遥控式数码燃气表计量收费系统的研究与设计

郭晋秦, 韩 焱, 董瑞玲

(1. 太原工业学院 自动化系，太原 030008；2. 中北大学 电子测试技术国家重点实验室，太原 030051；3. 太原理工大学 继续教育学院，太原 030024）

0 引言

自19世纪末我国出现城市煤气以来，煤气事业有了飞速发展。但在计量收费方面，国内却一直延用原始落后的入户查收方式。存在入户难度大、成本高、纠纷多、拖欠费严重、资金回收周期长等问题，不仅给居民生活造成不便，还存在入室抢劫、偷盗、行凶等安全隐患。这些弊端一直在困扰着人们。从1994年开始，IC卡作为预付费数据的交换载体[1]而诞生了IC卡煤气表。起初IC卡燃气表因具有“先交钱，再用气”的预付费功能而大受欢迎，但由于其“先天不足”，造成许多燃气公司的能源流失率高达20%以上。目前，不论是IC卡表、射频卡表、TM卡表等都存在以下技术缺陷：1）表体的卡口部位存在隐患，对外部攻击和干扰很难防范，特别是通过对卡口施加电压可造成电路瘫痪，致使在无余款的情况下阀门仍处于开启状态；2）IC卡不易保管存在损耗，时间久了会出现刷卡失效、计量错误等问题；3）IC卡技术已成为通用技术，存在复制卡、篡改数据、黑市交易等安全隐患；4）使用不便，受时间、地点限制，居民付费买气必须携带IC卡到指定地点才能交易。

随着科技发展，远程抄表收费系统和电力载波系统等纷纷问世。远程抄表收费系统是在普通基表上加装发讯装置，将采集到的信号通过电缆线传输到采集器，经处理后通过数据总线并联，并与计算机通讯实现远程抄表[2]。它解决了人工抄表难的问题，但是成本高，安装复杂，不能解决用户拖欠费问题。电力载波系统是通过采集终端将燃气表表头数据调制后，通过电力线传送，在接收端解调还原成表头数字信号，在同一台变压器供电范围内用户统一编址，并由采集器巡回读写。其优点是利用电力线传输节省资源。但我国电力线路纯净度较差，在传输过程中经常受无线电、电磁等干扰，特别是当大功率家用电器启动时，瞬间产生极大的电流，造成干扰脉冲叠加在电网上，导致传输错码、丢码。

本文给出的遥控式数码燃气表计量收费系统主要用于对管道煤气、液化石油气、天然气等进行计量、控制和交易结算管理。适合于“先付费，后用气”的集中供气管理体系，不需卡载体，计量精确，安装简单，遥控操作使用便捷，且能够与银行、电信、网通、移动、联通等系统进行接口以多种形式出具购买码，为居民建立多种缴费和查询途径，可实现24小时足不出户随时随地交费购气。

1 基于明码交换预付费技术的工作原理

本文系统由遥控式数码燃气表、计量收费管理信息系统组成。遥控式数码燃气表作为计量终端，是在普通燃气表的基础上加装遥控式数码燃气表控制装置，并配备遥控器而形成的新型燃气表，具有先付费后用气、液晶显示、遥控操作、计量精确、安全保密、欠压关阀、应急透支、状态提示等功能。计量收费管理信息系统为三层结构的分布式应用软件，采用模块化设计接口化开发，具有日常维护、档案管理、交易结算、气量查询、报表统计等功能。计量终端与管理信息系统之间采用明码交换预付费技术进行数据交换。

明码交换预付费技术是使用由计算机自动生成的代码来交换预付的购买数据及相关信息参数。明码是指代替某种含义的数码，对用户可见，具有编码和密码的双重含义，由计算机根据加密规则进行编码，再由计量终端控制装置进行解码，编码和解码的一一对应，从而用数字代码完成交费功能。在数据交换过程中无需载体，不受外界干扰，避免了IC卡存在的安全隐患，是安全可靠的一种预付费方式。

如图1所示，用户缴费购气时，通报户名、购买量或其他相关信息就可付费实现购买，获得由计量收费管理信息系统用加密算法生成一组数字明码作为购买码。然后，用遥控器向数码燃气表输入明码完成充值。数码燃气表自动接收明码并将其转换为新购量等数据参数。数码燃气表控制器与计量收费管理信息系统总是保持对应和同步，它将接收到的明码进行解码校验，并同表内各计量数据经严密计算，转换为具体的新的信息，如：剩余气量、累计用量等。最后由此执行多种控制指令，如：当剩余量低于给定值时，自动产生报警蜂鸣，提醒用户购气；当剩余量为零时，自动关闭阀门，停止供气；当再次接收到正确明码后，开阀通气，透支气量自动核减。

图1 明码交换预付费技术的应用模式

由于数据传递和交易结算无需载体，明码可由打印单据、语音播报、短信显示或计算机界面显示等多种途径获得，从而为居民24小时足不出户缴费、查询提供了技术可行性。

2 遥控式数码燃气表控制装置的设计与实现

本控制装置由八部分和遥控器构成，如图2所示。

图2 控制装置的组成

2.1 主要模块的设计与实现

MCU采用MSP430F413单片机。它是一种超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机，具有丰富的片内外围，工作电压为1.8V～3.6V，内置液晶驱动24×4段，可以缩小体积、降低成本，特别适合应用在各种要求低功耗的场所。

液晶显示模块采用定制的段码式液晶屏，直接由单片机驱动，用于显示气量信息及状态信息如图3所示。液晶显示作为输入输出的接口界面，具有重要作用，为提高显示效果，在常规设计的基础上增加了必要的滤波器件。

