IC卡加泄漏報警燃氣表技術分析

摘 要

摘要：論述了IC卡加泄漏報警燃氣表的技術原理、技術設計要點、產品組成及發展前景。關鍵詞：IC卡燃氣表；泄漏報警器；IC卡加泄漏報警燃氣表；智能燃氣表；電機閥門Technical Analysis o
摘要：論述了IC卡加泄漏報警燃氣表的技術原理、技術設計要點、產品組成及發展前景。
關鍵詞：IC卡燃氣表；泄漏報警器；IC卡加泄漏報警燃氣表；智能燃氣表；電機閥門
Technical Analysis of IC Card Gas Meter with Leakage Alarm
HU Yingzhao，LI Jianxia，WANG Yuqiang
Abstract：The technical principle，design key points，product composition and development prospect of IC card gas meter with leakage alarm are discussed.
Key words：IC card gas meter；leakage alarm；IC card gas meter with leakage alarm；intelligent gas meter；motor valve
1 概述
    據了解，目前還沒有要求安裝家用燃氣報警器的強制性國家規定，但有的地方政府已經邁開了要求強制安裝的腳步。政策的指導作用促使燃氣報警器市場迅速啟動、擴大。為抓住這一難得的市場機遇，我們將燃氣泄漏報警裝置和IC卡燃氣表組合到一起，設計開發了IC卡加泄漏報警燃氣表。在原IC卡燃氣表基礎上修改主控線路及電氣盒，增加燃氣泄漏報警器接口，用戶連接上燃氣泄漏報警器，即可實現燃氣計量的同時可以在室內燃氣超標時及時報警(液晶顯示屏顯示報警符號，蜂鳴器發出報警聲音)并控制燃氣表內電機閥門關閉，切斷氣源，保障用戶安全。由于泄漏切斷時使用燃氣表內電機閥門，省去了一個外置閥門，降低了成本。
2 IC卡加泄漏報警燃氣表的技術原理
    IC卡加泄漏報警燃氣表是在IC卡燃氣表上預留泄漏報警接口(見圖1)，根據用戶需要可與不同廠家的泄漏報警器匹配(見圖2)。當燃氣泄漏時，泄漏報警器輸出報警開關信號給IC卡加泄漏報警燃氣表，燃氣表的主控線路檢測到報警信號后迅速關閉表具內置的電機閥門。當排除燃氣泄漏故障后，用戶只需將自己的IC卡反向插入表內一次，就可以打開表內電機閥門，正常用氣。
 

3 IC卡加泄漏報警燃氣表技術設計
3.1 泄漏報警接口的設計
   報警控制電路及報警信號通信協議設計是該產品需要解決的關鍵技術。經過調研，我們發現不同廠家的泄漏報警器都可以輸出一個4.0～6.0V的開關信號。經過實驗，我們制定了如下通信協議：
    ① 通信線為兩線制，由泄漏報警器提供，線長及顏色由泄漏報警器廠家與燃氣公司協定。接頭為Φ2.1×Φ5.5×9.0mm的DC插頭，一端與泄漏報警器的通信線連接，一端連接燃氣表內主控線路板的DC插座，插頭內芯為信號線，外芯為信號地線。
   ② 信號為開關量信號。以下情況下泄漏報警器輸出報警信號(即低電平信號)：可燃氣體泄漏報警、環境溫度過高報警及測試泄漏報警器的聲光報警性能等狀態。其余情況下泄漏報警器輸出正常信號(高電平信號)：預熱狀態(泄漏報警器接通電源后3min預熱，此時無監控功能)、正常監控狀態。
    ③ 輸出正常信號(高電平信號)時泄漏報警器輸出電平范圍為4.0～6.0V，輸出內阻為20kΩ；輸出報警信號(低電平信號)時泄漏報警器輸出低電平，其實質是通過泄漏報警器內部的三極管對信號地短路，電壓、電阻為零。
    ④ IC卡燃氣表接到報警信號后關閉表內電機閥門，液晶顯示屏顯示“關閥”等信息，提示用戶采取措施。危險解除后，反插卡可開閥，正常用氣。
    ⑤ 泄漏報警接口電路見圖3、4。
 

