智能水表型式與功能技術(shù)規(guī)范起草單位

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左富強(qiáng)、趙建亮、崔耀華、湯思孟、王欣欣、林志良、李紅衛(wèi)、魏慶華、周千智、楊世榮、鄧傳會(huì)、姚福江、謝堅(jiān)良、張慶、蘇慶、周志斌、陸宇塵、談曉彬、袁金龍、張炳華、李沖、宋財(cái)華、胡剛、鄭巖、張亞峰、申峰。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了智能水表的型式與功能。本標(biāo)準(zhǔn)適用于智能水表的設(shè)計(jì)、制造、采購(gòu)和使用。

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(duì)用水量進(jìn)行計(jì)量并進(jìn)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(jī)械指針顯示用水量的功能相比，是很大的進(jìn)步。智能水表除了可對(duì)用水量進(jìn)行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對(duì)用水量進(jìn)行控制。

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(shí)行買(mǎi)卡用水的收費(fèi)模式，在節(jié)省大量人力的基礎(chǔ)上，同時(shí)解決了長(zhǎng)期困擾供水行業(yè)的水費(fèi)拖欠問(wèn)題，因而將直接給供水行業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。所以，它的可實(shí)施性正被日益看好。而如何對(duì)水表在技術(shù)上、性能上、價(jià)格上實(shí)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將是問(wèn)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(jī)械式水表中安裝發(fā)訊裝置以提供計(jì)量信號(hào)給水表電子主控電路以實(shí)現(xiàn)用水自動(dòng)計(jì)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(gè)計(jì)量單位(一般是0.01m3或0.1m3)的水流經(jīng)過(guò)后，磁敏元件就發(fā)出一脈沖信號(hào)給主控電路用以計(jì)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(shí)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(shì)，而優(yōu)質(zhì)干簧管100萬(wàn)次以上的工作壽命也完全能滿(mǎn)足水表的使用周期。霍爾元件的功耗普遍在mA級(jí)，雖然也出現(xiàn)了微功耗的新品，(如Allegro公司的開(kāi)關(guān)型霍爾元件A3210，它的靜態(tài)功耗只有1μA。)但是其價(jià)格相對(duì)比較昂貴。

2.2控制閥門(mén)

智能水表通過(guò)主控電路對(duì)水表進(jìn)水閥門(mén)進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，從而達(dá)到控制用戶(hù)用水的目的。因而，可靠性應(yīng)是閥門(mén)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。在智能水表設(shè)計(jì)的前期，應(yīng)該說(shuō)電磁閥是一種普遍的選擇，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且功耗較低。但是經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)后，其缺點(diǎn)也不可避免地暴露出來(lái)。 簡(jiǎn)要地說(shuō)，首先，電磁閥的抗震性較差，這也是最為致命的一個(gè)弱點(diǎn);其次，電磁閥內(nèi)的塑料部件在長(zhǎng)期的水浸泡環(huán)境中容易變形、受腐蝕，從而影響閥的開(kāi)關(guān)性能。于是，電動(dòng)閥的設(shè)計(jì)趨勢(shì)應(yīng)運(yùn)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(gè)大前提下，電動(dòng)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(jìn)一步的調(diào)整。雙穩(wěn)態(tài)電動(dòng)閥是一種設(shè)計(jì)思路，此類(lèi)閥門(mén)旨在利用電磁傳導(dǎo)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)閥，達(dá)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(gè)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(jī)在這方面的整體優(yōu)勢(shì)比較明顯。并且它特有的精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)和總線(xiàn)的哈佛結(jié)構(gòu)與同類(lèi)單片機(jī)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(gè)理想的選擇。再?gòu)男詢(xún)r(jià)比考慮，PIC16C57和PIC16C62為兩款不錯(cuò)的選擇，它們片內(nèi)都自帶Watchdog定時(shí)器，前者為2K*12位EPROM，80*8位RAM，20個(gè)I/O口;后者有2K*14位EPROM，128 RAM，20個(gè)I/O口，以及7級(jí)中斷。當(dāng)然，PIC16C57更為低價(jià)，但因其無(wú)中斷功能，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)只能采用查詢(xún)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(chǔ)器

