遙控式數碼燃氣表計量收費系統的研究與設計

郭晉秦, 韓 焱, 董瑞玲

(1. 太原工業學院 自動化系，太原 030008；2. 中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051；3. 太原理工大學 繼續教育學院，太原 030024）

0 引言

自19世紀末我國出現城市煤氣以來，煤氣事業有了飛速發展。但在計量收費方面，國內卻一直延用原始落后的入戶查收方式。存在入戶難度大、成本高、糾紛多、拖欠費嚴重、資金回收周期長等問題，不僅給居民生活造成不便，還存在入室搶劫、偷盜、行兇等安全隱患。這些弊端一直在困擾著人們。從1994年開始，IC卡作為預付費數據的交換載體[1]而誕生了IC卡煤氣表。起初IC卡燃氣表因具有“先交錢，再用氣”的預付費功能而大受歡迎，但由于其“先天不足”，造成許多燃氣公司的能源流失率高達20%以上。目前，不論是IC卡表、射頻卡表、TM卡表等都存在以下技術缺陷：1）表體的卡口部位存在隱患，對外部攻擊和干擾很難防范，特別是通過對卡口施加電壓可造成電路癱瘓，致使在無余款的情況下閥門仍處于開啟狀態；2）IC卡不易保管存在損耗，時間久了會出現刷卡失效、計量錯誤等問題；3）IC卡技術已成為通用技術，存在復制卡、篡改數據、黑市交易等安全隱患；4）使用不便，受時間、地點限制，居民付費買氣必須攜帶IC卡到指定地點才能交易。

隨著科技發展，遠程抄表收費系統和電力載波系統等紛紛問世。遠程抄表收費系統是在普通基表上加裝發訊裝置，將采集到的信號通過電纜線傳輸到采集器，經處理后通過數據總線并聯，并與計算機通訊實現遠程抄表[2]。它解決了人工抄表難的問題，但是成本高，安裝復雜，不能解決用戶拖欠費問題。電力載波系統是通過采集終端將燃氣表表頭數據調制后，通過電力線傳送，在接收端解調還原成表頭數字信號，在同一臺變壓器供電范圍內用戶統一編址，并由采集器巡回讀寫。其優點是利用電力線傳輸節省資源。但我國電力線路純凈度較差，在傳輸過程中經常受無線電、電磁等干擾，特別是當大功率家用電器啟動時，瞬間產生極大的電流，造成干擾脈沖疊加在電網上，導致傳輸錯碼、丟碼。

本文給出的遙控式數碼燃氣表計量收費系統主要用于對管道煤氣、液化石油氣、天然氣等進行計量、控制和交易結算管理。適合于“先付費，后用氣”的集中供氣管理體系，不需卡載體，計量精確，安裝簡單，遙控操作使用便捷，且能夠與銀行、電信、網通、移動、聯通等系統進行接口以多種形式出具購買碼，為居民建立多種繳費和查詢途徑，可實現24小時足不出戶隨時隨地交費購氣。

1 基于明碼交換預付費技術的工作原理

本文系統由遙控式數碼燃氣表、計量收費管理信息系統組成。遙控式數碼燃氣表作為計量終端，是在普通燃氣表的基礎上加裝遙控式數碼燃氣表控制裝置，并配備遙控器而形成的新型燃氣表，具有先付費后用氣、液晶顯示、遙控操作、計量精確、安全保密、欠壓關閥、應急透支、狀態提示等功能。計量收費管理信息系統為三層結構的分布式應用軟件，采用模塊化設計接口化開發，具有日常維護、檔案管理、交易結算、氣量查詢、報表統計等功能。計量終端與管理信息系統之間采用明碼交換預付費技術進行數據交換。

明碼交換預付費技術是使用由計算機自動生成的代碼來交換預付的購買數據及相關信息參數。明碼是指代替某種含義的數碼，對用戶可見，具有編碼和密碼的雙重含義，由計算機根據加密規則進行編碼，再由計量終端控制裝置進行解碼，編碼和解碼的一一對應，從而用數字代碼完成交費功能。在數據交換過程中無需載體，不受外界干擾，避免了IC卡存在的安全隱患，是安全可靠的一種預付費方式。

