非接触IC卡远传燃气表设计与实现

吴叶兰， 郑淑芳， 陈红军， 赵 瑾

（1.北京工商大学计算机与信息工程学院，北京 100048；2.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；3.北京淳堂科技有限公司，北京 100081）

非接触IC卡远传燃气表设计与实现

吴叶兰1，2， 郑淑芳1， 陈红军3， 赵 瑾1

（1.北京工商大学计算机与信息工程学院，北京 100048；2.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；3.北京淳堂科技有限公司，北京 100081）

针对接触式IC卡智能燃气表存在的问题，根据燃气计量收费的要求和特点，设计了以低功耗单片机为控制核心，以非接触式IC卡为信息载体的IC卡预付费智能燃气表.系统针对传统预付费燃气表只具有单一IC卡数据传输功能，增加了数据远传通信方式；在计量方式上给出了气量计量和金额计量两种方式，有效克服了燃气计量管理中存在的弊端.分析了系统工作原理，利用低功耗设计原则给出了系统的软硬件设计，并设计了数据通信协议.本设计已在实际产品中得到成功应用.

燃气表；非接触式智能卡；预付费；低功耗

1 系统工作原理

预付费燃气表收费系统主要由燃气表、数据传输网络以及数据中心组成.燃气表实现对用户用气量的计量、存储和传输.数据中心对接收的用户数据进行分析处理，实现数据的管理功能.为实现燃气表实时数据传输功能，本系统设计了两种数据传输方式：第一种是燃气表通过IC卡把用户数据传递给工作站数据库，工作站通过通信网络将数据传输到数据中心；第二种是燃气表可以采用RS-485总线与数据集中器相连，通过通信网络将数据传输到数据中心，该方式实现了燃气公司对燃气表的实时数据传输.本文主要讨论IC卡远传燃气表的设计及通信协议的设计.

IC卡远传燃气表工作原理如图1所示.它以机械式燃气表为基表，由光电或霍尔元件采样将基表的气体流量信号送给单片机进行处理，单片机将该信号与表内燃气量或金额进行计算，并与设定报警值进行比较，当减至设定报警值后，将发出提示信号并关阀一次以提醒用户提前购气；当用户再次插入空卡时气表会重新恢复供气，直到剩余气量（或金额）为零关闭阀门.如果燃气公司设置该系统具有透支功能，则即使剩余气量（或金额）减为负数后，只要未达到系统设定的透支值，用户可继续用气，当用户重新购买燃气后，系统会自动减去已透支部分.由于在设计中加入了对金额的扣除功能，随着燃气供需关系的变化，可以在表内对用户的用气量进行费用阶梯计价，以及实时更新价格，有利于燃气资源的合理、有效使用.

图1 IC卡远传燃气表工作原理图Fig.1 IC card remote gas meter work principle diagram

2 系统硬件设计

系统硬件电路包括低功耗单片机、计量传感器电路、阀门控制电路、卡座控制电路、电压测试电路、液晶显示屏、声音报警电路及通讯接口模块等.如图2所示.本系统低功耗单片机采用的是NEC公司的u78F0451［7］，它是一款常用于家用电器、仪器仪表的高性价比单片机；电源模块采用3节碱性电池串联方式提供4.5 V的电压，通过稳压芯片将4.5 V的电压稳压到3.3 V；计量模块采用双干簧管作为脉冲采集器件；低功耗单片机通过外围的计量模块、RF接口电路、阀门控制模块以及RS-485通讯接口模块等了解燃气表的运行状态，判断事件的发生并执行相应的动作，从而实现系统功能.

图2 系统硬件框图Fig.2 Block diagram of hardware

2.1 卡座控制电路设计

由于接触式IC卡电路留有IC卡卡槽，不可能做到完全密封，很容易受到破坏；并且IC卡卡槽也容易受到厨房环境的污染，从而影响燃气表的正常工作.因此，本设计采用非接触IC卡作为数据载体，具有控制器全密封、实现耐环境、抗恶意攻击等优势.

卡座控制电路采用MFRC522芯片［8］来实现. MFRC522是高度集成的非接触式（13.56 MHz）读写卡芯片，支持ISO 14443A／MIFARE卡，可实现与各种不同主机的接口功能，如SPI，UART及I2C等.卡座电路如图3所示.

MFRC522芯片与单片机采用SPI接口，单片机作为主机，MFRC522作为从机.单片机引脚P1.1（SCK），P1.2（MISO），P1.3（MOSI），P4.4（NSS）与MFPC522芯片的SPI引脚相连.为了降低系统功耗，电路采用了分时供电的方法：只有当检测到有IC卡靠近时，控制单片机引脚P2.1输出低电平，导通U7，为MFRC522芯片提供电源，其它情况下不为其提供电源.另外，该电路部分中的RF接口也通过控制单片机引脚P4.3的电平采用分时供电的方法，只有当需要检测是否有IC卡靠近时才为其提供电源，P1.4用来采样IC卡到位信号.

