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智能IC卡水表控制器的设计与应用 |
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作者：郝桂青 李健飞 |
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摘 要： 本文详细介绍了智能IC卡水表及售水管理系统的组成、功能；主要对智能IC卡水表控制器工作原理及软硬件设计进行了详细阐述，最后讨论了IC卡水表的应用。
关键字： IC卡水表；控制器；低功耗；逻辑加密卡
引言
由于水资源的日益珍贵，社会越来越提倡节约用水。采用现在高科技术进行用水管理，已成为一种发展方向，并且已在很多城市得到应用，取得很好的效果。智能IC卡水表及收费系统[1]，是采用世界上最先进的科技技术，进行用水计量、控制和收费的系统。它实现先付费后使用的结算管理模式，彻底改变了传统抄表付费的用水方式，该表特别适合新建城市以及旧城改造。采用智能IC卡水表进行收费管理，可以彻底解决过去用水收费难的问题，省去了管理部门上门抄表、收费等烦杂工作；可以方便用户用水，买多少水用多少水，多买多用，不用管理部门进门抄表，免受打扰，满足人们安宁家居的要求。
1 智能IC卡水表及售水管理系统的组成
智能IC卡水表是一种新型的计量表，智能IC卡水表是以带有发信装置的冷水水表为计量基表，以IC卡为媒体，加装电子控制器和电控阀所组成的一种具有预付费功能的水量计量仪器。
IC卡水表售水管理系统[2][3]是要用户先到用水管理单位购水，才能用水的系统。IC卡水表及售水管理系统是由IC卡水表、IC卡、读写器、售水微机、售水管理系统组成，如图1所示。
图1 智能IC卡水表及售水管理系统的组成
IC卡水表是整个系统的核心部件，也是系统中使用数量最多的部件。它安装在用户的用水管路中，主要起用水计量、显示和控制的作用。IC卡，主要功能是记录用户从银行或用水管理单位购买的水量信息，传给IC卡水表。读写器主要是完成IC卡的读写操作及与计算机的通信功能。售水管理软件是记录用户购水信息，完成计算机与读写器的通信等功能的软件。
2 IC卡水表的组成及控制器的工作原理
IC卡水表一般由计量基表、控制器和电控阀三大部分组成，如图2所示。
图2 IC卡水表的组成
基表主要完成流量计量及数据转换，将计量数据实时传递给控制器。控制器主要由电控板、传感器、显示器及电池等组成，传感器将水表的流量变换成电脉冲信号，送到控制部分的微处理器完成水的计量，微处理器将数据进行简单处理；遇到设定的状况，如剩余水量不足、有强磁或外力攻击等，控制器将向电控阀发出指令，强迫关阀停水；显示器显示用户用水信息及操作提示等。电控阀门由微型电机和阀门组成，完成关断和开通水路的功能。
IC卡水表选用旋翼式水表作为基表，在它的水表计数器齿轮上装有磁钢。传感器由固定的干簧管和装在水表计数轮上的永久磁钢构成，磁钢安装在X0.01立方米位的齿轮轴上，于是每流过0.1立方米水，干簧管接触一次，所以该水表的最低显示位为0.1立方米。为了计量准确采了用双簧管检测水量。显示器为液晶显示，它显示的内容有剩余水量、电池欠压、购水提示、错误操作提示等。
3 IC卡水表控制器的设计
3.1 IC卡水表控制器的硬件设计
图3 是基于飞利浦单片机的IC卡水表的硬件电路图。
图3 IC卡水表控制器的硬件电路图
IC卡表电控部分采用严格的低功耗设计[4]技术，采用菲利普的低功耗单片机P89LPC764做控制器的CPU，采用四级中断优先级，使水表在没有水流经过和其它中断响应时，处于掉电工作模式，这不仅巧妙地解决了控制阀的低功耗运行，而且使作为衡量IC卡表技术性能的重要指标－常态电流（静态电流）小于17μA，远优于现行的建设部行业标准中≤30μA的指标，这使IC卡水表不仅能采用锂电池供电，而且不难算出目前采用的锂电池容量为1900mAh，使用时间应在10年以上，考虑各种不利因素，完全可保证使用6年以上。整个电路包括脉冲信号采集单元、电机驱动及控制单元、读写卡单元、液晶驱动单元及电源监控部分，从而实现水表的各大功能。
3.2 IC卡水表控制器的软件设计
IC卡水表它采用扫描工作方式，CPU自动识别水介质，在水介质中可正常读写数据。数据传输应用了加密技术，一户一卡一码，使水表在使用中数据保密性极强。它通过IC卡传输数据加密、IC卡水表存储数据加密及IC卡读写软件加密锁等方法使传输数据不能非法解读，保证了整个数据传输过程的安全性。局外人根本无法破译，也无法制作伪卡，安全性很高。
IC卡智能水表，除具备普通水表的技术性能和基本功能外，还有很多功能，其功能主要由IC卡水表控制器软件来完成的。其软件实现的功能包括：
1）预付费功能：通过购水卡实现先买水后用水。用户可将已购水的购水卡插入自家水表，直至水表控制器显示出剩余水量。用户可购买水量输入，控制器会自动累加并显示剩余水量。
2）电子计量功能：本水表采用脉冲记数方式自动计量用户用水量，配合原旋翼式水表使用，绝不改变原水表计量精度。
3）数据存储和数据回读功能：智能水表控制器具有脉冲采样及处理电路，在任何时候电源掉电时，所有运行数据都会被存储到机内EEPROM中，保存时间达十年以上；用户卡在购水时，上次插卡时的表内数据自动出现在计算机操作人员面前。
4）限量功能：为避免用户囤积过多的可用水量，本产品设置了限购水量这一功能，以免囤积过多水量。