如圖1所示，用戶繳費購氣時，通報戶名、購買量或其他相關信息就可付費實現購買，獲得由計量收費管理信息系統用加密算法生成一組數字明碼作為購買碼。然后，用遙控器向數碼燃氣表輸入明碼完成充值。數碼燃氣表自動接收明碼并將其轉換為新購量等數據參數。數碼燃氣表控制器與計量收費管理信息系統總是保持對應和同步，它將接收到的明碼進行解碼校驗，并同表內各計量數據經嚴密計算，轉換為具體的新的信息，如：剩余氣量、累計用量等。最后由此執行多種控制指令，如：當剩余量低于給定值時，自動產生報警蜂鳴，提醒用戶購氣；當剩余量為零時，自動關閉閥門，停止供氣；當再次接收到正確明碼后，開閥通氣，透支氣量自動核減。

圖1 明碼交換預付費技術的應用模式

由于數據傳遞和交易結算無需載體，明碼可由打印單據、語音播報、短信顯示或計算機界面顯示等多種途徑獲得，從而為居民24小時足不出戶繳費、查詢提供了技術可行性。

2 遙控式數碼燃氣表控制裝置的設計與實現

本控制裝置由八部分和遙控器構成，如圖2所示。

圖2 控制裝置的組成

2.1 主要模塊的設計與實現

MCU采用MSP430F413單片機。它是一種超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機，具有豐富的片內外圍，工作電壓為1.8V～3.6V，內置液晶驅動24×4段，可以縮小體積、降低成本，特別適合應用在各種要求低功耗的場所。

液晶顯示模塊采用定制的段碼式液晶屏，直接由單片機驅動，用于顯示氣量信息及狀態信息如圖3所示。液晶顯示作為輸入輸出的接口界面，具有重要作用，為提高顯示效果，在常規設計的基礎上增加了必要的濾波器件。

圖3 液晶顯示界面

數據存儲模塊為集成在MCU中的信息flash，可進行10萬次以上擦寫，分A、B兩段。為提高可靠性，采用二次效驗和備份相結合的操作，flash A用于數據存儲，flash B用于備份。當一次效驗有效時，寫數據到flash A，當二次效驗有效時，把flash A的數據備份到flash B，再進行數據存儲。如圖4所示。

電源為四節1.5V干電池供電。電源模塊具有自行的防電源接反保護，回流保護等功能。匹配0.47法拉的超級電容，以支持用戶自行更換電池的操作，如圖5所示。

圖4 數據校驗、存儲流程圖

圖5 遙控器

流量采集模塊采用兩根干簧管雙保護的方法，以單片機下降沿中斷的方式進行電路設計，在硬件上匹配相應的旁路電容，結合軟件處理進行脈沖判斷，保證計量的精確性，解決磁場干擾問題，又實現干簧管損壞的自檢功能。干簧管為磁靈敏開關型傳感器，因此在基表計數撥碼盤低位上均勻嵌入2個微型磁鋼，再將一個干簧管安裝在碼盤附近，另一個安裝于靠近外殼處。采用雙干簧管輪詢計數方式，使采集數據和基表同步。當0.01m3的燃氣從燃氣表流過時，兩根干簧管分別吸合一次視為一個有效脈沖，每個脈沖對應0.1m3的氣量。單片機軟件根據有效脈沖個數進行剩余量的自減及累積量的自增。為提高流量采集的精確性，對各個流速下的脈沖波形進行分析，用軟件進行防抖動處理，并根據最小二乘原理進行多元線性回歸分析[2]，回歸系數采用Cholesky分解法計算。當外界有強磁場時，兩根干簧管同時吸合，則判定為干擾或惡意磁攻擊，放棄該次計數，并關閥，蜂鳴器報警3聲，液晶顯示當前故障代碼，且遙控器啟動或查詢都不能打開閥門。當檢測10s（可設置）內無強磁干擾時，認為干擾磁場移開，才能開閥。軟件中累計磁攻擊的次數，當累計次數大于6以后，啟動或查詢都不能直接開閥，必須通過解鎖碼進行驗證后，才可清除故障記錄和故障次數記錄，然后開閥。當某根干簧管損壞（現象為常開，不能吸合；或常閉，一直吸合）則會出現強磁保護現象，另一根干簧管單獨吸合6次以后，則判定為干簧管損壞故障，控制操作同強磁場干擾，其中故障代碼值不同。

