摘要：城市的电力、供热、供水、供气、交通等公用系统，为满足运行管理要求，需要对服务终端缴费进行实时监控，以确保市政服务系统经济秩序的正常运行。然而，传统的能源供应行业均实行先用后付费方式，造成了拖欠、抗交费，供收不平衡等弊端，严重地影响了供应方的经济效益，制约了能源工业的发展。
1 引言
城市的电力、供热、供水、供气、交通等公用系统，为满足运行管理要求，需要对服务终端缴费进行实时监控，以确保市政服务系统经济秩序的正常运行。然而，传统的能源供应行业均实行先用后付费方式，造成了拖欠、抗交费，供收不平衡等弊端，严重地影响了供应方的经济效益，制约了能源工业的发展。
本装置以微控器作为计控单元，引入ＩＣ卡技术对资源供应进行管理，改先用后付为先付后用，简化了管理难度，从根本解决了上述问题。本装置通过两个RS-232标准方便的与数传电台、智能仪表等串行接口，从而构成实时有序的管理、监控系统。大大提高了对能源供应系统的运行管理水平，既确保了企业的直接经济效益，又达到了充分利用资源的目的。其中，IC卡的管理，包括控制、数据交换、管理和统计报表打印等均可由供应方计算机来完成，便于管理。本装置作为实时监控系统的关键性基础部件，具有存储容量大、数据保密性好、抗干扰能力强、操作简便、速度快等优点，对整个系统的实现与性能具有重要意义。
2 工作原理
本装置由交流220V电源转换成+5V单一电源供电，以PIC16C74单片机作为硬件电路核心，和IC卡读卡接口电路、E2PROM、时钟芯片、液晶显示电路、功能按键接口、阀门驱动及串口扩展等外围电路的串行数据通信，通过对其编程以实现对IC卡中存储的数据的读、写，并产生脉冲信号对阀门进行开、关控制，集成度较高。用户端可以根据需要，通过功能选择键设定开关阀时间，时间显示和供应量显示3种功能，操作简单方便。段式液晶显示屏可直观地显示本装置的运行状态、时间、用户IC卡内数据值。
装置的工作方式可以设置成与智能仪表、计算机、数传电台等外部设备进行通信的全双工异步系统，实现实时监控。单片机的串行端口的控制寄存器，可用来设置工作方式，发送或接收状态、特征位、数据传送的波特率以及接受、发送中断标志位。串行端口的数据寄存器为发送和接收共有，满足条件时，向数据寄存器中写入数据就启动发送过程, 反之读数据寄存器就启动接收过程。
本装置有两个RS-232标准串行接口，方便与外部设备进行串行通讯，并且可用于多机通讯。通讯方式可根据数据传送的速度要求，用软件设置来实现延时等待方式、查询方式或中断方式工作。其中，采用中断方式完成数据的传送可以更大限度地提高资源利用率。通过计算机直接或间接与单片机串行通讯，完成装置与计算机等的信息交换，实现近地或远程读卡、控制操作。例如，本装置与现场智能仪表、数传电台通过RS-232标准接口，读入由现场智能仪表采集到的流量等相关数据，以及用户预购剩余量，经初步处理后传送给数传电台，由无线通讯方式，将数据传输给供应方的中央计算机作数据处理。计算机做出决策指令，再经由无线通讯将指令发送给本装置，本装置根据指令作相应控制。这样就实现了远程监控。
3 系统硬件设计
3.1 单片机PIC16C74
本装置选用的PIC16C74是由美国Microchip公司生产的一种新型CMOS工艺8位EPROM型单片机，具有低功耗、低工作电压、高性能、高速度、全静态、较强的引脚直接驱动能力等特点。该单片机在静态时处于低功耗休眠状态，功耗小于3uA。当接收到外部指令、有IC卡操作或到达开关阀时间，单片机才由休眠状态转为工作状态。它还具有片内上电复位、看门狗等安全保护电路。单片机采用串行通信方式与各外围器件通讯，使硬件电路得到简化，从而降低产品的成本。
3.2 IC卡及读写接口电路
IC卡采用德国Simens公司生产的加密型智能卡SLE4442，该卡具有存储能力为256字节的可编程E2PROM主存储器和一个32位带PROM功能的保护存储器，其触点配置和串行接口符合ISO7816标准，具备只有输入正确的3字节可编程密码(加密存储区)后才能修改数据的特性。如果连续3次出现校验错误，则卡自动锁死，数据只能读出，再也不能改写。具有良好的机器读写性能、良好的安全防范技术。IC卡还具有抗磁性、抗静电和抗各种射线干扰的能力，抗机械、化学破坏能力也很强。目前，该卡至少可擦写106次, 有10年的数据保存期。
