浙江金卡智能水表有限公司

智能水表引言

智能水表因其從根本上改變了傳統(tǒng)的抄表方式，實行買卡用水的收費模式，在節(jié)省大量人力的基礎(chǔ)上，同時解決了長期困擾供水行業(yè)的水費拖欠問題，因而將直接給供水行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。所以，它的可實施性正被日益看好。而如何對水表在技術(shù)上、性能上、價格上實行優(yōu)化設(shè)計，將是問題的關(guān)鍵所在。

智能水表組成部分

2.1發(fā)訊基表

發(fā)訊基表就是在普通的機械式水表中安裝發(fā)訊裝置以提供計量信號給水表電子主控電路以實現(xiàn)用水自動計量。水表的發(fā)訊裝置由一小磁鋼與一磁敏元件以一定的位置關(guān)系構(gòu)成，當(dāng)一個計量單位(一般是0.01m3或0.1m3)的水流經(jīng)過后，磁敏元件就發(fā)出一脈沖信號給主控電路用以計數(shù)。普遍采用的磁敏元件有干簧管和霍爾元件兩種。干簧管因其靜態(tài)時的零功耗性能在電池供電的微功耗智能水表中占有明顯的優(yōu)勢，而優(yōu)質(zhì)干簧管100萬次以上的工作壽命也完全能滿足水表的使用周期。霍爾元件的功耗普遍在mA級，雖然也出現(xiàn)了微功耗的新品，(如Allegro公司的開關(guān)型霍爾元件A3210，它的靜態(tài)功耗只有1μA。)但是其價格相對比較昂貴。

2.2控制閥門

智能水表通過主控電路對水表進水閥門進行開關(guān)控制，從而達到控制用戶用水的目的。因而，可靠性應(yīng)是閥門的設(shè)計要點。在智能水表設(shè)計的前期，應(yīng)該說電磁閥是一種普遍的選擇，因為它結(jié)構(gòu)簡單，并且功耗較低。但是經(jīng)反復(fù)試驗后，其缺點也不可避免地暴露出來。 簡要地說，首先，電磁閥的抗震性較差，這也是最為致命的一個弱點;其次，電磁閥內(nèi)的塑料部件在長期的水浸泡環(huán)境中容易變形、受腐蝕，從而影響閥的開關(guān)性能。于是，電動閥的設(shè)計趨勢應(yīng)運而生，雖然，與電磁閥相比，它的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，功耗也較大，但是，在可靠性這個大前提下，電動閥應(yīng)該比較具有應(yīng)用前景，當(dāng)然，在結(jié)構(gòu)上需作進一步的調(diào)整。雙穩(wěn)態(tài)電動閥是一種設(shè)計思路，此類閥門旨在利用電磁傳導(dǎo)驅(qū)動電動閥，達到降低能耗的目的。

2.3主控電路

2.3.1結(jié)構(gòu)框圖

2.3.2 CPU選型

智能水表是一個小型的電池供電系統(tǒng)，因此，CPU的選型應(yīng)著重從低電壓、低功耗、高帶載能力考慮。Microchip公司的PIC系列單片機在這方面的整體優(yōu)勢比較明顯。并且它特有的精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)和總線的哈佛結(jié)構(gòu)與同類單片機相比程序代碼可節(jié)省一半，指令速度可提高五倍左右，所以不失為一個理想的選擇。再從性價比考慮，PIC16C57和PIC16C62為兩款不錯的選擇，它們片內(nèi)都自帶Watchdog定時器，前者為2K*12位EPROM，80*8位RAM，20個I/O口;后者有2K*14位EPROM，128 RAM，20個I/O口，以及7級中斷。當(dāng)然，PIC16C57更為低價，但因其無中斷功能，在軟件設(shè)計時只能采用查詢方式，相比于中斷方式，在節(jié)省功耗方面稍遜一籌，但影響不大。

