傳統(tǒng)的煤氣表的收費是由抄表人員走進千家萬戶的居民家中讀取煤氣表數(shù)據(jù)，然后計算當月用量。計算出應(yīng)收費用后再向用戶收取。這樣的過程存在著工作量大收費時間長、效率低等問題。更主要的問題是由于用戶及其它方面的原因。往往不能按時收費，造成用戶對燃氣供應(yīng)方的資金拖欠等。采用預(yù)付費煤氣表，使用戶與燃氣供應(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題，也有利于住宅小區(qū)實現(xiàn)智能化物業(yè)管理。當前國內(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)付費煤氣表，但是此類表中的IC卡觸點在櫥房等易污染的環(huán)境中長期使用，會造成接觸不良的現(xiàn)象。由價格較低的非接觸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)付費煤氣表的功能
非接觸式IC卡預(yù)付費煤氣表是采用目前現(xiàn)成的機械式煤氣表為基表。通過光電或霍爾元件將基表的氣體流量信號取出并轉(zhuǎn)換成電信號輸入單片機進行處理，并與表內(nèi)已由IC卡預(yù)先讀入E²PROM 中的預(yù)置值進行計算并扣除相應(yīng)量，在預(yù)置值減至最小設(shè)定值后表將發(fā)出提示信號提醒用戶提前購氣，否則預(yù)置值減為零后將關(guān)閉氣閥，直至用戶重新購買的用氣量經(jīng)IC卡讀入煤氣表后才會重新開閥供氣。隨著燃氣供需關(guān)系的變化，可以在表內(nèi)設(shè)計有實時時鐘電路，對用戶的用氣量進行費用分時計價這樣可引導(dǎo)用戶避開用氣高蜂時間用氣，實現(xiàn)燃氣供應(yīng)方對用戶在每日24 h內(nèi)按供氣的高峰與低谷點在不同的時間段以不同的價格收費，有利于燃氣能源的合理有效利用。
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、串行E²PROM及串行實時時鐘電路、閥門控制等組成。
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)計中應(yīng)當認真考慮。該表中選用3，6 V 1，2 A的高能量鋰電池供電，其存儲壽命可達6年。電路設(shè)計中為使功耗降到最低，單片機89C2051在不用氣時及用氣計數(shù)時間間隔內(nèi)均運行于掉電方式，一塊標稱流量為4m3／h的城鎮(zhèn)居民戶的煤氣表，當脈沖信號以0，01 為單位計數(shù)時，最大流量時也只在每9 s才產(chǎn)生一個計數(shù)信號，而實際使用中往往達不到如此流量，在每個計數(shù)信號作用時單片機僅運行30ms時間，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IC卡操作時(一個月或更長時間)才工作一次，因此平時可由單片機控制使它不供電，由于大多數(shù)的機械表為金屬殼體，對射頻信號有屏蔽作用，因此可在表殼上開一個類似接觸卡的讀卡槽(但無觸點)，當需要讀寫卡時，將卡插入槽內(nèi)，槽底部有一個小開關(guān)觸發(fā)單片機接通IC卡讀寫電路的電源，卡讀寫完后，無論卡是否從槽內(nèi)取出，IC卡讀寫電路都會斷電，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論結(jié)構(gòu)、成本及體積等方面的特殊優(yōu)點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)過一個簡單的DC-DC升壓后為它供電，通過一個安裝在卡槽側(cè)面直徑約3.5 cm的電感線圈對卡進行讀寫。
F5550 IC卡是一種可靠性較好的可進行邏輯加密的射頻(RF)串行IC卡，其可存儲的數(shù)據(jù)量為28字節(jié)?？煞譃?塊，每塊4字節(jié)并附加l位寫保護位，用于塊寫保護，除外還有4字節(jié)32位的加密口令。同時配合其可編程的模式操作控制中對射頻信號的載波頻率、調(diào)制方式及，al3R功能的編程，可保證數(shù)據(jù)的安全性，以實現(xiàn)一卡一表的對應(yīng)關(guān)系，用戶與用戶之間不能互使用?？砂垂δ茉O(shè)計為用戶卡與超級用戶卡，用戶卡發(fā)給用戶用來購氣，卡上記錄為購氣預(yù)置值(金額)，超級用戶卡由燃氣供應(yīng)方的管理人員使用，用來對煤氣表的內(nèi)部參數(shù)調(diào)整和設(shè)置，如定期的實時時鐘調(diào)整(校對時間)，高峰時與低谷時的單價調(diào)整，與基表同步的內(nèi)部初始值的設(shè)定等。單片機內(nèi)部有一個與基表同步的計數(shù)值，當用戶每次將所購氣的預(yù)置值(金額)讀入表內(nèi)的同時，表內(nèi)的這一計數(shù)值會自動回寫到卡上，這樣，用戶再到燃氣供應(yīng)方指定的購氣點購氣時，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，可使燃氣供應(yīng)方檢查監(jiān)督用戶燃氣及表的使用情況，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、串行E²PROM及串行實時時鐘電路