IC卡读写接口电路主要由ＩＣ卡卡座和保护电路构成，如图1所示实现了PIC单片机和IC卡的物理连接，并对插卡进行保护。IC卡接口电路有8个引脚，当卡插入接口时，正好与这几个引脚相连。卡座采用滑动触点式，它有一个卡插入检测开关，用来检测ＩＣ卡是否插入卡座。当有卡插入时，改变开关的状态, 使单片机能检测到卡的插入。这种拔插式卡座具有电路接触良好、通信可靠的优点。
3.3 E2PROM数据存储
本装置用E2PROM来存储机器号、实时数据、累计数据等关键数据。E2PROM选用的是美国microchip公司生产的24LC02B芯片，其存储容量为256字节(若存储量不够，可选用24LC02B)，采用二线I2C串行总线协议与PIC单片机通讯。该芯片采用低功耗CMOS工艺制造，可以在无电源状态下长期可靠存储系统内重要数据，工作寿命可达106次。
3.4 时钟芯片
电路中采用时钟芯片来产生系统时间，以实现定时控制功能。时钟芯片选用的是美国DALLAS公司的高性能、低功耗带RAM的实时时钟芯片DS1302。该芯片能够对秒、分、时、日、周、月、以及年进行计数，还能自动调整月末日期、能对闰年进行校正。
3.5 段式液晶显示电路
显示模块用于显示当前系统时间、用户设定的时间、预存剩余以及出错信息等。显示部分采用的是段式液晶显示模块，可以显示8个数字和6组提示符。该模块为反射式正显示，用三线式串行接口与计算机进行通信。
3.6 功能按键接口
电路中共设置了3个功能按键，提供了一个人机接口，主要用于设定时间，还能在时间显示和供应量显示间切换。
3.7 阀门控制驱动电路
阀门驱动电路通过采用继电器来控制阀的关闭、开启。两位三通电磁阀由直流6伏供电，采用脉冲控制，只在开启和关闭的过程中才耗电。
3.8 串口扩展接口电路及电平转换、光电隔离电路
PIC16C74单片机芯片本身有一个二线制串行通信接口SCI，串口扩展电路采用MAX3100芯片又扩展了一个串行接口。采用美国MAXIM公司出品的单一＋5V供电的RS-232收发芯片MAX232实现电平转换，把ＴＴＬ电平转换成RS-232电平。同时，该芯片内部集成了光电隔离电路，无须外加光电隔离器件，既简化了电路，有起了降低了信号干扰，确保了数据传输的准确性的作用。这样，本装置就具有了两个RS-232标准串行通信接口，可以方便地与外设，如智能仪表、计算机、数传电台等实现串行数据通信，从而实现数据采集、数据管理及远程监控等功能。
4 系统功能设计
4.1 预付费功能
用户持IC卡到供应方预付费，管理部门在IC卡内写入供应量，同时将用户的供应量情况输入系统计算机数据库。用户再将IC卡插入本装置，才能开启控制阀。当所购量用完时，控制阀会自动关闭, 即具备定量控制功能。
4.2 分时计费
本装置可以通过软件编程，有效地实现分时计费控制。供应方可以划分用量高峰时段(简称峰时段)、用量低谷时段(简称谷时段)、一般时段(简称平时段)等，不同的时段费用的单价((费率)不同，从而保证了用户的利益。
4.3 定量超额功能
当IC卡中的储值不足时，可由供应方决定是否允许用户超额使用一定量，如超出指定超额量，立即关闭控制阀，停止供应。用户下次储值时，在IC卡中将超额使用的供应量扣除，这样既为用户提供了方便，更主要是保证了供应方不受损失。
4.4 显示、定时控制功能
用户可以查看时间、当前用量和购量。控制阀可以根据用户通过功能按键设定开关控制阀的时间开启或关闭。
4.5 加密功能
用户标识码与装在用户处的IC卡计费控制装置是唯一对应的。
5 结束语
本装置以微控器作为计控单元，采用IC卡作为存储用户数据的媒介，以可靠的加密系统保证了它的安全性和可靠性，具有智能化、集成化、结构紧凑、抗震性好、系统状态直观、使用方便等优点。经过一段时间在某热电的试运行情况看，效果良好。同时该方法也可以广泛地应用于市政部门水、电、气，以及交通运输、门禁等部门。