5）余量和水表信息查询功能：购水卡插入控制器盒，液晶显示窗上均能显示出该用户还有多少剩余水量；用“检查卡”可查询到任一用户水表的现行使用状态，如：表号、购水次数、报警水量等等。
6）报警功能：可用水量在小于或等于报警水量时，水表控制器关阀切断水源，提醒用户及时购水，用户必须用有效卡插一次方能继续用水，直至用完关阀切断水源。
7）一户一卡和补卡功能：用户的IC卡只能在自己的水表上使用，在其它用户智能水表上使用无效，实现一户一卡，购买的水量一次读入有效。当用户购水卡丢失时，可以为用户补发水卡。
8）阀门异常计量功能：如果阀门发生故障而不能关断，致使用户在已购水量用完时还能用水，则控制器将会继续计量“透支”水量。当用户再次购水时，控制器能自动扣减透支的“过零”水量，并将 透支的过零水量返写到用户的购水卡上。当用户再到营业所购水时，电脑能读出该用户透支的过零水量，并提醒营业员注意，下次购水自动扣除过零水量。
9）低电压正常工作、报警功能：产品采用单电池工作技术，整表供电只需一节3.6伏锂电池，与双电池电路相比，它的工作更加稳定可靠；电路板正常工作的电压为2.2～4.4V。当电压低于2.8V时，水表控制系统将报警，关闭阀门。
10）卡座防水功能：IC卡长时间与水接触，对卡座的正常使用无影响；同时，CPU自动识别水介质，在水介质中可正常读写数据。
11）卡口防攻击功能：卡口可防止多种行为的攻击，特别是针对一些无痕迹攻击，制定了一些针锋相对的措施，比如卡口内不插卡，而塞入铁片等，均为无效攻击。
12）防磁攻击：当有外强磁接近控制器时，自动关阀。
13）IC卡长时间处于插入状态时不会影响电池功耗及寿命，当使用者忘记拔卡时，控制器液晶显示3秒左右后，液晶自动停止显示状态，控制电路处于低功耗休眠状态。
14）自动除垢功能：针对北方水质较硬，易起垢等特点，设计了自动除垢功能。每月电机带动阀门开、关一次，清除阀门上的水垢。同时，电池定期放电，也增长了电池的使用寿命。
15）一卡多用功能：数据传输所选用的IC卡为SIMENS4428卡，它具有超大容量的特点。目前一只水表只占用了它1/12的容量，还有大量的空间可用于其它功能的扩展，比如加入售电信息、售气信息、收取其它物业费用等。
4 IC卡水表控制器的应用
IC卡水表在设计上其外型尺寸和老式基表在长度和口径上完全相同，因此安装及老表改造方便。在工程中使用的水表，其安装与使用[5]应注意如下几点：
1）选择IC卡水表应根据管道经常使用的流量小于或接近水表的常用流量为宜，不能单纯以管道口径确定水表。
2）安装位置要避免曝晒、冰冻、污染和水淹，以便拆装和充值；表必须水平安装，使字面朝上，表壳上箭头方向与水流方向相同；为了计量准确，水龙头应高于水表；水表如安装在进水管处，应装止回阀；新装管道务必把管内石子、泥沙、麻丝等杂物冲洗干净后装水表，以免造成水表故障。
3）水表不应直接与管道连接，水表与管道间应有活动接口[6]（如管接头、连接螺丝，接管密封垫圈等）。拆装水表时，不应受由管子和管件引起的过度应力，以免损失水表。
4）长期使用，管道内杂质、铁锈等物会堵塞过滤网或进入表内，使水表误差增大或影响正常运转，因此，每隔一段时间应清洗一次，并重新校准快慢，但不允许自行拆装。
该水表作为自动收费管理的主要计量器具为充分保证其安全性，还采取了多种防窃措施[7]，如IC卡水表采用逻辑加密卡，结构上增加了特别封印，使用户不能自行拆卸、倒装；它具有防剪断检测、强磁检测、IC卡座恶意破坏检测和低电压检测功能，使水表的安全性大大提高。
4 结束语
随着城市规模不断扩大，各城市一户一表的大面积实施，IC卡水表得到了推广应用，实现预付费、持卡结算的理想管理模式，从根本上杜绝欠缴、迟缴漏缴水费的现象，使自来水公司收费及时到位。但水表与电表、气表相比，有着对电子元器件最不利的潮湿使用环境，管道中的杂质、水的流体力学特性对控制阀的影响，使得IC卡水表在使用过程中不断暴露出监管难度大、维修不方便、抄表成本高的缺点[8]。所以，提高IC卡水表的可靠性和稳定性，建立远程抄表系统和安全机制是未来智能水表发展的研究方向。
参考文献
[1]陈鹏.新型水表的研究与发展方向[J].中国仪器仪表，1998，（03）：5-7.
[2]王洪涛.非接触式Mifare1卡预付费智能水表设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2009，（01）：63-65.
[3]孟泽初.智能水表系统的研究与开发[D]东南大学，2004.
[4]韩桂利.IC卡智能水表的设计[J].天津职业院校联合学报，2007，（02）：.6-8.
[5]晴然.IC卡应用及范例[J].中国计算机用户，1994，（04）：26-30.
[6]建新.智能IC卡在我国水表行业中的应用分析[J].金卡工程，2007，（09）：26-29.
[7]贺骏.IC卡水表应用中的几个问题[J].中国建设信息（水工业市场），2009，（Z1）：76-77.
[8]韩树屏，李烜.智能水表的应用现状及前景展望[J].机械制造与自动化，2008，（04）：88-90.(end)
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(8/28/2013) |
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