摘  要： 為預(yù)付費(fèi)采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)了用于供熱中心主管部門依卡購熱的IC卡購熱系統(tǒng)，IC卡讀寫器主控芯片為單片機(jī)STC89C52RC，通過串口(或USB接口)與上位機(jī)通信，上位機(jī)軟件采用LabVIEW開發(fā)，使用LabSQL實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)庫的管理。
關(guān)鍵詞： LabVIEW；LabSQL；數(shù)據(jù)庫；IC卡；購熱

　隨著政府和個(gè)人對(duì)節(jié)能環(huán)保的重視程度越來越高，住宅供熱系統(tǒng)按熱量消耗單獨(dú)計(jì)費(fèi)以及根據(jù)室內(nèi)溫度調(diào)控?zé)崃抗┙o成為當(dāng)前研究的熱門問題。而用于供暖主管部門的預(yù)付費(fèi)購熱系統(tǒng)也配套產(chǎn)生。不同于IC卡購買天然氣、水和電，采暖購熱由于供暖部門存在市政統(tǒng)一供暖、社區(qū)獨(dú)立供暖等多種形式，同時(shí)熱量的傳遞也不同于水、電和天然氣，損耗因環(huán)境影響大，因此無法采用全國甚至全市的統(tǒng)一收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格來講收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)取決于當(dāng)?shù)毓┡杀?包括燃料、維護(hù)、管理等)以及供暖系統(tǒng)的供熱效率等因素。如通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定單一收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，不但無法確保公平，更有悖于國家對(duì)供暖節(jié)能的初衷。同時(shí)供暖費(fèi)用相對(duì)水、電等具有區(qū)域性、時(shí)效性、集中消費(fèi)等特點(diǎn)，一年僅有幾個(gè)月的供暖需求，且費(fèi)用較高，因此還應(yīng)在系統(tǒng)中考慮到用戶退費(fèi)的因素，而退費(fèi)的資費(fèi)應(yīng)參照其繳費(fèi)時(shí)的資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)而不應(yīng)是退費(fèi)時(shí)的當(dāng)時(shí)資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，傳統(tǒng)的IC卡預(yù)付費(fèi)系統(tǒng)已無法適應(yīng)熱計(jì)量計(jì)費(fèi)的需求。
　供熱計(jì)費(fèi)系統(tǒng)由流量計(jì)、入水口/出水口溫度傳感器組成，微控制器按一定周期采集實(shí)時(shí)的流量和溫度差，用以計(jì)算產(chǎn)生的費(fèi)用[1]，計(jì)算公式如式(1)。其中M為t1~t2時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的用熱費(fèi)用；K為供熱系數(shù)，由地方供熱部門根據(jù)各地實(shí)際情況確定；Tin、Tout為入水口、出水口溫度；I為當(dāng)時(shí)測量的流速。

　而一旦供熱計(jì)費(fèi)系數(shù)有了區(qū)域和時(shí)段的變化，則類似水(電、氣)卡的將購買的水(電、氣)量存入卡內(nèi)的方式將帶來以下幾種弊端：
　(1)各區(qū)域預(yù)付費(fèi)購熱系統(tǒng)的不兼容：如A區(qū)的用戶無法到B區(qū)購熱。
　(2)用戶退費(fèi)可能造成資費(fèi)不一致：如去年的系數(shù)不同于今年。
針對(duì)上述弊端，本文提出了將實(shí)際購熱的金額與當(dāng)時(shí)該區(qū)確定的供熱計(jì)費(fèi)系數(shù)同時(shí)存入用戶熱量卡內(nèi)的方案，同時(shí)購熱系統(tǒng)依靠用戶信息數(shù)據(jù)庫與區(qū)域供熱系數(shù)數(shù)據(jù)庫綁定用戶熱量卡，從而克服上述不足。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　如圖1所示，硬件系統(tǒng)為USB接口的IC卡讀寫器，所選單片機(jī)采用宏晶公司的STC89C52RC。STC89C52RC功耗低(工作電流4~7 mA)、抗干擾能力強(qiáng)(3.4~5.5 V可工作，抗2 000 V快速脈沖干擾)、自動(dòng)加密、讀寫壽命長，且通過串口即可下載程序，方便了日后的升級(jí)。IC卡芯片為西門子的SLE4442[2]，與單片機(jī)依靠I2C協(xié)議進(jìn)行通信。與上位機(jī)的接口采用USB口，通過凌陽公司的UART-USB芯片SPCP825A實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)UART到電腦終端的數(shù)據(jù)傳輸[3]。USB口更能方便地為讀寫器系統(tǒng)提供所需的5 V電源，而全系統(tǒng)的5 V供電要求則省去了電源管理芯片。