2014年农村水电工作的重点：一是全年新增装机200万kW，全面完成电气化、代燃料和增效扩容改造年度建设任务，力争启动农村水电直供电片区电网改造，积极引导当地农民以被占用的土地、山林补偿入股参与农村水电建设，分享发展成果。二是建立绿色小水电评价标准和管理制度，积极争取激励政策，落实配套措施，在规划、建设和运行全过程推进绿色小水电建设，保护生态环境。三是选择有一定规模和一定基础的1 000座电站开展安全生产标准化建设试点，发挥示范带动作用，加强安全监督，全面提升农村水电行业安全生产水平。四是探索建立农村水能资源产权制度，积极推行资源开发权有偿出让和市场化配置，提高资源配置效率和效果。

图3 非接触IC卡接口电路Fig.3 Non-contact IC card interface circuit

2.2 阀门控制电路设计

由于燃气表采用电池供电，对阀门的控制要求做到低功耗.阀门控制电路如图4所示，它由阀门驱动与反测阀门到位信号两部分构成.其中，Driv1和Driv2分别作为驱动阀门开和关的信号脚；单片机引脚P4.0和P4.1则用来控制电机接口中Driv1和Driv2的信号，实现阀门的开关；P2.4和P2.5分别作为阀门开和关到位信号输入引脚；P3.4为阀门控制模块供电，该模块同样采用了分时供电的方式，以降低功耗.

对阀门控制电路的测试包括：测试当控制阀门打开或关闭的引脚有信号输出时，电机接口是否有电压；测试当阀门打开或关闭后是否有到位信号.

图4 阀门控制电路Fig.4 Valve control circuit

3 数据通信协议设计

本系统中数据的传输可以通过非接触式IC卡和RS-485总线两种方式来实现，要分别对这两种方式进行数据通信协议设计.

3.1 IC卡通信协议设计

IC卡片采用MIFARE 1卡，该卡有8 kbit存储容量，16个扇区，每个扇区有4个数据块.每一块燃气表占用4个扇区，其中，第1、第2个扇区为指令区，第3、第4个扇区为返写区，如表1所示（见下页）.卡片数据的读写都需要进行密码认证，使用KEY A进行密码校验，为6字节密码.

一套预付费燃气系统中卡的种类有很多种，主要有两大类：用户卡和管理卡.用户卡是消费者使用的卡片；管理卡是燃气公司管理时使用的卡片，一般包括参数设置卡、检查卡、退气卡、转移卡、校时卡、密钥修改卡等.每种卡片都有其用途，需要进行数据项定义，现以用户卡为例进行描述.

用户卡由用户持有，用来完成缴费购气，首次购气的称为开户卡，购气卡中包含的数据有：分区号、用户号、报警值、充值限额、透支限额、最低消费额、购买值，如表2所示（见下页）.通过购气卡返回的数据有：燃气表表号、剩余值、累计用气量、气表工作状态字及月用气量等.

表1 卡片数据结构说明Tab.1 Data structure specifications of card

表2 用户卡指令区数据项定义Tab.2 Data specifications in instruction area of user card

3.2 RS-485通信数据帧定义

RS-485通信协议按照DLT645-1997通信协议执行，其传输帧格式为：帧起始符+控制码+数据长度域+数据域+校验码+结束符.

在系统中，485通信帧包括抄收数据帧、参数设置帧、冻结指令帧、冻结数据抄收帧及阀门控制帧等.集中器在向燃气表发送命令帧前，首先发送三字节的EFH，用来唤醒燃气表中的单片机，之后接着发送命令帧.如果在20 s之内没有收到燃气表的应答帧或接收到的应答帧错误，则集中器将再次发送命令帧.如果连发3次没有得到应答或应答错误，说明通信错误，集中器停止和此燃气表的数据通信.表3为抄表命令帧的数据项定义.

表3 命令帧数据项定义Tab.3 Data specifications of command frame

4 系统软件设计

4.1 系统软件功能设计

目前单片机的主流编程语言有汇编语言和C语言.这两种语言在嵌入式开发中可以单独使用，也可以混合使用.由于本系统的主控芯片u78F0451的RAM和FLASH容量相对较少，为节省代码空间，实现对资源的合理利用，本系统软件采用汇编语言，在PM+开发环境下，采用模块化思想进行设计.系统软件功能分为主程序模块、电源管理模块、IC卡通信模块、RS-485通信模块和燃气表功能模块5大部分，如图5所示.系统的软件程序固化在u78F0451单片机的内部FLASH存储器中.

4.2 主程序设计

系统主程序由初始化和主循环两大部分组成.其中，主循环是程序的主体，具体功能则通过调用相应的子程序来实现.当系统上电后，首先进行系统初始化，然后将FLASH中的本机数据读出，判断是否满足打开阀门的条件，满足条件后打开阀门，在液晶屏（LCD）上显示本机参数，最后系统进入低功耗模式，等待气流脉冲、插卡等中断唤醒.主程序流程图如图6所示.

主体循环程序主要实现485通信、磁干扰、IC插卡、电池电压检测、开关阀以及更新FLASH的检测和处理.

