CN107123199A - 具有室温自调节装置的刷卡式热能表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有室温自调节装置的刷卡式热能表，包括微处器，管道内载热液体的温度采集模块，流量采集模块，室内温度采集模块，射频卡刷卡模块，电机驱动模块，欠费报警电路，电源，键盘，外部时钟和LCD；本发明不仅可以实现热量自动计算和显示、刷卡启动和扣费、数据加密等功能，而且具有室温自调节装置，通过安装在热能表内的温度传感器，实时检测室内温度，通过单片机实现自整定模糊PID控制算法，实现了室温自调节功能；本发明具有一表多用、智能程度高等特点，弥补了传统热能表不能调节室温、数据安全性差等不足。

Description

具有室温自调节装置的刷卡式热能表

技术领域

本发明涉及一种热能表，尤其是一种具有室温自调节装置的刷卡式热能表。

背景技术

目前，无论是刷卡式热能表，还是超声波热能表，市场上常见的热能表都无法实现对室内温度的智能控制，大多数是通过用户手动设定来设定阀门的开度来控制流经管道的载热液体的流量，以此来控制室温。这种方式不仅不方便，而且也无法根据实际情况来控制设定值。设定值过大，室内温度偏高，容易让用户感到不适，设定值较小，又无法达到供暖的效果，无法实现较高的智能化。

此外刷卡式热能表采用的RFID具有数据容易被拦截的缺点，针对这一缺点，有许多加密算法来弥补，例如常见的DES，AES，滚码加密等。DES算法存在弱密钥，随着计算机计算能力的提高，这种加密方式的弊端逐渐显露。AES算法加密复杂，有较强的安全系数，但针对嵌入式开发来说，采用AES算法加密，降低了系统的整体效率。滚码加密对每一段明文每次发送的密文数据都不同，抗拦截效果好，但是密钥长度较短，容易被破解。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对传统热能表不能调节室温、数据安全性差的不足，提出一种具有室温自调节装置的刷卡式热能表，能够满足用户对室温的不同需求；并且，在数据安全上通过提高破译复杂度来保证用户信息的安全性。

本发明所采用的技术方案为：一种具有室温自调节装置的刷卡式热能表，包括，管道内温度采集模块，流量采集模块，室内温度采集模块，射频卡刷卡模块，电机驱动模块，欠费报警电路，电源，键盘，外部时钟和LCD，微处理器。

所述管道内载热液体温度采集模块分别放置在进水口和出水口，用于测量进出说口的温度，测量数据经过A/D传送到微处理器内部。

所述流量采集模块，将超声波发射口和接收口分别置于阀门两端，当阀门打开时测量管道内载热液体的流量数据。

所述室温采集模块，采用了DS18B20来测量室内温度，将元件集成到热能表微处理器所在的PCB板上。采用DS18B20，不仅节约了A/D采集模块，而且也方便了热能表的安装。

所述射频卡刷卡模块识别天线区域内的射频卡，经过校验卡内数据，通过SPI协议，建立微处理器与射频卡之间的数据联系。当启动热能表示，用户刷卡，读卡器读取卡内数据，首先读取用户名和密码，进行校验，校验成功后，读取卡内余额数据，并且微处理器发出打开阀门的命令，电机驱动模块驱动电机打开阀门。当关闭热能表时，同样，首先经过身份验证，然后向卡内写入最新的余额使用情况覆盖旧的余额数据。

所述电机驱动模块控制阀门电机的正转，反转，停止，以及转动速度。刷卡式热能表启动时，当正确识别射频卡时，微处理器发送开启命令给电机驱动模块，电机正转，阀门打开，当需要关闭热能表时，还是要先正确识别射频卡，微处理器发送关闭命令，电机反转，关闭阀门。在热能表正常工作时，根据室内温度智能的发送正转，反转，停止，以及转动速度等命令给电机驱动模块，通过控制阀门开度来控制室内温度。

