郭晉秦, 韓 焱, 董瑞玲

(1. 太原工業(yè)學(xué)院 自動(dòng)化系，太原 030008；2. 中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；3. 太原理工大學(xué) 繼續(xù)教育學(xué)院，太原 030024）

0 引言

自19世紀(jì)末我國出現(xiàn)城市煤氣以來，煤氣事業(yè)有了飛速發(fā)展。但在計(jì)量收費(fèi)方面，國內(nèi)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(fèi)嚴(yán)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(yù)付費(fèi)數(shù)據(jù)的交換載體[1]而誕生了IC卡煤氣表。起初IC卡燃?xì)獗硪蚓哂小跋冉诲X，再用氣”的預(yù)付費(fèi)功能而大受歡迎，但由于其“先天不足”，造成許多燃?xì)夤镜哪茉戳魇矢哌_(dá)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(shù)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(tài)；2）IC卡不易保管存在損耗，時(shí)間久了會(huì)出現(xiàn)刷卡失效、計(jì)量錯(cuò)誤等問題；3）IC卡技術(shù)已成為通用技術(shù)，存在復(fù)制卡、篡改數(shù)據(jù)、黑市交易等安全隱患；4）使用不便，受時(shí)間、地點(diǎn)限制，居民付費(fèi)買氣必須攜帶IC卡到指定地點(diǎn)才能交易。

隨著科技發(fā)展，遠(yuǎn)程抄表收費(fèi)系統(tǒng)和電力載波系統(tǒng)等紛紛問世。遠(yuǎn)程抄表收費(fèi)系統(tǒng)是在普通基表上加裝發(fā)訊裝置，將采集到的信號通過電纜線傳輸?shù)讲杉?，?jīng)處理后通過數(shù)據(jù)總線并聯(lián)，并與計(jì)算機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表[2]。它解決了人工抄表難的問題，但是成本高，安裝復(fù)雜，不能解決用戶拖欠費(fèi)問題。電力載波系統(tǒng)是通過采集終端將燃?xì)獗肀眍^數(shù)據(jù)調(diào)制后，通過電力線傳送，在接收端解調(diào)還原成表頭數(shù)字信號，在同一臺變壓器供電范圍內(nèi)用戶統(tǒng)一編址，并由采集器巡回讀寫。其優(yōu)點(diǎn)是利用電力線傳輸節(jié)省資源。但我國電力線路純凈度較差，在傳輸過程中經(jīng)常受無線電、電磁等干擾，特別是當(dāng)大功率家用電器啟動(dòng)時(shí)，瞬間產(chǎn)生極大的電流，造成干擾脈沖疊加在電網(wǎng)上，導(dǎo)致傳輸錯(cuò)碼、丟碼。

本文給出的遙控式數(shù)碼燃?xì)獗碛?jì)量收費(fèi)系統(tǒng)主要用于對管道煤氣、液化石油氣、天然氣等進(jìn)行計(jì)量、控制和交易結(jié)算管理。適合于“先付費(fèi)，后用氣”的集中供氣管理體系，不需卡載體，計(jì)量精確，安裝簡單，遙控操作使用便捷，且能夠與銀行、電信、網(wǎng)通、移動(dòng)、聯(lián)通等系統(tǒng)進(jìn)行接口以多種形式出具購買碼，為居民建立多種繳費(fèi)和查詢途徑，可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)足不出戶隨時(shí)隨地交費(fèi)購氣。

1 基于明碼交換預(yù)付費(fèi)技術(shù)的工作原理

本文系統(tǒng)由遙控式數(shù)碼燃?xì)獗?、?jì)量收費(fèi)管理信息系統(tǒng)組成。遙控式數(shù)碼燃?xì)獗碜鳛橛?jì)量終端，是在普通燃?xì)獗淼幕A(chǔ)上加裝遙控式數(shù)碼燃?xì)獗砜刂蒲b置，并配備遙控器而形成的新型燃?xì)獗?，具有先付費(fèi)后用氣、液晶顯示、遙控操作、計(jì)量精確、安全保密、欠壓關(guān)閥、應(yīng)急透支、狀態(tài)提示等功能。計(jì)量收費(fèi)管理信息系統(tǒng)為三層結(jié)構(gòu)的分布式應(yīng)用軟件，采用模塊化設(shè)計(jì)接口化開發(fā)，具有日常維護(hù)、檔案管理、交易結(jié)算、氣量查詢、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等功能。計(jì)量終端與管理信息系統(tǒng)之間采用明碼交換預(yù)付費(fèi)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

明碼交換預(yù)付費(fèi)技術(shù)是使用由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成的代碼來交換預(yù)付的購買數(shù)據(jù)及相關(guān)信息參數(shù)。明碼是指代替某種含義的數(shù)碼，對用戶可見，具有編碼和密碼的雙重含義，由計(jì)算機(jī)根據(jù)加密規(guī)則進(jìn)行編碼，再由計(jì)量終端控制裝置進(jìn)行解碼，編碼和解碼的一一對應(yīng)，從而用數(shù)字代碼完成交費(fèi)功能。在數(shù)據(jù)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(yù)付費(fèi)方式。

