統(tǒng)的出和入口，采集系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的溫度并發(fā)出溫度信號。DALLAS最新單線數(shù)字溫度系統(tǒng)DS18B20是新的“一線器件”，其體積更小、適用電壓更寬，更經(jīng)濟。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使我們可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。其測量溫度的范圍為 -55 — +125度，在 –10 — +85 度范圍內(nèi)，可以程序設(shè)定 9—12 位的分辨率精度為正負(fù)0.0625度。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。適合于惡劣環(huán)境的溫度測量。從性價比出發(fā)，其已經(jīng)能夠勝任設(shè)計要求。
3.2.3射頻卡讀寫模塊
其是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g介質(zhì)。選擇何種存儲載體作為本系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)傳輸中介，是本設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。從安全、可靠、經(jīng)濟等角度考慮，本系統(tǒng)擬采用非接觸式射頻IC卡。當(dāng)今世界上非接觸式IC智能射頻卡（內(nèi)建MCU，ASIC等）中的主流產(chǎn)品—PHILIPS公司的MIFARE技術(shù)，已經(jīng)被制定為國際標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC 14443 TYPE A標(biāo)準(zhǔn) 。如果事先不知卡片上的密碼，則由于密碼的變化可以極其復(fù)雜，因此靠猜測密碼而想打開卡片上的一個扇區(qū)的可能性幾乎為零。其充分地說明了Mifare 1 卡片的高度安全性，保密性，及卡片的應(yīng)用場合多樣性，一卡多用（一卡通）。
現(xiàn)在市場上已經(jīng)有不少成熟的讀寫模塊可供設(shè)計選用，通過比較智能卡讀寫模塊選用MCS-RC500 V3.3 非接觸式智能卡通用讀寫器。具體設(shè)計的硬件電路如圖4所示。由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機接口技術(shù)也比較成熟，故市場上能夠買到的讀寫模塊都是基于計算機通信的讀寫設(shè)備。結(jié)合這個設(shè)計系統(tǒng)，現(xiàn)在必須做的工作是對該讀寫模塊做二次開發(fā)。即利用串行異步通信技術(shù)把讀寫器模塊和單片機接口，其中編寫單片機接口匯編通信程序是本次開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。
圖4 射頻卡讀卡器電氣原理圖
3.2.4積算儀
以AT89S51為核心器件，接收來自流量傳感器和溫度傳感器的信號，進(jìn)行處理、計算并顯示管路系統(tǒng)的累積熱量、累積流量和進(jìn)水溫度，回水溫度等。同時發(fā)出控制指令。
3.2.5顯示模塊
用來顯示和便于客戶查詢其預(yù)付金額、剩余熱量、進(jìn)出口溫度等信息。
3.2.6閥門開閉和報警
開通和禁止用戶的使用權(quán)限，并有預(yù)警功能。
3.2.7掉電保存
對于實時處理的數(shù)據(jù)的實時保存。一個相對成熟的系統(tǒng)，應(yīng)該具備相對可靠的安全保護(hù)措施，試想當(dāng)我們用充值卡給我們的用戶機充值成功結(jié)束以后，系統(tǒng)一直正常工作（不停機）。但是，當(dāng)我們的系統(tǒng)因為某種原因（更換電池等）造成系統(tǒng)失電或復(fù)位時，89S51內(nèi)部的RAM區(qū)正在運行的實時數(shù)據(jù)就會丟失。這將會給公司和用戶帶來無法彌補的麻煩。為此，我們在本系統(tǒng)中增加了掉電數(shù)據(jù)保存電路。由于我們的數(shù)據(jù)是實時變化的數(shù)據(jù)，因此必須采用在線電可檫除，電可編程存儲器。設(shè)計中采用AT24C02。AT24C02是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，遵循I2C總線標(biāo)準(zhǔn)。它是內(nèi)含256×8位存儲空間，具有工作電壓寬（2.5～5.5V）、擦寫次數(shù)多（大于10000次）、寫入速度快（小于10ms）等特點。比較適合嵌入到本系統(tǒng)中。
3.2.8電源監(jiān)控
現(xiàn)場監(jiān)控電源的異常現(xiàn)象并及時進(jìn)行處理。為保證單片機系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行的首要因素就是保證整個系統(tǒng)的電源穩(wěn)定，本設(shè)計采用了MAX706芯片作為電源管理的主控單元，它是低功耗CMOS芯片，工作電流只有100微安，內(nèi)含一個看門狗電路。用MAX706配合簡單外圍電路可實現(xiàn)電源的開關(guān)和看門狗功能。
4、熱能計量原理
當(dāng)熱水以一定的溫度從進(jìn)水管流入一個熱交換系統(tǒng)（暖氣片，管道等），用戶在通過熱交換系統(tǒng)而獲取熱量的同時，熱水以較低的溫度從回水管流出．在一定時間內(nèi)，用戶所獲得的熱量可以由下式算出:
式中：
Q——釋放或吸收的熱量 （J或wh）；
qm——流經(jīng)熱量表的水的質(zhì)量流量（kg/h）；
qv——流經(jīng)熱量表的水的體積流量（m3 /h）；
ρ——流經(jīng)熱量表的水的密度（kg/ m3）；
Δh——在熱交換系統(tǒng)的入口和出口溫度下，水的焓值差（J/kg）；
τ ——時間（h）。
圖5 水的密度和焓值表
其中水的密度和焓值通過查國家標(biāo)準(zhǔn)（如圖5所示）可以確定。當(dāng)溫度為非整數(shù)時，應(yīng)進(jìn)行插值修正；當(dāng)表的結(jié)構(gòu)確定以后，通過實驗就可得出水的體積流量。
5、技術(shù)特點
低 功 耗: 采用低功耗和微功耗CMOS 芯片技術(shù)。
高抗干擾性：采用數(shù)據(jù)的數(shù)字化處理技術(shù)，把傳統(tǒng)的易受干擾的模擬采集和傳輸信號換成高抗干擾的數(shù)字信號。
高 保 密：對數(shù)據(jù)的加密處理及密碼保護(hù)。采用PHILIPS公司的MIFARE技術(shù)。
高 精 度：采用多種自動補償校正方法。
通 用 性：采用具有一卡多用功能的卡,促進(jìn)金卡工程的發(fā)展進(jìn)程。
一 體 化：極大降低了竊能的可能。
雙通道檢測：對暖氣進(jìn)出口的流量同時進(jìn)行檢測,防止竊能。
智能的溫控：用戶可根據(jù)需求設(shè)定室溫范圍,系統(tǒng)通過動態(tài)流量調(diào)整來自動調(diào)整室溫。
6、結(jié)束語
本設(shè)計到目前為止也僅僅只是做了一個良好的開端，它不僅需要在技術(shù)和質(zhì)量上進(jìn)一步加強，而且也需要在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和品種上進(jìn)一步豐富。熱表的發(fā)展是我國供熱制度良好改革的技術(shù)保證，為供熱制度的改革做出自己的貢獻(xiàn)。
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作者簡介：
邵 鋒 （1981-），男，工程師，河南商丘人，主要從事自動化教學(xué)和研究，承擔(dān)一些科研項目和產(chǎn)品的開發(fā)與設(shè)計。
手 機：13072662630Email: shaofeng200320@yahoo.com.cn
地 址：河南新鄉(xiāng)市河南科技學(xué)院機電系自動化教研室 郵編：453003
注：該設(shè)計項目系河南省高校青年骨干教師資助計劃項
