非接觸式IC卡預(yù)付費(fèi)煤氣表的設(shè)計(jì)方法

    傳統(tǒng)的煤氣表的收費(fèi)是由抄表人員走進(jìn)千家萬(wàn)戶的居民家中讀取煤氣表數(shù)據(jù)，然后計(jì)算當(dāng)月用量。計(jì)算出應(yīng)收費(fèi)用后再向用戶收取。這樣的過(guò)程存在著工作量大收費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、效率低等問(wèn)題。更主要的問(wèn)題是由于用戶及其它方面的原因。往往不能按時(shí)收費(fèi)，造成用戶對(duì)燃?xì)夤?yīng)方的資金拖欠等。采用預(yù)付費(fèi)煤氣表，使用戶與燃?xì)夤?yīng)方的資金結(jié)算方式發(fā)生變化，可以有效地解決以上問(wèn)題，也有利于住宅小區(qū)實(shí)現(xiàn)智能化物業(yè)管理。當(dāng)前國(guó)內(nèi)已有許多廠家開始或已經(jīng)生產(chǎn)出采用接觸式IC卡的預(yù)付費(fèi)煤氣表，但是此類表中的IC卡觸點(diǎn)在櫥房等易污染的環(huán)境中長(zhǎng)期使用，會(huì)造成接觸不良的現(xiàn)象。由價(jià)格較低的非接觸IC卡所構(gòu)成的煤氣表可以改善表的性能。

    1 非接觸式IC卡預(yù)付費(fèi)煤氣表的功能

    非接觸式IC卡預(yù)付費(fèi)煤氣表是采用目前現(xiàn)成的機(jī)械式煤氣表為基表。通過(guò)光電或霍爾元件將基表的氣體流量信號(hào)取出并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入單片機(jī)進(jìn)行處理，并與表內(nèi)已由IC卡預(yù)先讀入E²PROM 中的預(yù)置值進(jìn)行計(jì)算并扣除相應(yīng)量，在預(yù)置值減至最小設(shè)定值后表將發(fā)出提示信號(hào)提醒用戶提前購(gòu)氣，否則預(yù)置值減為零后將關(guān)閉氣閥，直至用戶重新購(gòu)買的用氣量經(jīng)IC卡讀入煤氣表后才會(huì)重新開閥供氣。隨著燃?xì)夤┬桕P(guān)系的變化，可以在表內(nèi)設(shè)計(jì)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，對(duì)用戶的用氣量進(jìn)行費(fèi)用分時(shí)計(jì)價(jià)這樣可引導(dǎo)用戶避開用氣高蜂時(shí)間用氣，實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤?yīng)方對(duì)用戶在每日24 h內(nèi)按供氣的高峰與低谷點(diǎn)在不同的時(shí)間段以不同的價(jià)格收費(fèi)，有利于燃?xì)饽茉吹暮侠碛行Ю谩?/P>

    2 非接觸式IC卡煤氣表的基本結(jié)構(gòu)及原理

    該表組成框圖如圖1所示。由電源部分、 卡讀寫電路、單片機(jī)、串行E²PROM及串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、閥門控制等組成。

圖1 組成框圖

    2.1 電源部分

    合理選擇儀表的電源的是很重要的，考慮到煤氣表的防爆安全性，首先是不能用市電228 V供電。應(yīng)采用電池供電，但電池的使用壽命及儀表的功耗在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)認(rèn)真考慮。該表中選用3，6 V 1，2 A的高能量鋰電池供電，其存儲(chǔ)壽命可達(dá)6年。電路設(shè)計(jì)中為使功耗降到最低，單片機(jī)89C2051在不用氣時(shí)及用氣計(jì)數(shù)時(shí)間間隔內(nèi)均運(yùn)行于掉電方式，一塊標(biāo)稱流量為4m3／h的城鎮(zhèn)居民戶的煤氣表，當(dāng)脈沖信號(hào)以0，01 為單位計(jì)數(shù)時(shí)，最大流量時(shí)也只在每9 s才產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)信號(hào)，而實(shí)際使用中往往達(dá)不到如此流量，在每個(gè)計(jì)數(shù)信號(hào)作用時(shí)單片機(jī)僅運(yùn)行30ms時(shí)間，工作電流為l5mA, 這樣可以大大地降低電源功耗。

    另外，由于IC卡讀寫電路的工作是不連續(xù)的，通常只在對(duì)IC卡操作時(shí)(一個(gè)月或更長(zhǎng)時(shí)間)才工作一次，因此平時(shí)可由單片機(jī)控制使它不供電，由于大多數(shù)的機(jī)械表為金屬殼體，對(duì)射頻信號(hào)有屏蔽作用，因此可在表殼上開一個(gè)類似接觸卡的讀卡槽(但無(wú)觸點(diǎn))，當(dāng)需要讀寫卡時(shí)，將卡插入槽內(nèi)，槽底部有一個(gè)小開關(guān)觸發(fā)單片機(jī)接通IC卡讀寫電路的電源，卡讀寫完后，無(wú)論卡是否從槽內(nèi)取出，IC卡讀寫電路都會(huì)斷電，這樣可以降低電池消耗。