單片機采用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處于睡眠狀態(tài)，功耗可降到最低，取自基表的計數(shù)脈沖信號將單片機從睡眠中喚醒，當完成一個計數(shù)的操作過程后，又進入睡眠狀態(tài)，用戶不用氣時及在基表的計數(shù)脈沖的間隔內(nèi)使單片機處于睡眠狀態(tài)。由于AT89C2051單片機只能用復(fù)位的方式才能從睡眠狀態(tài)喚醒，因此可將計數(shù)脈沖加在它的復(fù)位端，即每來一個計數(shù)信號，單片機口u復(fù)位一次，程序運行一次，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然后單片機就進入掉電(睡眠)狀態(tài)。同樣，IC卡槽內(nèi)讀卡開關(guān)信號也是加在復(fù)位端的，但不同之處是它同時還產(chǎn)生一個脈寬大于復(fù)位脈沖并滯后于復(fù)位脈沖的信號作用于P1.0端，如圖2所示。
采用這樣的工作方式，一方面可以利用AT89C2051單片機掉電工作方式，單片機實際上常期處于睡眠狀態(tài)使功耗降為極低。另一方面讀卡信號和復(fù)位信號是由復(fù)位端注入，可以使單片機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用來保存流量計數(shù)值、單價、高峰與低谷的切換時間以及其它的中間參數(shù)等。采用24(181串行存儲器芯片，該芯片具有256字節(jié)的存儲容量，為二線式I²C總線串行接口，數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)為10萬次，數(shù)據(jù)保存時間為100年。串行時鐘同樣用I²C串行接口芯片PCF8583，該芯片內(nèi)部具有實時時種功能，時鐘運行不需單片機管理，并能夠保證一定的走時精度。
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)閉時才耗電，平時靜止狀態(tài)不耗電，通過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
煤氣表的軟件部分由兩個分支程序組成，即計數(shù)與IC卡讀寫兩部分。這兩部分由復(fù)位后根據(jù)P1，0端的信號狀態(tài)而決定產(chǎn)生相應(yīng)的分支，計數(shù)部分是先將前次脈沖計數(shù)所得運算結(jié)果從E²PROM中讀出，包括高峰時低谷時的不同單價、高峰與低谷的切換時間、實時時鐘與基表同步的累計量。分時計費的方法就是先由峰谷切換時間將每日24 h劃分為不同的時間段，由實時時間確定當前時間段是高峰期還是低谷期，并根據(jù)運行標志判別前次計數(shù)信號累計與當前時間是否在同一時間段內(nèi)，如相同，則只進行該時間段內(nèi)的累計計數(shù)，然后程序結(jié)束。如不相同，則根據(jù)前一次時間段的用氣單價進行用氣費用結(jié)算并由表內(nèi)預(yù)置值中遞減扣除，新的時間段累計清零后重新計數(shù)。當余值小于設(shè)定最小值時，發(fā)出報警信號提醒用戶購氣，此后如最小值低于零時關(guān)閉閥門停止供氣。程序結(jié)束時將所有數(shù)據(jù)寫回E²POM中。
IC卡讀寫部分首先校對看口令是否正確，如正確后根據(jù)卡上的標識字區(qū)分用戶卡與超級用戶卡；如果是用戶卡則將購氣的預(yù)置值讀入表內(nèi)，并與表內(nèi)原有的剩余值進行正負累計，然后將表內(nèi)的氣體累計流量回寫到卡上，以便用戶下次購氣時與管理系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。如果是超級用戶卡根據(jù)其不同功能，如：初始化卡、校時卡、調(diào)價卡等，完成相應(yīng)的讀寫功能。
4 結(jié)束語
目前，國內(nèi)原來生產(chǎn)機械式煤氣表的企業(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為成本最低的非接觸IC卡系統(tǒng)來實現(xiàn)的，而其它的非接觸IC卡，如MIFARE卡等，其讀寫裝置的成本遠遠高于上述表中所選的E5550卡。因此，選用E5550卡是實現(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)點則是很突出的。上述其它部分的軟硬件的設(shè)計方法實踐證明也是很有意義的。