摘要：城市的電力、供熱、供水、供氣、交通等公用系統，為滿足運行管理要求，需要對服務終端繳費進行實時監控，以確保市政服務系統經濟秩序的正常運行。然而，傳統的能源供應行業均實行先用后付費方式，造成了拖欠、抗交費，供收不平衡等弊端，嚴重地影響了供應方的經濟效益，制約了能源工業的發展。
1  引言  
    城市的電力、供熱、供水、供氣、交通等公用系統，為滿足運行管理要求，需要對服務終端繳費進行實時監控，以確保市政服務系統經濟秩序的正常運行。然而，傳統的能源供應行業均實行先用后付費方式，造成了拖欠、抗交費，供收不平衡等弊端，嚴重地影響了供應方的經濟效益，制約了能源工業的發展。  
    本裝置以微控器作為計控單元，引入ＩＣ卡技術對資源供應進行管理，改先用后付為先付后用，簡化了管理難度，從根本解決了上述問題。本裝置通過兩個RS-232標準方便的與數傳電臺、智能儀表等串行接口，從而構成實時有序的管理、監控系統。大大提高了對能源供應系統的運行管理水平，既確保了企業的直接經濟效益，又達到了充分利用資源的目的。其中，IC卡的管理，包括控制、數據交換、管理和統計報表打印等均可由供應方計算機來完成，便于管理。本裝置作為實時監控系統的關鍵性基礎部件，具有存儲容量大、數據保密性好、抗干擾能力強、操作簡便、速度快等優點，對整個系統的實現與性能具有重要意義。  
2  工作原理  
    本裝置由交流220V電源轉換成+5V單一電源供電，以PIC16C74單片機作為硬件電路核心，和IC卡讀卡接口電路、E2PROM、時鐘芯片、液晶顯示電路、功能按鍵接口、閥門驅動及串口擴展等外圍電路的串行數據通信，通過對其編程以實現對IC卡中存儲的數據的讀、寫，并產生脈沖信號對閥門進行開、關控制，集成度較高。用戶端可以根據需要，通過功能選擇鍵設定開關閥時間，時間顯示和供應量顯示3種功能，操作簡單方便。段式液晶顯示屏可直觀地顯示本裝置的運行狀態、時間、用戶IC卡內數據值。  
    裝置的工作方式可以設置成與智能儀表、計算機、數傳電臺等外部設備進行通信的全雙工異步系統，實現實時監控。單片機的串行端口的控制寄存器，可用來設置工作方式，發送或接收狀態、特征位、數據傳送的波特率以及接受、發送中斷標志位。串行端口的數據寄存器為發送和接收共有，滿足條件時，向數據寄存器中寫入數據就啟動發送過程, 反之讀數據寄存器就啟動接收過程。  
    本裝置有兩個RS-232標準串行接口，方便與外部設備進行串行通訊，并且可用于多機通訊。通訊方式可根據數據傳送的速度要求，用軟件設置來實現延時等待方式、查詢方式或中斷方式工作。其中，采用中斷方式完成數據的傳送可以更大限度地提高資源利用率。通過計算機直接或間接與單片機串行通訊，完成裝置與計算機等的信息交換，實現近地或遠程讀卡、控制操作。例如，本裝置與現場智能儀表、數傳電臺通過RS-232標準接口，讀入由現場智能儀表采集到的流量等相關數據，以及用戶預購剩余量，經初步處理后傳送給數傳電臺，由無線通訊方式，將數據傳輸給供應方的中央計算機作數據處理。計算機做出決策指令，再經由無線通訊將指令發送給本裝置，本裝置根據指令作相應控制。這樣就實現了遠程監控。  
3  系統硬件設計  
3.1  單片機PIC16C74   
    本裝置選用的PIC16C74是由美國Microchip公司生產的一種新型CMOS工藝8位EPROM型單片機，具有低功耗、低工作電壓、高性能、高速度、全靜態、較強的引腳直接驅動能力等特點。該單片機在靜態時處于低功耗休眠狀態，功耗小于3uA。當接收到外部指令、有IC卡操作或到達開關閥時間，單片機才由休眠狀態轉為工作狀態。它還具有片內上電復位、看門狗等安全保護電路。單片機采用串行通信方式與各外圍器件通訊，使硬件電路得到簡化，從而降低產品的成本。  
3.2  IC卡及讀寫接口電路   
    IC卡采用德國Simens公司生產的加密型智能卡SLE4442，該卡具有存儲能力為256字節的可編程E2PROM主存儲器和一個32位帶PROM功能的保護存儲器，其觸點配置和串行接口符合ISO7816標準，具備只有輸入正確的3字節可編程密碼(加密存儲區)后才能修改數據的特性。如果連續3次出現校驗錯誤，則卡自動鎖死，數據只能讀出，再也不能改寫。具有良好的機器讀寫性能、良好的安全防范技術。IC卡還具有抗磁性、抗靜電和抗各種射線干擾的能力，抗機械、化學破壞能力也很強。目前，該卡至少可擦寫106次, 有10年的數據保存期。  