所述欠费报警模块，当读取射频卡内余额数据小于系统设定的报警阈值时，报警电路被激活，提示用户充值。

所述键盘，用来输入用户的期望温度，所述LCD用来显示人机交互界面，显示预设温度，室温，室温变化曲线，已使用热量，收费情况，卡内余额等信息。

所示微处理器完成热量的计算，与射频卡的通讯，控制报警电路，电机驱动电路，LCD显示等模块。

本发明与现有技术不同的是增加了室温自调节装置。所述室温自调节装置，硬件上由室温采集模块，A/D，微控制器，LCD，键盘，电机控制电路组成。软件上采用自整定模糊PID控制算法。自整定模糊PID控制的步骤是：通过系统响应反馈的温度计算出温度偏差E及偏差的变化率EC。由此将系统使用三角隶属函数部分的物理论域设为E∈X1＝[-3，3]，EC∈X2＝[-0.2，0.2]。将物理论域乘以量化因子KE＝1，KEC＝15，即可与模糊论域[-3，3]一致。选取7个模糊子集，对应的语言值为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB。[-3，3]内的隶属函数都选用隶属度为[0，1]的三角隶属函数；不使用三角隶属函数的物理论域，将其负值对应NB，正值对应PB，隶属度1，进行模糊化处理。自整定模糊PID控制算法会将当前的E、EC映射到模糊子集上，通过查询模糊控制规则表，可以得出对应的模糊规则，然后通过蕴含关系计算出每条规则的输出量。最后对输出去模糊化。实际应用的PID参数是在其初始值基础上自调整得出的，而初值则是根据室内温度值预整定得到的。

与常规PID控制算法相比，自整定模糊PID控制能够根据系统响应实时地自动调整PID参数，发挥了模糊控制鲁棒性强、动态响应好、上升时间快、超调小的特点。以温度作为反馈量的闭环温度控制系统，测温元件的灵敏度和分辨率对系统起着至关重要的作用。本发明采用了DS18B20来测量室内温度，封装后的DS18B20具有独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。测温范围在[-55,125]这个区间内，并且，在[-10,85]温度区间内，DS18B20的精度为±0.5℃，满足本发明的需求。

所述室温自调节装置的温度控制通过调节阀门开度完成，当温度较高时，阀门开度减小，减小载热液体流进用换热器的流量，当温度较低时，阀门开度增大，增大载热液体流进换热器的流量。当刷卡式热能表工作时，室温采样电路测量室内温度，经过A/D采集模块将温度数据传送到微处理器内部，确定室内温度以后，通过预整定确定P、I、D参数的初始值，再经过键盘输入目标温度。根据自整定模糊PID算法的输出，微处理器通过调节方波超调量来控制阀门的开度和转动速度。

更进一步的，所述射频卡刷卡模块由带MCU的射频卡和读卡器模块组成，针对射频卡数据已被拦截这一弊端。采用滚码加密抗拦截性强的特点可以弥补这一弊端。针对滚码密钥长度短的缺点，利用AES算法密钥扩展的方法对8位滚码密钥扩展，得到3组8位密钥，对卡内明文进行三重滚码加密。当读卡器识别到射频卡以后，射频卡内明文数据经过第一轮滚码加密以后，得到第一次的密文，第一次密文再进过一次滚码加密得到第二轮密文，第二轮密文经过第三次滚码加密后产生第三轮的密文被读卡器传送到微处理器内部进行校验。

本发明的有益效果是：通过单片机实现自整定模糊PID控制算法，实现室温自调节功能，达到了一表多用，提高智能化程度的目的，在提高室内舒适度的前提下，也在一定范围内做到了能源的节约；采用的基于AES密钥扩展方式的三重滚码加密方式，相比于一般的单一的加密算法，在破译难度上有的提高；当密钥泄漏，一般的三重加密，需要更改三个密钥，而基于AES密钥扩展方式的三重滚码加密方式，只需要更改一段密钥。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1用于说明本发明刷卡式热能表总体结构图；

图2用于说明本发明刷卡式热能表实物安装连接图；

图3用于说明本发明三级滚码加密原理图；

图4用于说明本发明阀门电机驱动电路原理图；

图5用于说明本发明室温自调节装置硬件示意图。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1、图2所示，一种具有室温自调节装置的刷卡式热能表的总体结构示意图，包括了微处理器，温度采集模块，流量采集模块，室温采集模块，LCD，电源，射频卡刷卡模块，电机驱动模块，欠费报警电路，键盘等。管道内载热液体温度采集模块分别放置在进水口和出水口，用于采集管道内进水口和回水口的温度，可以采用铂电阻传感器，利用三线桥式测温电路测量温度，避免了导线电阻带来的测温误差，采集到的数据进过A/D发送至微处理器内部。室温采集模块选用对温度变换比较敏感的元件，本实施例采用了DS18B20来测量室内温度，将元件集成到热能表微处理器所在的PCB板上，封装后的DS18B20具有独特的单线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。测温范围在[-55,125]这个区间内，并且，在[-10,85]温度区间内，DS18B20的精度为±0.5℃，满足本发明的需求。在实际使用中，用户可以通过键盘输入期望的温度值。