如圖1所示，用戶繳費(fèi)購氣時(shí)，通報(bào)戶名、購買量或其他相關(guān)信息就可付費(fèi)實(shí)現(xiàn)購買，獲得由計(jì)量收費(fèi)管理信息系統(tǒng)用加密算法生成一組數(shù)字明碼作為購買碼。然后，用遙控器向數(shù)碼燃?xì)獗磔斎朊鞔a完成充值。數(shù)碼燃?xì)獗碜詣?dòng)接收明碼并將其轉(zhuǎn)換為新購量等數(shù)據(jù)參數(shù)。數(shù)碼燃?xì)獗砜刂破髋c計(jì)量收費(fèi)管理信息系統(tǒng)總是保持對應(yīng)和同步，它將接收到的明碼進(jìn)行解碼校驗(yàn)，并同表內(nèi)各計(jì)量數(shù)據(jù)經(jīng)嚴(yán)密計(jì)算，轉(zhuǎn)換為具體的新的信息，如：剩余氣量、累計(jì)用量等。最后由此執(zhí)行多種控制指令，如：當(dāng)剩余量低于給定值時(shí)，自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警蜂鳴，提醒用戶購氣；當(dāng)剩余量為零時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉閥門，停止供氣；當(dāng)再次接收到正確明碼后，開閥通氣，透支氣量自動(dòng)核減。

圖1 明碼交換預(yù)付費(fèi)技術(shù)的應(yīng)用模式

由于數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算無需載體，明碼可由打印單據(jù)、語音播報(bào)、短信顯示或計(jì)算機(jī)界面顯示等多種途徑獲得，從而為居民24小時(shí)足不出戶繳費(fèi)、查詢提供了技術(shù)可行性。

2 遙控式數(shù)碼燃?xì)獗砜刂蒲b置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本控制裝置由八部分和遙控器構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 控制裝置的組成

2.1 主要模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

MCU采用MSP430F413單片機(jī)。它是一種超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機(jī)，具有豐富的片內(nèi)外圍，工作電壓為1.8V～3.6V，內(nèi)置液晶驅(qū)動(dòng)24×4段，可以縮小體積、降低成本，特別適合應(yīng)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(jī)驅(qū)動(dòng)，用于顯示氣量信息及狀態(tài)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(guī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加了必要的濾波器件。

圖3 液晶顯示界面

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊為集成在MCU中的信息flash，可進(jìn)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(yàn)和備份相結(jié)合的操作，flash A用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，flash B用于備份。當(dāng)一次效驗(yàn)有效時(shí)，寫數(shù)據(jù)到flash A，當(dāng)二次效驗(yàn)有效時(shí)，把flash A的數(shù)據(jù)備份到flash B，再進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。如圖4所示。

電源為四節(jié)1.5V干電池供電。電源模塊具有自行的防電源接反保護(hù)，回流保護(hù)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(shù)據(jù)校驗(yàn)、存儲(chǔ)流程圖

圖5 遙控器

流量采集模塊采用兩根干簧管雙保護(hù)的方法，以單片機(jī)下降沿中斷的方式進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，在硬件上匹配相應(yīng)的旁路電容，結(jié)合軟件處理進(jìn)行脈沖判斷，保證計(jì)量的精確性，解決磁場干擾問題，又實(shí)現(xiàn)干簧管損壞的自檢功能。干簧管為磁靈敏開關(guān)型傳感器，因此在基表計(jì)數(shù)撥碼盤低位上均勻嵌入2個(gè)微型磁鋼，再將一個(gè)干簧管安裝在碼盤附近，另一個(gè)安裝于靠近外殼處。采用雙干簧管輪詢計(jì)數(shù)方式，使采集數(shù)據(jù)和基表同步。當(dāng)0.01m3的燃?xì)鈴娜細(xì)獗砹鬟^時(shí)，兩根干簧管分別吸合一次視為一個(gè)有效脈沖，每個(gè)脈沖對應(yīng)0.1m3的氣量。單片機(jī)軟件根據(jù)有效脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)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(gè)流速下的脈沖波形進(jìn)行分析，用軟件進(jìn)行防抖動(dòng)處理，并根據(jù)最小二乘原理進(jìn)行多元線性回歸分析[2]，回歸系數(shù)采用Cholesky分解法計(jì)算。當(dāng)外界有強(qiáng)磁場時(shí)，兩根干簧管同時(shí)吸合，則判定為干擾或惡意磁攻擊，放棄該次計(jì)數(shù)，并關(guān)閥，蜂鳴器報(bào)警3聲，液晶顯示當(dāng)前故障代碼，且遙控器啟動(dòng)或查詢都不能打開閥門。當(dāng)檢測10s（可設(shè)置）內(nèi)無強(qiáng)磁干擾時(shí)，認(rèn)為干擾磁場移開，才能開閥。軟件中累計(jì)磁攻擊的次數(shù)，當(dāng)累計(jì)次數(shù)大于6以后，啟動(dòng)或查詢都不能直接開閥，必須通過解鎖碼進(jìn)行驗(yàn)證后，才可清除故障記錄和故障次數(shù)記錄，然后開閥。當(dāng)某根干簧管損壞（現(xiàn)象為常開，不能吸合；或常閉，一直吸合）則會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)磁保護(hù)現(xiàn)象，另一根干簧管單獨(dú)吸合6次以后，則判定為干簧管損壞故障，控制操作同強(qiáng)磁場干擾，其中故障代碼值不同。