2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)
　單片機(jī)主要完成如下主要任務(wù)：
　(1)讀取IC卡內(nèi)信息：用戶ID號(hào)、余額、用戶卡內(nèi)供熱系數(shù)等。
　(2)將卡內(nèi)信息傳到上位機(jī)軟件。
　(3)按照上位機(jī)指令對(duì)IC卡進(jìn)行寫操作：IC卡初始化(含注銷)、充值、修改ID號(hào)、修改計(jì)費(fèi)系數(shù)等。
　該系統(tǒng)中，由于IC卡購熱屬于預(yù)付費(fèi)業(yè)務(wù)，且資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)暫時(shí)無法統(tǒng)一并固定。為了避免用熱費(fèi)用調(diào)整以及退費(fèi)帶來的誤差，本系統(tǒng)暫確定卡內(nèi)存儲(chǔ)的為交納的金額而不是購買的熱量值，同時(shí)在每次充卡操作時(shí)將最新的熱量計(jì)算系數(shù)寫入卡內(nèi)，確保用戶在新的用熱周期接受新的熱量資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，而退費(fèi)時(shí)則直接按余額退費(fèi)，不需要進(jìn)行費(fèi)用－熱量的計(jì)算。
2.1 數(shù)據(jù)定義
　IC卡內(nèi)的數(shù)據(jù)包括用戶ID號(hào)、金額、系數(shù)等相關(guān)信息，具體定義如表1所示。

　ID號(hào)為用戶的唯一標(biāo)識(shí)碼，對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)庫內(nèi)的用戶基本信息，如姓名、聯(lián)系電話、家庭住址和郵政編碼等信息，金額與供熱系數(shù)均采用4 B以浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)格式存放。由于單片機(jī)讀取IC卡只能以I2C協(xié)議按字節(jié)讀取，為了讀取方便，定義了一個(gè)浮點(diǎn)型與數(shù)組的共同體，程序如下：
typedef union  
{    
float f；
long l；
uchar M[4]；   
}EX_TYPE；
EX_TYPE a，b，c；  //a，b，c分別用于
ID、金額、系數(shù)三個(gè)變量
這樣，變量的計(jì)算和判斷時(shí)，用長整型a.l、浮點(diǎn)型b.f和c.f；涉及到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，則直接處理數(shù)組a.M[4]、b.M[4]和c.M[4]即可。
2.2 程序設(shè)計(jì)
　單片機(jī)程序如圖2所示，單片機(jī)將UART、中斷等初始化后，進(jìn)入休眠模式，等待上位機(jī)指令，接收到讀卡指令則讀取IC卡信息并按“ID號(hào)、金額、系數(shù)”的順序上傳到上位機(jī)，接收到寫卡的指令后將接收到的數(shù)據(jù)信息按順序存入a.M[4]、b.M[4]和c.M[4]三個(gè)數(shù)組，并更新IC卡內(nèi)數(shù)據(jù)。在讀卡和寫卡時(shí)都要校驗(yàn)IC卡的加密位，如沒有插卡或校驗(yàn)未通過則向上位機(jī)發(fā)送錯(cuò)誤代碼。IC卡的讀寫為I2C協(xié)議，IC卡芯片SLE4442是以字節(jié)方式存儲(chǔ)，其中ID號(hào)為長整型數(shù)據(jù)，金額與系數(shù)均為浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，上述三個(gè)參數(shù)各占4 B。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
　上位機(jī)軟件利用LabVIEW開發(fā)。LabVIEW是美國國家儀器公司推出的一種虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，也是目前國際上應(yīng)用最廣的虛擬儀器開發(fā)工具之一。作為一種圖形化編程語言(G語言)，LabVIEW能把復(fù)雜、繁瑣的語言編程簡化為用菜單和圖標(biāo)提示的程序流程“繪制”方式，其主要用于數(shù)據(jù)采集、儀器控制、過程監(jiān)控等領(lǐng)域[4]。針對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問則利用LabVIEW用戶開發(fā)的免費(fèi)LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問工具包LabSQL。LabSQL利用Microsoft ADO和SQL語言來完成數(shù)據(jù)庫訪問，它將復(fù)雜的底層ADO及SQL操作封裝成一系列的LabSQL VIs，用戶只需要了解各個(gè)VIs的接口及其所實(shí)現(xiàn)的功能就可以實(shí)現(xiàn)所有的數(shù)據(jù)庫操作，簡單易用[5]。
軟件主要實(shí)現(xiàn)如下主要功能：
　(1)讀取用戶卡內(nèi)ID號(hào)、金額、供熱系數(shù)。根據(jù)用戶ID號(hào)從數(shù)據(jù)庫中提取用戶資料以及歷史充值退費(fèi)記錄并分別顯示。
　(2)為新建用戶添加數(shù)據(jù)庫、分配ID號(hào)并將ID信息寫入用戶卡內(nèi)。
　(3)修改用戶資料并保存到數(shù)據(jù)庫。
　(4)注銷用戶。
　(5)添加充值或退費(fèi)的數(shù)據(jù)庫記錄并對(duì)IC卡金額內(nèi)容進(jìn)行修改。
　(6)向卡內(nèi)寫入新的供熱系數(shù)。
　數(shù)據(jù)庫涉及用戶信息表單和充值退費(fèi)記錄表單，由用戶ID號(hào)關(guān)聯(lián)。用戶信息表單包括了編號(hào)(用作用戶ID號(hào)，為主鍵)、姓名、聯(lián)系電話、家庭住址和郵政編碼等字段，充值退費(fèi)記錄表單含有編號(hào)(主鍵)、用戶ID號(hào)、時(shí)間、充值金額、退費(fèi)金額以及備注等字段。數(shù)據(jù)庫選用Microsoft Office Access 2003。
　由于整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是與下位機(jī)系統(tǒng)的串行通信和上位機(jī)數(shù)據(jù)庫管理，因此，主要使用了LabVIEW中設(shè)備IO類(Instrument IO)中的的串口子模塊(Serial)和數(shù)據(jù)庫類(LabSQL)的記錄操作等函數(shù)(表2)。圖3為主程序框圖，其中Case Structure由前面板的一組按鍵形成的二進(jìn)制值進(jìn)行選擇，分別實(shí)現(xiàn)了讀卡、創(chuàng)建、保存、注銷、充值、退費(fèi)等任務(wù)。在讀卡程序中，率先通過串口向下位機(jī)發(fā)送讀卡指令并讀出數(shù)據(jù)，將讀到的數(shù)據(jù)字符串轉(zhuǎn)換為無符號(hào)字節(jié)數(shù)組，每4 B通過強(qiáng)制轉(zhuǎn)換函數(shù)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為“長整形、單精度浮點(diǎn)、單精度浮點(diǎn)”格式分別賦予ID號(hào)、卡內(nèi)余額和供熱系數(shù)。利用ID號(hào)的傳遞，將數(shù)據(jù)庫用戶信息表單中該ID號(hào)的記錄按不同字段顯示在前面板各個(gè)文本框內(nèi)[6]，同時(shí)在充值退費(fèi)記錄表單中將所屬該ID號(hào)的充值、退費(fèi)信息顯示在前面板的列表內(nèi)。需要說明的是，為了數(shù)據(jù)安全，用戶ID號(hào)并不顯示在前面板中，僅在后臺(tái)程序中使用。
用戶管理管理子程序主要包括對(duì)用戶的創(chuàng)建、修改保存和注銷，不但要對(duì)數(shù)據(jù)庫用戶信息表單中相應(yīng)記錄的添加、修改或刪除，還要對(duì)IC卡進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置ID號(hào)或重新初始化等操作。創(chuàng)建用戶模塊僅完成了添加記錄操作，需要操作人員將新用戶個(gè)人信息添加到前面板后點(diǎn)擊保存以啟動(dòng)保存模塊，即將該記錄的其他字段進(jìn)行保存，同時(shí)將ID號(hào)、金額和系數(shù)按字符串格式通過串口發(fā)送到讀寫器用來燒寫IC卡。注銷時(shí)則刪除當(dāng)前記錄，并向串口發(fā)出約定字符串以對(duì)IC卡初始化。