流量采集电路，将超声波发射口和接受口分别置于阀门的进口与出口，当阀门打开时，超声波发射口发射出的超声波被接收口接收，超声波流量采集模块中含有TDC-GP21时间测量芯片，将超声波发出到接受的时间差传送到微处理器内部，经过计算得出单位时间内管道内某一截面流过的液体体积。

射频卡刷卡模块：用于建立射频卡与单片机之间的联系。读卡器芯片可以采用MFC522，该芯片支持SPI协议与单片机进行数据交流。滚码加密算法具有抗截获性高的特点，射频卡内部加密以滚码的特性为主，利用AES特有的密钥扩展的手段增加滚码的密钥长度。AES加密和解密算法使用了一个由种子密钥字节数组生成的密钥调度表，运用这种密钥扩展方式对滚码密钥进行扩展，具体方法为：假设滚码加密的8字节密钥为0x00，0x01，0x02，0x03，0x04，0x05，0x06，0x07，将8字节密钥分为两行，{0x00，0x01，0x02，0x03}，{0x04，0x05，0x06，0x07}，根据AES密钥扩展方式，首先对{0x04，0x05，0x06，0x07}这组数据左旋转一个位置得到{0x07，0x04，0x05，0x06}，然后以每个元素的低四位(x)和高四位(y)为坐标，在代替盒(S-盒)中寻找替代的元素例如0x04就用S-盒中的第0行，第4列的元素代替，就得到了{S(0x04)，S(0x05)，S(0x06)，S(0x07)}，在AES算法中，密钥扩展其实就是从已知的两行4字节密钥得到一行新的4字节密钥，而且每个第4行或者每个第6行或者每个第8行(取决于实际密钥长度)将额外与轮常数进行异或操作，来增加新的4字节密钥的额外可变性，每个轮常数的最左边的字节是GF(28)域中2的幂次方，每个轮常数由4字节{0x01，0x00，0x00，0x00}，{0x02，0x00，0x00，0x00}，{0x04，0x00，0x00，0x00}。根据滚码的密钥长度，这里设计成每个第2行(第一个第2行除外)增加扩展密钥的额外可变性。记每一行4字节密钥的行号为L，以第3行为例，根据第二行数据，得到{S(0x04)，S(0x05)，S(0x06)，S(0x07)}，3不被2整除，3-2＝1，也就是说将{S(0x04)，S(0x05)，S(0x06)，S(0x07)}与现有的第一行数据进行异或操作来作为新的4字节密钥。原有的滚码加密的密钥只有8位，通过AES算法扩展密钥的方法，可以将原来的8位密钥再扩展出16位密钥，一共就有24位密钥，8位一组分为3组，对明文进行三轮滚码加密，流程图如图3所示。

图4为所述电机驱动模块参考了现有的LN298n电机驱动电路，5和7引脚控制电机J1的正反转停，三个状态，6引脚为电机控制使能端，控制电机的停转。2和3引脚为信号输出，控制直流电机。四个二极管组成了续流保护电路。电机驱动模块主要作为微处理器和直流电机之间的桥梁。微处理器通过控制直流电机来控制阀门的开度。

图5是所述室温自调节装置硬件示意图。整个装置由室温采集模块，A/D，微控制器，LCD，键盘，电机控制电路组成。软件上采用自整定模糊PID控制算法，自整定模糊PID控制的步骤是：通过系统响应反馈的温度计算出温度偏差E及偏差的变化率EC。由此将系统使用三角隶属函数部分的物理论域设为E∈X1＝[-3，3]，EC∈X2＝[-0.2，0.2]。将物理论域乘以量化因子KE＝1，KEC＝15，即可与模糊论域[-3，3]一致。选取7个模糊子集，对应的语言值为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB。[-3，3]内的隶属函数都选用隶属度为[0，1]的三角隶属函数；不使用三角隶属函数的物理论域，将其负值对应NB，正值对应PB，隶属度1，进行模糊化处理。自整定模糊PID控制算法会将当前的E、EC映射到模糊子集上，通过查询模糊控制规则表，可以得出对应的模糊规则，然后通过蕴含关系计算出每条规则的输出量。最后对输出去模糊化。实际应用的PID参数是在其初始值基础上自调整得出的，而初值则是根据室内温度值预整定得到的。当热能表被启动后，由键盘设定预设温度，室温采集模块测量室内实际室温，微处理器内部算法基于初始的室内温度，预整定自整定模糊PID算法的比例，积分，微分这三个参数。将设定温度与实际温度作差作为自整定模糊PID算法的输入，对算法的输出值限定在[0-100]这个区间内，以防止出现非法值，其中0对应阀门闭合，100对应完全打开。将算法的输出值作为电机控制函数的输入值，函数返回电机转动的方向和转动时间，根据电机控制阀门的开合程度实现对管道内载热液体流量的控制，达到控制室温的效果。