圖6 電源監測模塊

2.2 紅外通訊模塊與遙控器

由于燃氣表的安裝高度及環境有嚴格規定，對表體的操作全部使用遙控器完成，不需要用戶接觸表體，能夠避免表體外漏、密封性差、使用不便等問題。遙控器的設計如圖5所示，通過紅外通訊模塊發送數據，其發送的碼型結構為“引導碼+8位數據碼+8位數據反碼”，發送協議如圖7所示。

圖7 發送協議

2.3 故障分析功能的設計

本文故障分析功能有：當閥門狀態為關閉時，如果監測到流量脈沖則視為漏氣；如果80秒產生兩個有效的脈沖，則視為過流。每種故障出現時，均由蜂鳴器報警并以代碼形式在液晶屏上顯示，不但起到預警作用，能有效避免大型事故的發生，而且使管理人員通過電話詢問就可確定故障原因，然后根據計量收費管理信息系統出具的解決碼，指導居民自行解決問題，大大減少維護成本。

3 計量收費管理信息系統的架構與實現

計量收費管理信息系統采用三層分布式架構，如圖8所示。

數據層用于定義、維護數據的完整性、安全性，它響應邏輯層的請求訪問數據，本系統由SQL Server 2005來實現。

圖8 三層分布式結構

業務邏輯層是界面層和數據層的橋梁，它響應界面層的用戶請求，執行任務并從數據層獲取數據，將必要的數據傳送給界面層。它封裝了系統應用邏輯的業務對象，應用系統的大部分計算工作在此完成。本系統以Visual Basic.NET為開發工具，添加DM_ShareClass類庫。這種類是抽象類，實現細節放在具體子類中，構成一個抽象設計，不同的子類構成對設計的實現不同[3]。本系統設計13個子類來完成的功能。其中，Info類主要封裝各類基本信息，如姓名、編號、類型、小區名、表號、購買信息等；MNG類用來實現各種管理維護功能，包括增加、刪除、修改、查詢等；ManagerBase為按引用列集的遠程對象；ServerObjectMng為服務器對象服務類完成遠程對象的注冊操作；中間層與數據庫的連接由DataManager類完成，實現如下：

表示層又稱界面層，為用戶提供可視化界面，本文分為三個子系統，收費子系統的窗口設計與流程圖如圖9、圖10所示 。

4 結束語

圖9 收費窗口

圖10 收費子系統流程圖

遙控式數碼燃氣表計量收費系統已研制成功，相關技術取得了發明專利，并已投入生產運行，在實際應用中取得了良好效果。其創新點為：在數據交換過程中無需載體，不受外界干擾，避免了IC卡表的技術缺陷，提高了數據交換的安全性、可靠性；使用遙控器操作，簡單便捷；而且能夠與銀行、電信、移動等系統輕松接入，以多種形式出具購買明碼，為居民建立多種繳費和查詢途徑，能夠實現足不出戶、24小時隨時隨地交費購氣。有效解決了公共事業抄表難、收費難、管理難和節約用氣等問題。

[1] Denny Radford,New Spread Spectrum Technologies Enable Low Cost Control Application for Residential and Commercial Use,IntelLon corporation Technical Article,1997.

[2] Chen,X,Nguang. The Theoretical Basis of Heat Flux Sensor Pen[J].Journal of Applied Mathematics and Decision Sciences,2002,7(1):106-108.

[3] 賈靈.基于MSP430FW427的無磁水表設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2006,5.

[4] 張鑫,邱華.IC卡式熱能表充值系統的設計[J].儀器儀表用戶,2005,4.