    2.2 IC卡讀寫電路及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

    非接觸式IC卡采用德國(guó)TEMIC公司生產(chǎn)的E5550芯片所封裝的射頻卡，該卡的成本較低，最主要的是它的讀寫電路無(wú)論結(jié)構(gòu)、成本及體積等方面的特殊優(yōu)點(diǎn)使它與其它非接觸卡相比更適宜于該表的應(yīng)用，其讀寫電路的核心也是該公司生產(chǎn)的U2270B芯片，該芯片只需較少的外圍元件即可與單片機(jī)連結(jié)構(gòu)成讀寫電路，但該蒼片需至步不低于5v的電源供電，因此，由3，6V供電的鋰電池需經(jīng)過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的DC-DC升壓后為它供電，通過(guò)一個(gè)安裝在卡槽側(cè)面直徑約3.5 cm的電感線圈對(duì)卡進(jìn)行讀寫。

    F5550 IC卡是一種可靠性較好的可進(jìn)行邏輯加密的射頻(RF)串行IC卡，其可存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量為28字節(jié)?？煞譃?塊，每塊4字節(jié)并附加l位寫保護(hù)位，用于塊寫保護(hù)，除外還有4字節(jié)32位的加密口令。同時(shí)配合其可編程的模式操作控制中對(duì)射頻信號(hào)的載波頻率、調(diào)制方式及，al3R功能的編程，可保證數(shù)據(jù)的安全性，以實(shí)現(xiàn)一卡一表的對(duì)應(yīng)關(guān)系，用戶與用戶之間不能互使用。可按功能設(shè)計(jì)為用戶卡與超級(jí)用戶卡，用戶卡發(fā)給用戶用來(lái)購(gòu)氣，卡上記錄為購(gòu)氣預(yù)置值(金額)，超級(jí)用戶卡由燃?xì)夤?yīng)方的管理人員使用，用來(lái)對(duì)煤氣表的內(nèi)部參數(shù)調(diào)整和設(shè)置，如定期的實(shí)時(shí)時(shí)鐘調(diào)整(校對(duì)時(shí)間)，高峰時(shí)與低谷時(shí)的單價(jià)調(diào)整，與基表同步的內(nèi)部初始值的設(shè)定等。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)與基表同步的計(jì)數(shù)值，當(dāng)用戶每次將所購(gòu)氣的預(yù)置值(金額)讀入表內(nèi)的同時(shí)，表內(nèi)的這一計(jì)數(shù)值會(huì)自動(dòng)回寫到卡上，這樣，用戶再到燃?xì)夤?yīng)方指定的購(gòu)氣點(diǎn)購(gòu)氣時(shí)，管理系統(tǒng)先讀取卡內(nèi)數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)，然后再將新購(gòu)氣值寫到卡上，由于用戶與系統(tǒng)之間的這種數(shù)據(jù)交換方式，可使燃?xì)夤?yīng)方檢查監(jiān)督用戶燃?xì)饧氨淼氖褂们闆r，以提高系統(tǒng)及煤氣表數(shù)據(jù)的安全可靠性。

    2.3 單片機(jī)、串行E²PROM及串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

    單片機(jī)采用ATMEL公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，該芯片具有空閑與掉電兩種節(jié)電工作方式，在掉電工作方式下單片機(jī)處于睡眠狀態(tài)，功耗可降到最低，取自基表的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)將單片機(jī)從睡眠中喚醒，當(dāng)完成一個(gè)計(jì)數(shù)的操作過(guò)程后，又進(jìn)入睡眠狀態(tài)，用戶不用氣時(shí)及在基表的計(jì)數(shù)脈沖的間隔內(nèi)使單片機(jī)處于睡眠狀態(tài)。由于AT89C2051單片機(jī)只能用復(fù)位的方式才能從睡眠狀態(tài)喚醒，因此可將計(jì)數(shù)脈沖加在它的復(fù)位端，即每來(lái)一個(gè)計(jì)數(shù)信號(hào)，單片機(jī)口u復(fù)位一次，程序運(yùn)行一次，將上一次的數(shù)據(jù)從串行E²PROM中讀出，處理完后再寫入串行E²PROM然后單片機(jī)就進(jìn)入掉電(睡眠)狀態(tài)。同樣，IC卡槽內(nèi)讀卡開關(guān)信號(hào)也是加在復(fù)位端的，但不同之處是它同時(shí)還產(chǎn)生一個(gè)脈寬大于復(fù)位脈沖并滯后于復(fù)位脈沖的信號(hào)作用于P1.0端，如圖2所示。

