现在常用的供热计量系统存在着计量不合理也不准确等缺点，由此引发的物业与业主间的纠纷时有发生。因此，将热作为一种商品出售，计费必须像水费、电费一样方便准确。这势必要求供热计量系统技术革新，从而推动供热工作快速健康发展。改革目前仅仅按面积进行热计量收费的现状，在住宅内进行集中供热分户计量。这是建筑节能、提高室内供热质量、加强采暖系统智能化管理的一项重要措施[1]。
无线射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术是从上世纪80年代起走向成熟的一项自动识别技术。主要是使用无线通信来唯一地识别对象或人，是当今发展最快的自动数据采集技术之一。与其他自动识别系统一样，它也是由信息载体和信息获取装置组成。为实现对物体的识别，无线射频技术采用射频方式进行非接触双向通信，同时将采集到的相关信息通过无线技术进行传输[2]。
RFID组件分为硬件组件和软件组件。硬件组件包括RFID标签、识读器、天线和主机；软件组件包括RFID系统软件、中间件和应用软件[3-4]。
RFID技术现已被广泛应用于交通运输、管理监控、商业自动化、工业自动化等领域。与其他无线通信技术相比，它具有功耗小、成本低、穿透能力强、抗干扰能力强、传输速度快、传输距离远和使用寿命长等优点。
我国目前的采暖计量系统相当落后，没有公平、合理的计量系统，热价和收费方式仅仅基于供热面积。导致用户虽然交同样多的钱，却因为楼层高低、房屋阴阳面不同，使用户室内温度不同，获得的热量不同。这种不合理现象使用户对当前供暖收费非常失望。同时按供暖面积收费也严重影响了供暖企业的积极性，造成供暖质量下降，也引起用户的不满，拒缴取暖费的现象比较普遍，由此在供需之间形成恶性循环。由于按面积收取暖气费，即使房屋没有人居住，暖气也不能停。供暖部门根据当年用户缴纳的采暖费购买煤炭，即使所收采暖费过多，也不会再退还用户，会出现暖气过热的现象。因此，在能源问题突出的今天，采暖系统必须采取措施，对热进行计量[5]。故采暖费按实际使用的热量收费势在必行。
我们在新型供热计量系统设计中应用了RFID技术，将热量表与识读器结合，识读器通过读取射频卡的信息，来进一步操纵热量表的锁闭阀。该计量系统实现用热预交费，即用户向带电子标签的射频卡中预先存入热费。射频卡的成本低，便于大规模生产，识读器能同时识别多个射频卡，操作快捷方便，又不会出现人为的错误。对住宅内的耗热量进行自动采集，并传输到管理中心，实现微机自动检测、计量、收费。该系统将会改变传统的居民住宅供暖按面积收费的不合理现状，解决住宅耗能管理收费的离散性和人工处理的繁琐过程，从而节省大量人力。
1 整体方案设计
通过对RFID供热计量系统进行研究，将RFID、无线网络和计算机联系起来，从而初步建立起热量自动计量模型。其关键技术主要集中在两个方面，即对射频卡的识别技术和热量表的自动控制部分，它能够实现对热量高效准确的计量[6]。
本设计主要由计算机、射频卡、热量表、识读器、控制器、管理软件等组成。采用无线射频识别技术，将识读器安装在热量表中，通过识读器控制热量表的锁闭阀。该系统的实施，能实现热量预付费；对热量的计量快速、准确；结束了工作人员走家串户，手工抄表的时代，节省人力、财力。
用于收费控制的RFID标签提供了一种有效的授权方式的访问。这种标签不能被轻易的复制或被不经意地毁坏。将RFID标签嵌入卡中，制成信用卡的形式或其他类型卡的形式，我们称为射频卡。这种标签可以进行编程和唯一性识别。暖气管道由识读器和热量表进行识别和操作，即每个用户装有一个热量表，该热量表具有供热计量、热量判断、自动关断等控制功能。
