基于IC卡的新型供暖計費系統(tǒng)設計

在我國北方地區(qū)，隨著冬季供暖由福利化變革為商品化，供暖熱能的商品化屬性越來越突出，現(xiàn)在人們已經(jīng)普遍承認熱能是商品。既然熱能是商品，那么其計量和購銷就應該更科學，更合理，更符合商品交換的規(guī)律。然而在實際供暖計費中，大多數(shù)地區(qū)仍采用按供暖建筑物的建筑面積計費的方式，這種計費方式的弊端主要表現(xiàn)在：用戶購買的是熱能卻需要按建筑面積計費，二者間換算關(guān)系不夠明確直接。在整個供暖過程中，用戶熱能的消耗不僅與采暖房間溫度的高低有關(guān)，而且受許多其他因素的影響，如環(huán)境溫度、房間保暖性能、單位面積散熱器數(shù)。也就是說同等面積的不同建筑物，達到相同的采暖溫度，所消耗的熱能是不同的。按建筑面積計費，必然造成消耗熱能不同付費卻相同，這既不利于計費的公平合理，也不利于節(jié)能減排。因此這里提出一種按熱能消耗量計費的供暖計費系統(tǒng)設計方案。

1 按熱能消耗量計費系統(tǒng)設計
實現(xiàn)按熱能消耗量計費，首先需要準確測量采暖用戶的熱能消耗量，根據(jù)物理熱力學定律，采暖消耗的熱能與流過散熱器的熱水的流量以及流進流出散熱器的熱水的溫度差成正比，設流進散熱器的水量為Mi(m3)，流出散熱器的水量為Mo(m3)，散熱器進口溫度為Ti(℃)，散熱器出口溫度為To(℃)，比例系數(shù)為C，消耗的熱能為Q。當Mi=Mo時，則有Q=CMo(Ti-To)；當Mi>Mo時，說明供熱水在用戶端有損耗，損耗也應計入熱能消耗，則有Q=CMo(Ti-To)+C(Mi-Mo)Ti；只要準確測量出Mi、Mo、Ti、To就可以計算出用戶消耗的熱能，再根據(jù)年度單位熱能的定價計算出用戶需要支付的采暖費用，從而實現(xiàn)按熱能消耗計費。
根據(jù)上述計費原理，本文給出的預付費式按熱能消耗計費的供暖計費系統(tǒng)的基本工作過程是：用戶在開始供暖前，預存一定金額到IC卡中，將IC卡插入用戶的計費終端上，計費系統(tǒng)讀取IC卡中寫入的預存金額和年度熱能單價，如果預存金額大于0，則計費系統(tǒng)控制步進電機將流量控制閥打開，開始供暖；同時啟動流量監(jiān)測和溫度監(jiān)測功能測量用戶端流進流出的流量以及進口出口的溫度，根據(jù)上述測得的參數(shù)，計算用戶的熱能消耗值和應付費金額，并從預付金額中扣除，當預付金額扣除到0時，系統(tǒng)控制步進電機關(guān)閉流量控制閥結(jié)束供暖，并用蜂鳴器提醒用戶充值IC卡。供暖過程中，用戶隨時可通過系統(tǒng)提供的4個鍵控制流量控制閥的開啟程度，一旦預付費扣除到0，該功能立即失效，以防止用戶自行打開閥門供暖。系統(tǒng)預留用戶流量調(diào)節(jié)功能，用戶可以根據(jù)自己的要求調(diào)整截閥開啟的程度，調(diào)整房間的溫度，這樣有利于降低用戶的采暖費用，節(jié)約能源減少排放。系統(tǒng)通過預置的監(jiān)控程序，檢測采暖面積內(nèi)供暖系統(tǒng)偷漏水情況，并對偷漏水情況做出提醒和記錄，從而保護熱能供應方的利益。
因此，需要該系統(tǒng)按一定時間間隔△t(如1min)實時采集如下數(shù)據(jù)：1)供暖系統(tǒng)進出口流量Mi、Mo；2)供暖系統(tǒng)進出口溫度Ti、To整個系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計
按熱能消耗量計費的供暖計費系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。用戶的預付費金額在年度供暖開始前由供暖企業(yè)寫入IC卡中，作為本年度提供供暖的條件；溫度測量模塊完成對用戶采暖系統(tǒng)進出口溫度的精確測量；流量測量模塊完成對用戶采暖系統(tǒng)進出口流量的測量；實時日歷模塊用于產(chǎn)生實時鐘，為系統(tǒng)工作以及工作情況的記錄提供時間依據(jù)；鍵盤、報警、顯示模塊為用戶提供人機交互手段，用戶通過它可以在供
暖開始后調(diào)整供熱水的流速，調(diào)整日歷、時鐘、顯示器用于顯示剩余金額等信息；中央控制單元用于采集IC卡、溫度、流量、鍵盤按鍵、時間等信息，通過對所有信息的處理，決定步進電機的工作，通過步進電機驅(qū)動模塊驅(qū)動步進電機執(zhí)行。

2．1 溫度測量電路
溫度測量電路原理圖如圖3所示，該電路用于將代表溫度的模擬電壓數(shù)字化，供中央控制單元讀取使用。Rt1、Rt2為Rt100鉑電阻溫度傳感器，該傳感器穩(wěn)定性和線性都較好，工作溫度范圍為-200～650℃，其電阻與溫度的關(guān)系為R=Ro(1+αT)，其中α＝0．003 851，Ro為100Ω，T為攝氏溫度。在實際使用時Rt100常作為不平衡橋中的一個橋臂，如圖3中的R1、R2、R3、Rt1和R4、R5、R6、Rt2分別組成橋路。其中R1=R2= R4=R5=3 kΩ，R3=R6=100 Ω，精度為O．1％，溫度系數(shù)25 ppm；以2．5 V的參考電源為橋路供電，這樣當溫度從0℃變到100℃時，橋路輸出電壓范圍為0～29．686 mV，溫度每變化0．1℃，輸出電壓近似變化29．5μV。鉑電阻的阻值偏小，在實際使用時應采用三線接法，以消除接線引入的測量誤差。R3、R6選取100 Ω，溫度大于0℃時，橋路輸出電壓大于0，從而滿足后面A／D轉(zhuǎn)換器輸入電壓大于0 V的需要。這里R1、R2、R4、R5的阻值給定3 kΩ，主要是考慮減輕U2的輸出負擔，此時每個橋路從U2中取的電流小于1．67 mA。