技术方案中包含了本实施例中从刷卡式热能表刷卡开启，设定温度，读取卡内数据，显示数据到，到正常工作，调节室温，到最后关闭刷卡式热能表的整个流程。通过上述流程突出了本发明一表多用、智能程度高等特点，弥补了传统热能表不能调节室温、数据安全性差等不足。

此外本发明还参考了现有技术中，刷卡式热能表的结构，直流电机驱动模块的设计以及超声波测流装置。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (6)

1.一种具有室温自调节装置的刷卡式热能表，包括微处理器、分别放置在进水口和出水口的管道内温度采集模块、当阀门打开时测量管道内流量数据的流量采集模块以及射频卡刷卡模块，其特征在于：还包括室温自调节装置，所述的室温自调节装置包括室温采集模块、A/D采集模块、显示模块、键盘以及电机控制模块；用户通过键盘输入期望温度，室温采集模块采集室内温度，经过A/D采集模块将数据传送至微处理器内部，微处理器根据室温通过电机控制模块控制电机实现对管道阀门开度的控制，从而实现对室内温度的调节，达到用户的期望温度；所述射频卡刷卡模块采用AES算法密钥扩展的方法对8位滚码密钥扩展，得到3组8位密钥，对卡内明文进行三重滚码加密；当读卡器识别到射频卡以后，射频卡内明文数据经过第一轮滚码加密以后，得到第一次的密文，第一次密文再进过一次滚码加密得到第二轮密文，第二轮密文经过第三次滚码加密后产生第三轮的密文被读卡器传送到微处理器内部进行校验。

2.如权利要求1所述的具有室温自调节装置的刷卡式热能表，其特征在于：所述的室温自调节装置通过自整定模糊PID算法，实现对室内温度控制；方法为：用户通过键盘输入预设温度，微处理器通过室温采集模块得到室内实际温度，根据室内实际温度，通过预整定确定P、I、D参数的初始值，将预设温度和室温的差值作为自整定模糊PID算法的输入，然后根据算法的输出来控制电机实现对管道阀门开度的控制。

3.如权利要求2所述的具有室温自调节装置的刷卡式热能表，其特征在于：自整定模糊PID算法的步骤是：通过系统响应反馈的温度计算出温度偏差E及偏差的变化率EC；由此将系统使用三角隶属函数部分的物理论域设为E∈X1＝[-3，3]，EC∈X2＝[-0.2，0.2]；将物理论域乘以量化因子KE＝1，KEC＝15，即可与模糊论域[-3，3]一致；选取7个模糊子集，对应的语言值为NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB；[-3，3]内的隶属函数都选用隶属度为[0，1]的三角隶属函数；不使用三角隶属函数的物理论域，将其负值对应NB，正值对应PB，隶属度1，进行模糊化处理；自整定模糊PID控制算法会将当前的E、EC映射到模糊子集上，通过查询模糊控制规则表，得出对应的模糊规则，然后通过蕴含关系计算出每条规则的输出量，最后对输出量模糊化。

4.如权利要求1所述的具有室温自调节装置的刷卡式热能表，其特征在于：所述的显示模块包括LCD显示屏；通过LCD显示屏制作人机交互界面，显示预设温度，室温、室温变化曲线、已使用热量、收费情况、卡内余额的信息。

5.如权利要求1所述的具有室温自调节装置的刷卡式热能表，其特征在于：还包括欠费报警模块；当识别到刷卡区域内的射频卡时，先读取卡内数据，当卡内余额不足时激活报警电路，提醒用户充值。

6.如权利要求1所述的具有室温自调节装置的刷卡式热能表，其特征在于：所述是电机控制模块控制阀门电机的正转，反转，停止，以及转动速度；刷卡式热能表启动时，当正确识别射频卡时，微处理器发送开启命令给电机控制模块，电机正转，阀门打开；当需要关闭热能表时，先正确识别射频卡，微处理器发送关闭命令，电机反转，关闭阀门。