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)來(lái)自于經(jīng)CPU計(jì)算、處理后的有關(guān)水表的各種信息，如購(gòu)水量、用水量、用戶(hù)編碼等等。ATMEL公司的256*8位E2PROM通用存儲(chǔ)器AT24LC01簡(jiǎn)單易用，而且價(jià)格十分低廉，完全能滿(mǎn)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(lèi)、加密類(lèi)存儲(chǔ)器，但在象智能水表這樣的產(chǎn)品中卻無(wú)必要，因?yàn)殡娐钒迨敲芊庠谒碇械?，而CPU與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)交換無(wú)外部接口，所以無(wú)所謂數(shù)鋸失竊。

2.3.4 IC卡的讀寫(xiě)

IC卡讀寫(xiě)模塊為主控電路與IC卡的邏輯接口電路，它首先應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)IC卡的供電，并滿(mǎn)足不帶電插拔的要求(若帶電插拔，有可能會(huì)給IC卡帶來(lái)?yè)p傷，甚至損壞IC卡)，這可以通過(guò)硬件和軟件兩方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，當(dāng)CPU通過(guò)IC卡座的IC卡檢測(cè)開(kāi)關(guān)檢測(cè)到IC卡插入時(shí)，IC-PWR端口經(jīng)過(guò)適當(dāng)延時(shí)(10ms左右)發(fā)出一低電平，通過(guò)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(jì)時(shí)，當(dāng)對(duì)IC卡的讀寫(xiě)完成后，及時(shí)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(hù)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(xiàn)路干擾和邏輯電平變化的邊沿產(chǎn)生抖動(dòng)所帶來(lái)的瞬間過(guò)壓，為IC卡提供了進(jìn)一步的保護(hù)措施。

2.3.5　開(kāi)關(guān)閥控制

水表閥門(mén)的開(kāi)關(guān)是CPU依據(jù)一定的開(kāi)關(guān)條件定時(shí)導(dǎo)通開(kāi)關(guān)電器回路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)開(kāi)關(guān)閥控制的設(shè)計(jì)要掌握兩個(gè)要點(diǎn)：一是在軟件上控制好對(duì)開(kāi)關(guān)閥電路的電流輸出時(shí)間，也即回路導(dǎo)通時(shí)間，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電池耗能太多;時(shí)間過(guò)短，不能可靠開(kāi)關(guān)閥門(mén)。二是在硬件電路上要有一個(gè)針對(duì)關(guān)閥的儲(chǔ)能電路，當(dāng)電源失電時(shí)，該電路能及時(shí)釋放電能，關(guān)閉閥門(mén)。

2.3.6　低電壓檢測(cè)

低電壓檢測(cè)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)講是個(gè)十分重要的問(wèn)題，它在某種程度上起到了保障系統(tǒng)可靠運(yùn)行，避免數(shù)據(jù)出錯(cuò)的作用，智能水表的設(shè)計(jì)中同樣如此。具體地講，應(yīng)該在系統(tǒng)掉電到一個(gè)門(mén)限電壓(該門(mén)限電壓應(yīng)高于CPU的最低運(yùn)行電壓)時(shí)，通過(guò)相應(yīng)的電壓檢測(cè)電路把信號(hào)傳遞給CPU，CPU及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件復(fù)位。電壓檢測(cè)器可以選用合泰公司的HT70系列產(chǎn)品，此產(chǎn)品價(jià)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(kāi)關(guān)閥狀態(tài)、電池狀態(tài)等)顯示可通過(guò)串行液晶模塊來(lái)完成，串行液晶模塊與CPU的接口簡(jiǎn)單，只占用DATA、WR、CS三條接口線(xiàn)，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(mǎn)足低功耗的要求，可讓液晶平時(shí)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(hào)處理