（1）供热企业向每家用户发放一张射频卡，射频卡的电子标签中存有用户的住址、姓名、缴纳的热费金额、交费时间、当前的热费余额等信息。
（2）用户预先向供热企业购买一定金额的热费，工作人员将预付费金额输入控制系统，且带标签的射频卡被充值。
（3）用户回到家中，将射频卡接近热量表，射频卡中标签与热量表中的识读器在无需接触的情况下就可实现通信，自动进行信息的传递与交换。识读器的天线接收射频卡发来的载波信号，通过A/D转换，将接受到的卡的预付费金额传给热量表，从而开启热量表。
（4）用户可以通过热量表上的显示器看到当前的热量流量、剩余热量、电池状态等相关信息。当电池没有电时，热量表会自动关闭，停止供热。
（5）热量表中预购金额随着用户实际消耗的热量逐渐减少，当预购金额减少为0时，热量表的锁闭阀会关闭，停止对该用户进行供热，这时需要用户对射频卡再次进行充值。
（6）当用户重新购买热费后，射频卡和识读器会再次进行数据传递，热量表阀门被打开，重新向用户供热。若用户暂时不需要供暖，可以再刷一次射频卡或手动关闭热量表，这时不会消耗热量，处于停止供热的状态。当用户需要供热时再刷一次卡即可[7]。
在本系统中，先交费后消费，避免了一些用户不交费的现象，符合市场经济发展的要求。解决了按面积收费的不合理方法，实现了热量的科学计量。简单、方便的交费系统节省的大量的人力、财力，提高了工作人员的效率，有利于供热部门的科学管理。同时也大大减少了用户与供暖部门的经济纠纷。
2 系统硬件设计
2.1 热计量表
热量表是用于测量及显示热流回路中载热液体吸收或释放的热量的测量仪器，是热量计量的基础。它是用于对集中供热系统中的热量分户计量的表具，主要有进水温度传感器、回水温度传感器、流量计等几部分，它安装在用户采暖设备的进水和出水管路上，当热水以较高的温度从进水管流入采暖设备向用户供热后，低温热水从回水管流出，热量表根据测量到的热水进出温差、水流量以及供热时间，计算出采暖设备提供的热量值，在一定时间内，用户所获得的热量可以通过公式计算出来。热量表一般由载热流体的质量、比热容和温度变化等因素决定，并且进出口的焓值还与时间成比例。目前，国内热量表一般采用焓差法计算热量，其传热公式为[8]
其中，Q为释放的热量（J）；qm为流经热量表的水的质量流量（kg/h）；h为进出口焓差（kJ/kg）；t为时间（s）。也可以表示为
其中，Q为热交换系数（kwh/m3）；Δθ为进出口的温差（°C）；qv为累积流量（m3）。
2.2 传感器
热量表温度传感器的敏感元件采用铂电阻PT1000。即用这样一对电阻来测量进出水的温度。它和相应的定时器相连，随着温度的变化，PT1000的阻值也发生变化。用一个已知电压V1去匹配待测电压V2。即在P2.4输出口会产生一个数模转换脉冲，经过低通滤波在电容上产生一个电压V1，使V1=V2。通过比较器，当比较器为高时，数模转换脉冲的输出为低；当比较器为低时，数模转换脉冲为高，原理如图1所示。数模转换脉冲为高的次数就是所求的A/D值，再查PT表就能得出相应的温度[9]。最后将测得的结果传给MSP430FW427主芯片。
图1 A/D转换测量原理图
使用MSP430FW427开发的热量表，系统直接采用内部流量扫描模块（ScaNIF），ScanIF模块能够在低功耗下自动检测线性或旋转的运动。实现了流量检测的无磁技术，能大大简化系统硬件和软件设计，并且提高系统的稳定性。
2.3 单片机MSP430FW427