2.3.3數(shù)據(jù)存儲器

數(shù)據(jù)存儲器用于存儲來自于經(jīng)CPU計算、處理后的有關(guān)水表的各種信息，如購水量、用水量、用戶編碼等等。ATMEL公司的256*8位E2PROM通用存儲器AT24LC01簡單易用，而且價格十分低廉，完全能滿足使用要求。雖然有許多性能上更勝一籌的可編程監(jiān)控類、加密類存儲器，但在象智能水表這樣的產(chǎn)品中卻無必要，因為電路板是密封在水表中的，而CPU與存儲器之間的數(shù)據(jù)交換無外部接口，所以無所謂數(shù)鋸失竊。

2.3.4 IC卡的讀寫

IC卡讀寫模塊為主控電路與IC卡的邏輯接口電路，它首先應(yīng)能實現(xiàn)對IC卡的供電，并滿足不帶電插拔的要求(若帶電插拔，有可能會給IC卡帶來損傷，甚至損壞IC卡)，這可以通過硬件和軟件兩方面來實現(xiàn)。如圖2所示，當(dāng)CPU通過IC卡座的IC卡檢測開關(guān)檢測到IC卡插入時，IC-PWR端口經(jīng)過適當(dāng)延時(10ms左右)發(fā)出一低電平，通過小功率三極管9012控制系統(tǒng)的 5V電源切入，相同地，在軟件設(shè)計時，當(dāng)對IC卡的讀寫完成后，及時讓IC-PWR端口發(fā)出高電平，切斷IC卡的供電電源，以便IC卡拔出。

此外，所有的IC卡接口部分都應(yīng)加入箝位保護二極管，這些二極管可以使各引腳上的電壓嚴(yán)格控制在-VD~VCC VD之間，(VD是二極管的正向壓降，通常為0.6V左右)。這樣，可以抑制由于線路干擾和邏輯電平變化的邊沿產(chǎn)生抖動所帶來的瞬間過壓，為IC卡提供了進一步的保護措施。

2.3.5　開關(guān)閥控制

水表閥門的開關(guān)是CPU依據(jù)一定的開關(guān)條件定時導(dǎo)通開關(guān)電器回路來實現(xiàn)的，對開關(guān)閥控制的設(shè)計要掌握兩個要點：一是在軟件上控制好對開關(guān)閥電路的電流輸出時間，也即回路導(dǎo)通時間，時間過長，電池耗能太多;時間過短，不能可靠開關(guān)閥門。二是在硬件電路上要有一個針對關(guān)閥的儲能電路，當(dāng)電源失電時，該電路能及時釋放電能，關(guān)閉閥門。

2.3.6　低電壓檢測

低電壓檢測對單片機系統(tǒng)來講是個十分重要的問題，它在某種程度上起到了保障系統(tǒng)可靠運行，避免數(shù)據(jù)出錯的作用，智能水表的設(shè)計中同樣如此。具體地講，應(yīng)該在系統(tǒng)掉電到一個門限電壓(該門限電壓應(yīng)高于CPU的最低運行電壓)時，通過相應(yīng)的電壓檢測電路把信號傳遞給CPU，CPU及時對系統(tǒng)進行軟件復(fù)位。電壓檢測器可以選用合泰公司的HT70系列產(chǎn)品，此產(chǎn)品價位較低，而且規(guī)格十分齊全。

2.3.7　顯示

智能水表的信息(水存量、開關(guān)閥狀態(tài)、電池狀態(tài)等)顯示可通過串行液晶模塊來完成，串行液晶模塊與CPU的接口簡單，只占用DATA、WR、CS三條接口線，與并行液晶模塊相比大大節(jié)省CPU的I/O口資源。另外，為了盡量滿足低功耗的要求，可讓液晶平時處于休眠狀態(tài)，用插卡喚醒的方式使其顯示。