對(duì)來(lái)自于發(fā)訊基表的脈沖信號(hào)，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)作"防抖動(dòng)"處理。因?yàn)樵趯?shí)際生活中 我們經(jīng)常會(huì)遇見(jiàn)這樣的情況：當(dāng)自來(lái)水管中進(jìn)入一定量的空氣后，打開(kāi)籠頭用水，水管會(huì)瞬間不停震動(dòng)，如果此時(shí)磁鋼與干簧管的位置剛好處于臨界狀態(tài)，就會(huì)不停地將脈沖信號(hào)發(fā)給 CPU，使CPU無(wú)法正確計(jì)數(shù)。相應(yīng)的措施是當(dāng)CPU接收到一脈沖信號(hào)后經(jīng)適當(dāng)延時(shí)(該延 時(shí)只要小于水表過(guò)載流量時(shí)磁鋼與干簧管的最大吸合時(shí)間即可)。再來(lái)檢測(cè)該信號(hào)是否依然存在，如果沒(méi)有，則認(rèn)為是假信號(hào)。

2.3.9　抗攻擊模塊

抗攻擊模塊是針對(duì)采用高壓、靜電等手段對(duì)卡口進(jìn)行惡意攻擊從而引起系統(tǒng)癱瘓而設(shè)置的保護(hù)電路。象北京握奇公司，富根公司等國(guó)內(nèi)廠(chǎng)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(chǔ)卡、邏輯加密卡、CPU卡三大類(lèi)?？ㄆ鳛橛脩?hù)和供水部門(mén)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(wèn)題。

普通存儲(chǔ)卡芯片無(wú)安全邏輯，設(shè)計(jì)人員一般通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的加密算法和滾動(dòng)存儲(chǔ)相結(jié)合的方法對(duì)數(shù)據(jù)安全性加以考慮，但由于普通存儲(chǔ)卡內(nèi)容可通過(guò)讀卡設(shè)備直接讀出，數(shù)據(jù)能被隨意篡改，并且真實(shí)數(shù)據(jù)極有可能經(jīng)過(guò)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(duì)功能，一般情況下，只有通過(guò)用戶(hù)密碼和應(yīng)用區(qū)密碼才能對(duì)卡內(nèi)應(yīng)用區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，卡內(nèi)設(shè)置密碼計(jì)數(shù)器，一旦輸入錯(cuò)誤密碼次數(shù)超過(guò)密碼計(jì)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)?，如果通過(guò)儀器"竊聽(tīng)"獲得數(shù)據(jù)，就能達(dá)到制作偽卡的目的。通常的做法是對(duì)卡上重要數(shù)據(jù)進(jìn)行DES、RSA等國(guó)際通行的密碼算法進(jìn)行加密，以作為反"竊聽(tīng)"的有效手段。邏輯加密卡價(jià)格比較低廉，如果智能水表的收費(fèi)不納入"城市一卡通"系統(tǒng)，那么，它將是一種不錯(cuò)的選擇。像西門(mén)子公司的SLE4442內(nèi)含256*8位E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，32*1位保護(hù)存儲(chǔ)器，和一個(gè)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(diǎn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是安全機(jī)制上更為嚴(yán)密，它的片內(nèi)操作系統(tǒng)(COS)能對(duì)密鑰進(jìn)行有效管理，并使數(shù)據(jù)在卡內(nèi)進(jìn)行加密運(yùn)算、比較，從而對(duì)卡、持卡人、讀卡設(shè)備的合法性進(jìn)行相互鑒別;二是在"一卡多用"上有較強(qiáng)的靈活性，可以同時(shí)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(diǎn)，對(duì)"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?yàn)楫吘笴PU卡的價(jià)格仍然較高。

2.5 軟件流程圖

圖3是根據(jù)查詢(xún)方式設(shè)計(jì)的軟件流程：