本系统选用的MSP430FW427是由美国TI公司生产的具有无磁传感模块的单片机。它具有功耗质较差的供热环境下使用，且不影响测量精度。系统终端结构如图2所示，它由+3.0V的锂电池供电，以MSP430FW427单片机作为硬件电路的核心，与射频卡、液晶显示电路、阀门驱动、串行接口及用来实现A/D转换的比较器等外围电路的数据通信。通过对其编程来实现对射频卡中数据的读取，并产生脉冲信号对热量表中的锁闭阀进行开、关控制。此外还会有一个报警电路，即当电池快没电时，提醒用户更换电池；当预付热量不足时，提醒用户及时购买新的热量。
图2 新型供热计量终端结构示意图
2.4 射频识别模块
射频识别模块主要包括识读器、标签等[10]。其基本的工作流程是：识读器将无线电波信号向外发射，当电子标签进入识读器工作区域时会产生感应电流，由此获得能量将标签激活；标签将本身存储的信息发射出去，电子标签发出的载波信号通过无线网络被识读器接收；识读器对其进行解调，并对热量表的锁闭阀进行相应的操作。
识读器是负责读取标签信息的设备。将其作为部件的形式嵌入到热量表上，根据读取到的标签信[3]息，来控制热量表的锁闭阀。读写器天线是集成的，也可以是分离式天线或双天线；天线连接为BNC或螺丝旋接端子连接；通信接口采用RS-232；工作温度为-30°C~+70°C。
在本系统中选择的芯片是PhilipsMifareS70射频卡。其天线集成在芯片上，是无源、低频的射频卡。存储容量为32kbi，t32个分区。强大的存储空间可保存标签的编号、当前的累计热量值、热价标准、热费余额、热消费历史记录等数据。标签被从识低、精度高、测量流量范围宽、一致性和稳定性好的特点。同时它不受各类杂质、水锈的影响，可以在水读器中接受射频能量激活，实现与识读器的通讯。它具有成本低、无磨损、寿命长、携带方便等优点。
3 控制系统设计
3.1 主控制系统
主控制系统由计算机、管理软件、射频卡等组成。它的主要功能如图3所示。
图3 主控制器管理系统
射频卡的管理包括发放射频卡，在发卡之前具有对射频卡进行开户的功能，开户时要完成用户信息、热量表信息、射频卡的对应。射频卡管理系统同时具有退卡、换卡、挂失、补卡等功能。
信息的管理包括数据的采集、整理、归档等。缴费信息是通过excel或文本方式导入，也可以通过人工输入。通过查询缴费信息可以知道用户消耗热量，由此决定是否增加总产出热量。系统维护具有代码维护、数据的导入、导出和数据的备份、恢复等功能。数据库系统提供对供热计量中各种数据的存储、管理、查询、统计、分析等功能。为热量的生产量和监控系统提供强有力的手段。在数据库的支持下，可以查询交费的各历史数据，为以后的统计分析提供强大的依据。
3.2 系统软件设计
基于RFID技术的供热计量系统软件采用C语言编程设计，软件流程图如图4所示。主控制器采用中断的方式进行工作，每隔一定时间读取数据，再通过串行接口发送给识读器，最后进入低功耗状态。轻松实现统计用户用热量和交费信息。
图4 系统软件流程图
主控制器首先判断用户是否交费，如果已经交费就会把交费情况输入射频卡，在识读器的工作区域内，作为标签的无线收发器通过无线电波将这些数据发送到对应的识读器，识读器控制热量表阀门，热量表被开启。热量表具有存储功能，对交费信息进行存储，并会在热量表的显示器中显示出来。操作方便，显示直观。
4 结论
将射频识别技术应用到供热计量系统，能够实现热量的无线计量。该系统中射频卡没有外露金属触点，没有磨损，感应速度快，准确性高，使用方便。预付费的用热方式减少了物业和用户之间因交费而产生的矛盾。同时该计量系统实现了无人抄表，解决了集中抄表的难题，提高了工作效率，能够适应市场需要，满足商业化运行。该系统的使用将使热量收费信息化和智能化程度大大提高。
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