圖6 電源監(jiān)測模塊

2.2 紅外通訊模塊與遙控器

由于燃?xì)獗淼陌惭b高度及環(huán)境有嚴(yán)格規(guī)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(shè)計(jì)如圖5所示，通過紅外通訊模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，其發(fā)送的碼型結(jié)構(gòu)為“引導(dǎo)碼+8位數(shù)據(jù)碼+8位數(shù)據(jù)反碼”，發(fā)送協(xié)議如圖7所示。

圖7 發(fā)送協(xié)議

2.3 故障分析功能的設(shè)計(jì)

本文故障分析功能有：當(dāng)閥門狀態(tài)為關(guān)閉時(shí)，如果監(jiān)測到流量脈沖則視為漏氣；如果80秒產(chǎn)生兩個(gè)有效的脈沖，則視為過流。每種故障出現(xiàn)時(shí)，均由蜂鳴器報(bào)警并以代碼形式在液晶屏上顯示，不但起到預(yù)警作用，能有效避免大型事故的發(fā)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(jù)計(jì)量收費(fèi)管理信息系統(tǒng)出具的解決碼，指導(dǎo)居民自行解決問題，大大減少維護(hù)成本。

3 計(jì)量收費(fèi)管理信息系統(tǒng)的架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

計(jì)量收費(fèi)管理信息系統(tǒng)采用三層分布式架構(gòu)，如圖8所示。

數(shù)據(jù)層用于定義、維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性、安全性，它響應(yīng)邏輯層的請求訪問數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)由SQL Server 2005來實(shí)現(xiàn)。

圖8 三層分布式結(jié)構(gòu)

業(yè)務(wù)邏輯層是界面層和數(shù)據(jù)層的橋梁，它響應(yīng)界面層的用戶請求，執(zhí)行任務(wù)并從數(shù)據(jù)層獲取數(shù)據(jù)，將必要的數(shù)據(jù)傳送給界面層。它封裝了系統(tǒng)應(yīng)用邏輯的業(yè)務(wù)對象，應(yīng)用系統(tǒng)的大部分計(jì)算工作在此完成。本系統(tǒng)以Visual Basic.NET為開發(fā)工具，添加DM_ShareClass類庫。這種類是抽象類，實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)放在具體子類中，構(gòu)成一個(gè)抽象設(shè)計(jì)，不同的子類構(gòu)成對設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)不同[3]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)13個(gè)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(qū)名、表號、購買信息等；MNG類用來實(shí)現(xiàn)各種管理維護(hù)功能，包括增加、刪除、修改、查詢等；ManagerBase為按引用列集的遠(yuǎn)程對象；ServerObjectMng為服務(wù)器對象服務(wù)類完成遠(yuǎn)程對象的注冊操作；中間層與數(shù)據(jù)庫的連接由DataManager類完成，實(shí)現(xiàn)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(gè)子系統(tǒng)，收費(fèi)子系統(tǒng)的窗口設(shè)計(jì)與流程圖如圖9、圖10所示 。

4 結(jié)束語

圖9 收費(fèi)窗口

圖10 收費(fèi)子系統(tǒng)流程圖

遙控式數(shù)碼燃?xì)獗碛?jì)量收費(fèi)系統(tǒng)已研制成功，相關(guān)技術(shù)取得了發(fā)明專利，并已投入生產(chǎn)運(yùn)行，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。其創(chuàng)新點(diǎn)為：在數(shù)據(jù)交換過程中無需載體，不受外界干擾，避免了IC卡表的技術(shù)缺陷，提高了數(shù)據(jù)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(dòng)等系統(tǒng)輕松接入，以多種形式出具購買明碼，為居民建立多種繳費(fèi)和查詢途徑，能夠?qū)崿F(xiàn)足不出戶、24小時(shí)隨時(shí)隨地交費(fèi)購氣。有效解決了公共事業(yè)抄表難、收費(fèi)難、管理難和節(jié)約用氣等問題。

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