基于IC卡的新型供暖计费系统设计

在我国北方地区，随着冬季供暖由福利化变革为商品化，供暖热能的商品化属性越来越突出，现在人们已经普遍承认热能是商品。既然热能是商品，那么其计量和购销就应该更科学，更合理，更符合商品交换的规律。然而在实际供暖计费中，大多数地区仍采用按供暖建筑物的建筑面积计费的方式，这种计费方式的弊端主要表现在：用户购买的是热能却需要按建筑面积计费，二者间换算关系不够明确直接。在整个供暖过程中，用户热能的消耗不仅与采暖房间温度的高低有关，而且受许多其他因素的影响，如环境温度、房间保暖性能、单位面积散热器数。也就是说同等面积的不同建筑物，达到相同的采暖温度，所消耗的热能是不同的。按建筑面积计费，必然造成消耗热能不同付费却相同，这既不利于计费的公平合理，也不利于节能减排。因此这里提出一种按热能消耗量计费的供暖计费系统设计方案。

1 按热能消耗量计费系统设计
实现按热能消耗量计费，首先需要准确测量采暖用户的热能消耗量，根据物理热力学定律，采暖消耗的热能与流过散热器的热水的流量以及流进流出散热器的热水的温度差成正比，设流进散热器的水量为Mi(m3)，流出散热器的水量为Mo(m3)，散热器进口温度为Ti(℃)，散热器出口温度为To(℃)，比例系数为C，消耗的热能为Q。当Mi=Mo时，则有Q=CMo(Ti-To)；当Mi>Mo时，说明供热水在用户端有损耗，损耗也应计入热能消耗，则有Q=CMo(Ti-To)+C(Mi-Mo)Ti；只要准确测量出Mi、Mo、Ti、To就可以计算出用户消耗的热能，再根据年度单位热能的定价计算出用户需要支付的采暖费用，从而实现按热能消耗计费。
根据上述计费原理，本文给出的预付费式按热能消耗计费的供暖计费系统的基本工作过程是：用户在开始供暖前，预存一定金额到IC卡中，将IC卡插入用户的计费终端上，计费系统读取IC卡中写入的预存金额和年度热能单价，如果预存金额大于0，则计费系统控制步进电机将流量控制阀打开，开始供暖；同时启动流量监测和温度监测功能测量用户端流进流出的流量以及进口出口的温度，根据上述测得的参数，计算用户的热能消耗值和应付费金额，并从预付金额中扣除，当预付金额扣除到0时，系统控制步进电机关闭流量控制阀结束供暖，并用蜂鸣器提醒用户充值IC卡。供暖过程中，用户随时可通过系统提供的4个键控制流量控制阀的开启程度，一旦预付费扣除到0，该功能立即失效，以防止用户自行打开阀门供暖。系统预留用户流量调节功能，用户可以根据自己的要求调整截阀开启的程度，调整房间的温度，这样有利于降低用户的采暖费用，节约能源减少排放。系统通过预置的监控程序，检测采暖面积内供暖系统偷漏水情况，并对偷漏水情况做出提醒和记录，从而保护热能供应方的利益。
因此，需要该系统按一定时间间隔△t(如1min)实时采集如下数据：1)供暖系统进出口流量Mi、Mo；2)供暖系统进出口温度Ti、To整个系统的示意图如图1所示。

2 系统硬件设计
按热能消耗量计费的供暖计费系统原理框图如图2所示。用户的预付费金额在年度供暖开始前由供暖企业写入IC卡中，作为本年度提供供暖的条件；温度测量模块完成对用户采暖系统进出口温度的精确测量；流量测量模块完成对用户采暖系统进出口流量的测量；实时日历模块用于产生实时钟，为系统工作以及工作情况的记录提供时间依据；键盘、报警、显示模块为用户提供人机交互手段，用户通过它可以在供
暖开始后调整供热水的流速，调整日历、时钟、显示器用于显示剩余金额等信息；中央控制单元用于采集IC卡、温度、流量、键盘按键、时间等信息，通过对所有信息的处理，决定步进电机的工作，通过步进电机驱动模块驱动步进电机执行。

2．1 温度测量电路
温度测量电路原理图如图3所示，该电路用于将代表温度的模拟电压数字化，供中央控制单元读取使用。Rt1、Rt2为Rt100铂电阻温度传感器，该传感器稳定性和线性都较好，工作温度范围为-200～650℃，其电阻与温度的关系为R=Ro(1+αT)，其中α＝0．003 851，Ro为100Ω，T为摄氏温度。在实际使用时Rt100常作为不平衡桥中的一个桥臂，如图3中的R1、R2、R3、Rt1和R4、R5、R6、Rt2分别组成桥路。其中R1=R2= R4=R5=3 kΩ，R3=R6=100 Ω，精度为O．1％，温度系数25 ppm；以2．5 V的参考电源为桥路供电，这样当温度从0℃变到100℃时，桥路输出电压范围为0～29．686 mV，温度每变化0．1℃，输出电压近似变化29．5μV。铂电阻的阻值偏小，在实际使用时应采用三线接法，以消除接线引入的测量误差。R3、R6选取100 Ω，温度大于0℃时，桥路输出电压大于0，从而满足后面A／D转换器输入电压大于0 V的需要。这里R1、R2、R4、R5的阻值给定3 kΩ，主要是考虑减轻U2的输出负担，此时每个桥路从U2中取的电流小于1．67 mA。