2.3.8　脈沖信號處理

對來自于發(fā)訊基表的脈沖信號，在軟件設(shè)計時應(yīng)作"防抖動"處理。因為在實際生活中 我們經(jīng)常會遇見這樣的情況：當(dāng)自來水管中進入一定量的空氣后，打開籠頭用水，水管會瞬間不停震動，如果此時磁鋼與干簧管的位置剛好處于臨界狀態(tài)，就會不停地將脈沖信號發(fā)給 CPU，使CPU無法正確計數(shù)。相應(yīng)的措施是當(dāng)CPU接收到一脈沖信號后經(jīng)適當(dāng)延時(該延 時只要小于水表過載流量時磁鋼與干簧管的最大吸合時間即可)。再來檢測該信號是否依然存在，如果沒有，則認為是假信號。

2.3.9　抗攻擊模塊

抗攻擊模塊是針對采用高壓、靜電等手段對卡口進行惡意攻擊從而引起系統(tǒng)癱瘓而設(shè)置的保護電路。象北京握奇公司，富根公司等國內(nèi)廠家有成型產(chǎn)品可以提供，性能上都比較可靠。

2.4　卡的選擇

IC卡究其功能劃分可分為普通存儲卡、邏輯加密卡、CPU卡三大類?？ㄆ鳛橛脩艉凸┧块T之間傳遞信息的載體，更作為一種電子貨幣，可靠性之外，安全性當(dāng)是首要考慮的問題。

普通存儲卡芯片無安全邏輯，設(shè)計人員一般通過對數(shù)據(jù)進行一定的加密算法和滾動存儲相結(jié)合的方法對數(shù)據(jù)安全性加以考慮，但由于普通存儲卡內(nèi)容可通過讀卡設(shè)備直接讀出，數(shù)據(jù)能被隨意篡改，并且真實數(shù)據(jù)極有可能經(jīng)過多次反復(fù)比較得出，因而安全性較差，不提倡使用。

邏輯加密卡提供電路的邏輯硬件密碼較對功能，一般情況下，只有通過用戶密碼和應(yīng)用區(qū)密碼才能對卡內(nèi)應(yīng)用區(qū)數(shù)據(jù)進行訪問，卡內(nèi)設(shè)置密碼計數(shù)器，一旦輸入錯誤密碼次數(shù)超過密碼計數(shù)器設(shè)置次數(shù)，卡將自鎖。但是數(shù)據(jù)在卡的I/O口上是以明碼方式傳輸?shù)模绻ㄟ^儀器"竊聽"獲得數(shù)據(jù)，就能達到制作偽卡的目的。通常的做法是對卡上重要數(shù)據(jù)進行DES、RSA等國際通行的密碼算法進行加密，以作為反"竊聽"的有效手段。邏輯加密卡價格比較低廉，如果智能水表的收費不納入"城市一卡通"系統(tǒng)，那么，它將是一種不錯的選擇。像西門子公司的SLE4442內(nèi)含256*8位E2PROM數(shù)據(jù)存儲器，32*1位保護存儲器，和一個可編程安全碼(PSC)邏輯，比較符合水表用卡的要求。

CPU卡芯片內(nèi)本身集成有微處理器，并且有自己的片內(nèi)操作系統(tǒng)(COS)。與邏輯加密卡相比，CPU卡最主要的優(yōu)點體現(xiàn)在兩個方面：一是安全機制上更為嚴(yán)密，它的片內(nèi)操作系統(tǒng)(COS)能對密鑰進行有效管理，并使數(shù)據(jù)在卡內(nèi)進行加密運算、比較，從而對卡、持卡人、讀卡設(shè)備的合法性進行相互鑒別;二是在"一卡多用"上有較強的靈活性，可以同時兼容幾種不同的應(yīng)用，卡與系統(tǒng)的互相操作受存放在卡中與系統(tǒng)中的軟件控制。尤其是第二點，對"一卡通"的意義不容置疑。但具體到水表用卡，還應(yīng)視情況而定，因為畢竟CPU卡的價格仍然較高。

2.5 軟件流程圖

圖3是根據(jù)查詢方式設(shè)計的軟件流程：

智能水表是一種利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、智能IC卡技術(shù)對用水量進行計量并進行用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表與傳統(tǒng)水表一般只具有流量采集和機械指針顯示用水量的功能相比，是很大的進步。智能水表除了可對用水量進行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量進行控制。