圖2 計(jì)數(shù)及讀卡電路

    采用這樣的工作方式，一方面可以利用AT89C2051單片機(jī)掉電工作方式，單片機(jī)實(shí)際上常期處于睡眠狀態(tài)使功耗降為極低。另一方面讀卡信號(hào)和復(fù)位信號(hào)是由復(fù)位端注入，可以使單片機(jī)省去看門狗及上電復(fù)位等電路而使煤氣表保持可靠的工作，提高儀表的整體可靠性。

    串行E²POM用來(lái)保存流量計(jì)數(shù)值、單價(jià)、高峰與低谷的切換時(shí)間以及其它的中間參數(shù)等。采用24(181串行存儲(chǔ)器芯片，該芯片具有256字節(jié)的存儲(chǔ)容量，為二線式I²C總線串行接口，數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)為10萬(wàn)次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為100年。串行時(shí)鐘同樣用I²C串行接口芯片PCF8583，該芯片內(nèi)部具有實(shí)時(shí)時(shí)種功能，時(shí)鐘運(yùn)行不需單片機(jī)管理，并能夠保證一定的走時(shí)精度。

    2.4 閥門控制部分主要是選用雙位置煤氣表專用閥門，目前已有廠家開發(fā)生產(chǎn)，該閥門具有較好的密封性與抗腐蝕性、抗老化性。此閥的功耗極小并且只有在開啟和關(guān)閉時(shí)才耗電，平時(shí)靜止?fàn)顟B(tài)不耗電，通過(guò)改變電磁線圈中的電流方向可以控制開啟與關(guān)閉。

    3 軟件設(shè)計(jì)

    煤氣表的軟件部分由兩個(gè)分支程序組成，即計(jì)數(shù)與IC卡讀寫兩部分。這兩部分由復(fù)位后根據(jù)P1，0端的信號(hào)狀態(tài)而決定產(chǎn)生相應(yīng)的分支，計(jì)數(shù)部分是先將前次脈沖計(jì)數(shù)所得運(yùn)算結(jié)果從E²PROM中讀出，包括高峰時(shí)低谷時(shí)的不同單價(jià)、高峰與低谷的切換時(shí)間、實(shí)時(shí)時(shí)鐘與基表同步的累計(jì)量。分時(shí)計(jì)費(fèi)的方法就是先由峰谷切換時(shí)間將每日24 h劃分為不同的時(shí)間段，由實(shí)時(shí)時(shí)間確定當(dāng)前時(shí)間段是高峰期還是低谷期，并根據(jù)運(yùn)行標(biāo)志判別前次計(jì)數(shù)信號(hào)累計(jì)與當(dāng)前時(shí)間是否在同一時(shí)間段內(nèi)，如相同，則只進(jìn)行該時(shí)間段內(nèi)的累計(jì)計(jì)數(shù)，然后程序結(jié)束。如不相同，則根據(jù)前一次時(shí)間段的用氣單價(jià)進(jìn)行用氣費(fèi)用結(jié)算并由表內(nèi)預(yù)置值中遞減扣除，新的時(shí)間段累計(jì)清零后重新計(jì)數(shù)。當(dāng)余值小于設(shè)定最小值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒用戶購(gòu)氣，此后如最小值低于零時(shí)關(guān)閉閥門停止供氣。程序結(jié)束時(shí)將所有數(shù)據(jù)寫回E²POM中。

    IC卡讀寫部分首先校對(duì)看口令是否正確，如正確后根據(jù)卡上的標(biāo)識(shí)字區(qū)分用戶卡與超級(jí)用戶卡；如果是用戶卡則將購(gòu)氣的預(yù)置值讀入表內(nèi)，并與表內(nèi)原有的剩余值進(jìn)行正負(fù)累計(jì)，然后將表內(nèi)的氣體累計(jì)流量回寫到卡上，以便用戶下次購(gòu)氣時(shí)與管理系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。如果是超級(jí)用戶卡根據(jù)其不同功能，如：初始化卡、校時(shí)卡、調(diào)價(jià)卡等，完成相應(yīng)的讀寫功能。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    目前，國(guó)內(nèi)原來(lái)生產(chǎn)機(jī)械式煤氣表的企業(yè)不斷地轉(zhuǎn)向IC卡煤氣表的生產(chǎn)，但多數(shù)為接觸式IC卡，本文提出的非接觸式IC卡煤氣表是采用目前認(rèn)為成本最低的非接觸IC卡系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而其它的非接觸IC卡，如MIFARE卡等，其讀寫裝置的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上述表中所選的E5550卡。因此，選用E5550卡是實(shí)現(xiàn)IC卡煤氣表非接觸化的關(guān)鍵，雖然成本只比用接觸式IC卡表增加幾十元，但其優(yōu)點(diǎn)則是很突出的。上述其它部分的軟硬件的設(shè)計(jì)方法實(shí)踐證明也是很有意義的。