　充值和退費(fèi)兩個(gè)子程序?qū)?duì)充值退費(fèi)記錄表單進(jìn)行操作，按照ID號(hào)、時(shí)間、充值金額或退費(fèi)金額添加充值或退費(fèi)的記錄，時(shí)間由獲取日期的模塊(Get Date/Time String)獲得。同時(shí)將數(shù)據(jù)字符串以“ID號(hào)、金額、系數(shù)”的格式發(fā)送到下位機(jī)用于更新IC卡數(shù)據(jù)，充值時(shí)將充值金額與IC卡余額的和作為金額字符串，退費(fèi)時(shí)則將金額賦0。
　IC卡預(yù)付費(fèi)購熱系統(tǒng)，通過直接存儲(chǔ)計(jì)費(fèi)系數(shù)應(yīng)對(duì)供暖計(jì)費(fèi)的復(fù)雜性、時(shí)效性和地域性帶來的資費(fèi)難統(tǒng)一和供暖季結(jié)束退費(fèi)等實(shí)際問題，硬件電路設(shè)計(jì)要充分考慮成本因素。而LabVIEW軟件簡易直觀的編程環(huán)境以及對(duì)于硬件系統(tǒng)更好的適應(yīng)性，大大縮短了以串口通信為主的購熱系統(tǒng)的開發(fā)周期，同時(shí)該系統(tǒng)應(yīng)用于數(shù)據(jù)庫管理的部分并不是十分復(fù)雜，目前僅有兩個(gè)表單的基本操作，盡管LabVIEW對(duì)于數(shù)據(jù)庫的訪問并不是強(qiáng)項(xiàng)，但其免費(fèi)的工具包LabSQL則能輕而易舉地實(shí)現(xiàn)上述要求，后續(xù)的如對(duì)于用戶住址創(chuàng)建字典庫以將ID號(hào)字段更完善的管理等需求都能夠得到LabSQL直觀、簡易的支持，這些后續(xù)功能有待日后不斷完善。
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