3.2 數據的安全性設計
   該產品的另外一個關鍵技術是數據的安全性。目前市場上絕大多數IC卡燃氣表采用的是固定密碼，且一地燃氣公司使用的所有IC卡燃氣表均為同一密碼，一旦被電腦黑客解密，其損失將會不可估量。為保證燃氣供應商的利益不受損失，我們開發的燃氣表的表號和用戶IC卡的卡號一一對應，即一表一卡，不一致時卡內氣量不能寫入燃氣表，并且有密碼保護。IC卡燃氣表采用動態加密，使用戶之間的密碼各不相同。對每只IC卡燃氣表每售一次氣即改變一次其表內密碼，最大限度地保證其數據的安全性[1]。
    動態加密的基本方法是：每一個用戶新開戶時均由計算機產生一個隨機密碼，經用戶IC卡寫入IC卡表的儲存區中，且隨后由IC卡表內微處理器(CPU)將IC卡中密碼區內容清除。用戶下次購氣時，計算機又產生一新隨機密碼，用戶輸入氣量過程中，又將新的隨機密碼寫入IC卡表儲存區中，更新舊的隨機密碼，然后擦除IC卡中密碼內容。用戶每購一次氣，IC卡中密碼和表中密碼均動態改變一次，并且無規律可循，能較好地防御一些電腦黑客通過竊取IC卡密碼獲取不正當利益。
4 IC卡加泄漏報警燃氣表產品組成
4.1 IC卡加泄漏報警燃氣表組成
    IC卡加泄漏報警燃氣表由基表(也稱機械燃氣表)、計量傳感器、電機閥門、電子控制器(包括主控線路板和電氣盒)4部分組成，是具有預付費功能的燃氣計量裝置，具有精確記數功能、數據交換功能、電機閥門自動控制功能、非法操作處理功能、欠壓處理功能、掉電保護功能、數據液晶顯示與報警聲音提示功能等。其管理系統采用模塊化程序設計，界面友好，操作簡單。與普通IC卡燃氣表不同的是，它可以連接不同廠家的泄漏報警器，具有室內燃氣泄漏超標時報警并關閉表內電機閥門，切斷氣源的功能。
    基表(也稱機械燃氣表)：選用優質精準可靠的家用膜式燃氣表，常用規格為1.6、2.5、4.0m3/h三種。
    計量傳感器：計量傳感器是由兩個干簧管、兩片取樣線路板、三股導線(含三芯插頭)焊接而成，它安裝在基表的機械計數器架上，分布在字輪的上下兩邊，成為兩路傳感器，用三芯插頭插接到主控線路板上，把基表運行時計量的數據實時傳輸到主控線路板上，并在液晶顯示屏上顯示。設置的這兩路傳感器，只有依次檢測到兩路脈沖信號時才計量一個單位氣量，否則為故障情況處理，及時關閥斷氣。這種獨特的雙計數方式，保證了計量的準確性與可靠性，維護了燃氣公司和用戶的利益[2]。
    電機閥門：電機閥門采用進口微電機，齒輪螺桿傳動或自脫扣蝸桿式傳動結構，功耗極低，開關可靠，各項指標要達到國家有關標準要求。
   電子控制器：
   ① 主控線路板：包括印刷線路板、微處理器、液晶顯示屏、卡座、蜂鳴器等元器件，其中微處理器是主控線路板的核心部分。考慮到對燃氣表功耗、RAM容量、I/O口數量、硬件模塊及成本的需求，本產品選用Microchip公司的PIC16F72作為本燃氣表的主控芯片。
    ② 電氣盒：自主設計，協作加工，與機械燃氣表配套，簡潔一體美觀。因增加了泄漏報警器接頭，電氣盒重新根據具體的基表進行改造，即在原電氣盒側面加一泄漏報警預留端口，即接通主控線路板的DC-039M插座。
4.2 管理系統
    管理系統以計算機為主體，由IC卡讀寫器、打印機、接口軟件與信息管理軟件構成。應用程序結構采用C/S，模式既可以單機操作，也可以遠程聯網。服務器操作系統采用Windows 2000 Server，數據庫系統采用SQL Server 2000或Sybase SqlAnywhere，客戶機操作系統為Windows XP或Windows 2000 Professional。整個管理系統采用模塊化程序設計，界面友好，操作簡單。數據庫加密儲存，操作員權限設置明確、詳細，保障整個系統運行安全可靠。數據運算正確無誤，流程清晰，數據查詢方便快捷，打印報表準確完整。系統主要有用戶管理、售退氣管理、特殊卡管理、查詢、報表、系統維護6個功能模塊。燃氣公司營業部登錄該管理系統后，可對燃氣用戶進行開戶、售氣、換表、補卡、查詢等業務操作。用戶將存有購氣信息的IC卡插入燃氣表內即可開閥用氣[3]。
5 IC卡加泄漏報警燃氣表的技術優勢
    ① IC卡加泄漏報警燃氣表利用燃氣表的內置電機閥門進行泄漏報警時關閥斷氣，不需另外加裝切斷裝置，不僅減少了安裝工程量，更重要的是減少了一個燃氣泄漏的隱患點。
    ② 一般的可燃氣體泄漏報警裝置采用的切斷閥基本為非防爆型電磁閥或為電動機械臂切斷裝置，均使用220V交流工作電源。IC卡加泄漏報警燃氣表的內置電機閥門為本安型防爆電機閥門，工作電源為4～6V直流，且電機閥門的使用壽命不小于1×104次，更加安全可靠。
    ③ 數據動態加密方式是本產品的一個顯著優點。我們采用的隨機加密方式是一表一密碼，該密碼由系統按某算法隨機產生，無法跟蹤解密，且用戶每購一次氣，系統再產生一個新的隨機密碼替換原密碼，最大限度地限制了惡意解密的可能性，保護數據的安全。
6 結語
   IC卡加泄漏報警燃氣表研發成功后，自2010年9月投產，已使用4000只。通過對IC卡加泄漏報警燃氣表的設計開發和用戶的反饋情況來看，該產品可與不同廠家的泄漏報警器連接，在精確計量的同時可以在室內燃氣超標時報警，并及時關閉表內閥門，切斷氣源，保障用戶用氣安全。具有計量準確、安全可靠、使用方便、性價比高的特點，既降低了成本，又易于安裝，同時滿足了用戶裝修簡潔美觀要求，推廣應用前景十分廣闊。
參考文獻：
[1] 鐘長秀，倪建華，馬英.IC卡燃氣表在濟寧市的應用與發展[J].城市燃氣，2006(增刊)：33-36.
[2] 陳國勇，倪建華，馬英.IC卡燃氣表的可靠性探討[J].煤氣與熱力，2010，30(8)：B18-B20.
[3] 楊錚.IC卡燃氣表的現狀和發展趨勢[J].煤氣與熱力，2007，27(1)：34-36.
 
(本文作者：胡瑩昭1 李建霞1 王玉強2 1.濟寧華潤燃氣有限公司 藍威智能網絡中心 山東濟寧 272000；2.濟寧華潤燃氣有限公司 山東濟寧 272000)