    IC卡讀寫接口電路主要由ＩＣ卡卡座和保護電路構成，如圖1所示實現了PIC單片機和IC卡的物理連接，并對插卡進行保護。IC卡接口電路有8個引腳，當卡插入接口時，正好與這幾個引腳相連。卡座采用滑動觸點式，它有一個卡插入檢測開關，用來檢測ＩＣ卡是否插入卡座。當有卡插入時，改變開關的狀態, 使單片機能檢測到卡的插入。這種拔插式卡座具有電路接觸良好、通信可靠的優點。     
3.3  E2PROM數據存儲   
    本裝置用E2PROM來存儲機器號、實時數據、累計數據等關鍵數據。E2PROM選用的是美國microchip公司生產的24LC02B芯片，其存儲容量為256字節(若存儲量不夠，可選用24LC02B)，采用二線I2C串行總線協議與PIC單片機通訊。該芯片采用低功耗CMOS工藝制造，可以在無電源狀態下長期可靠存儲系統內重要數據，工作壽命可達106次。  
3.4  時鐘芯片   
    電路中采用時鐘芯片來產生系統時間，以實現定時控制功能。時鐘芯片選用的是美國DALLAS公司的高性能、低功耗帶RAM的實時時鐘芯片DS1302。該芯片能夠對秒、分、時、日、周、月、以及年進行計數，還能自動調整月末日期、能對閏年進行校正。  
3.5  段式液晶顯示電路   
    顯示模塊用于顯示當前系統時間、用戶設定的時間、預存剩余以及出錯信息等。顯示部分采用的是段式液晶顯示模塊，可以顯示8個數字和6組提示符。該模塊為反射式正顯示，用三線式串行接口與計算機進行通信。  
3.6  功能按鍵接口   
    電路中共設置了3個功能按鍵，提供了一個人機接口，主要用于設定時間，還能在時間顯示和供應量顯示間切換。  
3.7  閥門控制驅動電路   
    閥門驅動電路通過采用繼電器來控制閥的關閉、開啟。兩位三通電磁閥由直流6伏供電，采用脈沖控制，只在開啟和關閉的過程中才耗電。  
3.8  串口擴展接口電路及電平轉換、光電隔離電路    
    PIC16C74單片機芯片本身有一個二線制串行通信接口SCI，串口擴展電路采用MAX3100芯片又擴展了一個串行接口。采用美國MAXIM公司出品的單一＋5V供電的RS-232收發芯片MAX232實現電平轉換，把ＴＴＬ電平轉換成RS-232電平。同時，該芯片內部集成了光電隔離電路，無須外加光電隔離器件，既簡化了電路，有起了降低了信號干擾，確保了數據傳輸的準確性的作用。這樣，本裝置就具有了兩個RS-232標準串行通信接口，可以方便地與外設，如智能儀表、計算機、數傳電臺等實現串行數據通信，從而實現數據采集、數據管理及遠程監控等功能。  
4  系統功能設計  
4.1  預付費功能   
    用戶持IC卡到供應方預付費，管理部門在IC卡內寫入供應量，同時將用戶的供應量情況輸入系統計算機數據庫。用戶再將IC卡插入本裝置，才能開啟控制閥。當所購量用完時，控制閥會自動關閉, 即具備定量控制功能。  
4.2  分時計費   
    本裝置可以通過軟件編程，有效地實現分時計費控制。供應方可以劃分用量高峰時段(簡稱峰時段)、用量低谷時段(簡稱谷時段)、一般時段(簡稱平時段)等，不同的時段費用的單價((費率)不同，從而保證了用戶的利益。  
4.3  定量超額功能   
    當IC卡中的儲值不足時，可由供應方決定是否允許用戶超額使用一定量，如超出指定超額量，立即關閉控制閥，停止供應。用戶下次儲值時，在IC卡中將超額使用的供應量扣除，這樣既為用戶提供了方便，更主要是保證了供應方不受損失。  
4.4  顯示、定時控制功能  
    用戶可以查看時間、當前用量和購量。控制閥可以根據用戶通過功能按鍵設定開關控制閥的時間開啟或關閉。  
4.5  加密功能   
    用戶標識碼與裝在用戶處的IC卡計費控制裝置是唯一對應的。  
5  結束語  
    本裝置以微控器作為計控單元，采用IC卡作為存儲用戶數據的媒介，以可靠的加密系統保證了它的安全性和可靠性，具有智能化、集成化、結構緊湊、抗震性好、系統狀態直觀、使用方便等優點。經過一段時間在某熱電的試運行情況看，效果良好。同時該方法也可以廣泛地應用于市政部門水、電、氣，以及交通運輸、門禁等部門。