图5 软件功能模块图Fig.5 Block diagram of software

图6 系统主程序流程图Fig.5 Flow chart of sytem′s main program

由于系统采用电池为电源，故具有低功耗的特点.低功耗有两种模式：HALT模式和STOP模式.在HALT模式中，CPU操作时钟停止，但高速系统时钟振荡器、内部高速振荡器、内部低速振荡器或副系统时钟振荡器可以继续使用，所以，其工作电流不如STOP模式下降得多；而在STOP模式中，高速系统时钟振荡器和内部高速振荡器停止操作，整个系统的操作停止，这样CPU的工作电流将会大幅下降（比HALT模式小得多）.在本系统中，采用STOP模式，主循环程序结束后，进入STOP模式，等待中断唤醒.

5 系统测试

系统总体测试包括功能测试、低功耗测试和强度测试三大部分.其中，低功耗测试是对系统中各模块能耗进行测量，如表4所示.从表4中可以看出，电源电压检测模块能耗由两部分组成：一是实时检测电池电压，以检测电池是否被取出；二是每12天对电池进行放电检测，能耗约为60 mA，但该模块大部分时间都处于休眠状态；卡座和阀门模块能耗约为47～48 mA，它们只在需要时才处于工作状态，其余大部分处于休眠态；蜂鸣、LCD显示模块等也仅在需要的情况下才使用.因此，在正常工作状态下，系统大部分时间的电流消耗约为

本系统采用3节碱性电池串联方式来提供电源，通过分析系统的整体功耗，假定单节电池放电到1.2 V左右时系统就不能正常工作了，计算出燃气表工作时间可达到3～6年.

表4 系统中各模块的能耗测试Tab.4 Energy consumption test of system modules

6 结束语

设计了一个以预收费为目的的非接触IC卡智能燃气表，论述了智能IC卡燃气表的设计方案、工作原理、系统软硬件设计及数据通信协议等内容.通过软硬件联合调试，对系统进行了总体测试，结果表明，该设计各项指标都达到了预定要求，具有功能全面、运行稳定及可靠性高等优点，适应燃气表市场的需求.本设计的特色及创新之处在于：改进了传统IC卡燃气表数据通信方式，增加了RS-485数据远传通信方式；在软硬件设计中采取了分区供电、分时供电的方式，实现了系统低功耗，延长了电池使用寿命；在计量方式上进行了创新，克服了传统表只能对用气量进行计量的局限性，设计了对金额的计量，能有效避免囤气现象，以更有效地利用资源.本设计已在实际中得到很好的应用，其方法对其它流量计的设计具有很强的借鉴性.

［1］ 张涛.IC卡燃气表及燃气预收费方式的发展趋势［J］.中国计量，2010（1）：58-60.

［2］ Khan T H，Paul T K，Shahabuddin G M，et al.Towards design of a smart prepaid gas metering system［C］∥International Conference on Innovations in Information Technology.2009：55-59.

［3］ 王洪庆.低功耗预付费智能燃气表的研制［J］.制造业自动化，2009，31（12）：185-188.

［4］ 王伟，冯良.低功耗IC卡燃气表的设计与开发［J］.煤气与热力，2006，26（4）：31-34.

［5］ 崔洋，姜宇，钟丽鸿，等.数字远传燃气表的低功耗设计与实现［J］.传感技术学报，2010，23（2）：209-214.

［6］ 陈永江，徐纯森，蔡敏，等.基于WSN技术的燃气表远程抄表系统设计［J］.仪表技术与传感器，2007（4）：66 -67.

［7］ NEC corporation.NEC 78K0R／IB3 datasheet［DB／OL］.［2009-09-01］.http：∥www.mcudata.com／Webmaster／NECdanpianji／2009／0901／3724.html.

［8］ Philips corporation.MFRC522.pdf datasheet［DB／OL］.［2011-12-14］.http：∥www.nxp.com／documents／data_sheet／MFRC522.pdf.

（编辑：石 瑛）

Design and Implement of Non-contact IC Card and Remote Gas Meter

WUYe-lan1，2， ZHENGShu-fang1， CHENHong-jun3， ZHAOJin1
（1.College of Computer and Information Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China；2.School of Mechanical and Vehicle Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；3.Beijing Chuntang Technology Co Ltd，Beijing 100081，China）

Considering the present situation and exisiting problems in IC card gas meter，based on the requirement and characteristics of gas charging，a non-contact IC card prepayment intelligent gas meter was designed，taking low-power MCU as a control core.The system offers the remote data communication function to solve the problem that the traditional prepayment gas meter has only the single function of IC card data transmission.To overcome the shortcoming of the present gas charging management，two forms of measurement were designed，including money measure and magnitude measure.The system principle was intriduced，the hardware and software were designed in accordance with the low-power design principle and the data communication protocols were provided.The system has been applied in the practical products successfully.

gas meter；non-contact IC card；prepayment；low-power consumption

TP 29

A

1007-6735（2013）04-0367-06

2012-10-30

北京市属高等学校人才强教计划资助项目（PHR201108088）

吴叶兰（1970-），女，副教授.研究方向：仪器仪表、嵌入式技术应用.E-mail：wyl315＠sina.com.cn