图3 液晶显示界面

数据存储模块为集成在MCU中的信息flash，可进行10万次以上擦写，分A、B两段。为提高可靠性，采用二次效验和备份相结合的操作，flash A用于数据存储，flash B用于备份。当一次效验有效时，写数据到flash A，当二次效验有效时，把flash A的数据备份到flash B，再进行数据存储。如图4所示。

电源为四节1.5V干电池供电。电源模块具有自行的防电源接反保护，回流保护等功能。匹配0.47法拉的超级电容，以支持用户自行更换电池的操作，如图5所示。

图4 数据校验、存储流程图

图5 遥控器

流量采集模块采用两根干簧管双保护的方法，以单片机下降沿中断的方式进行电路设计，在硬件上匹配相应的旁路电容，结合软件处理进行脉冲判断，保证计量的精确性，解决磁场干扰问题，又实现干簧管损坏的自检功能。干簧管为磁灵敏开关型传感器，因此在基表计数拨码盘低位上均匀嵌入2个微型磁钢，再将一个干簧管安装在码盘附近，另一个安装于靠近外壳处。采用双干簧管轮询计数方式，使采集数据和基表同步。当0.01m3的燃气从燃气表流过时，两根干簧管分别吸合一次视为一个有效脉冲，每个脉冲对应0.1m3的气量。单片机软件根据有效脉冲个数进行剩余量的自减及累积量的自增。为提高流量采集的精确性，对各个流速下的脉冲波形进行分析，用软件进行防抖动处理，并根据最小二乘原理进行多元线性回归分析[2]，回归系数采用Cholesky分解法计算。当外界有强磁场时，两根干簧管同时吸合，则判定为干扰或恶意磁攻击，放弃该次计数，并关阀，蜂鸣器报警3声，液晶显示当前故障代码，且遥控器启动或查询都不能打开阀门。当检测10s（可设置）内无强磁干扰时，认为干扰磁场移开，才能开阀。软件中累计磁攻击的次数，当累计次数大于6以后，启动或查询都不能直接开阀，必须通过解锁码进行验证后，才可清除故障记录和故障次数记录，然后开阀。当某根干簧管损坏（现象为常开，不能吸合；或常闭，一直吸合）则会出现强磁保护现象，另一根干簧管单独吸合6次以后，则判定为干簧管损坏故障，控制操作同强磁场干扰，其中故障代码值不同。

图6 电源监测模块

2.2 红外通讯模块与遥控器

由于燃气表的安装高度及环境有严格规定，对表体的操作全部使用遥控器完成，不需要用户接触表体，能够避免表体外漏、密封性差、使用不便等问题。遥控器的设计如图5所示，通过红外通讯模块发送数据，其发送的码型结构为“引导码+8位数据码+8位数据反码”，发送协议如图7所示。

图7 发送协议

2.3 故障分析功能的设计

本文故障分析功能有：当阀门状态为关闭时，如果监测到流量脉冲则视为漏气；如果80秒产生两个有效的脉冲，则视为过流。每种故障出现时，均由蜂鸣器报警并以代码形式在液晶屏上显示，不但起到预警作用，能有效避免大型事故的发生，而且使管理人员通过电话询问就可确定故障原因，然后根据计量收费管理信息系统出具的解决码，指导居民自行解决问题，大大减少维护成本。

3 计量收费管理信息系统的架构与实现

计量收费管理信息系统采用三层分布式架构，如图8所示。

数据层用于定义、维护数据的完整性、安全性，它响应逻辑层的请求访问数据，本系统由SQL Server 2005来实现。

图8 三层分布式结构

业务逻辑层是界面层和数据层的桥梁，它响应界面层的用户请求，执行任务并从数据层获取数据，将必要的数据传送给界面层。它封装了系统应用逻辑的业务对象，应用系统的大部分计算工作在此完成。本系统以Visual Basic.NET为开发工具，添加DM_ShareClass类库。这种类是抽象类，实现细节放在具体子类中，构成一个抽象设计，不同的子类构成对设计的实现不同[3]。本系统设计13个子类来完成的功能。其中，Info类主要封装各类基本信息，如姓名、编号、类型、小区名、表号、购买信息等；MNG类用来实现各种管理维护功能，包括增加、删除、修改、查询等；ManagerBase为按引用列集的远程对象；ServerObjectMng为服务器对象服务类完成远程对象的注册操作；中间层与数据库的连接由DataManager类完成，实现如下：

表示层又称界面层，为用户提供可视化界面，本文分为三个子系统，收费子系统的窗口设计与流程图如图9、图10所示 。

4 结束语

图9 收费窗口

图10 收费子系统流程图

遥控式数码燃气表计量收费系统已研制成功，相关技术取得了发明专利，并已投入生产运行，在实际应用中取得了良好效果。其创新点为：在数据交换过程中无需载体，不受外界干扰，避免了IC卡表的技术缺陷，提高了数据交换的安全性、可靠性；使用遥控器操作，简单便捷；而且能够与银行、电信、移动等系统轻松接入，以多种形式出具购买明码，为居民建立多种缴费和查询途径，能够实现足不出户、24小时随时随地交费购气。有效解决了公共事业抄表难、收费难、管理难和节约用气等问题。

[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] 贾灵.基于MSP430FW427的无磁水表设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2006,5.

[4] 张鑫,邱华.IC卡式热能表充值系统的设计[J].仪器仪表用户,2005,4.