摘 要： 本文詳細(xì)介紹了智能IC卡水表及售水管理系統(tǒng)的組成、功能；主要對(duì)智能IC卡水表控制器工作原理及軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，最后討論了IC卡水表的應(yīng)用。
關(guān)鍵字： IC卡水表；控制器；低功耗；邏輯加密卡
引言
由于水資源的日益珍貴，社會(huì)越來越提倡節(jié)約用水。采用現(xiàn)在高科技術(shù)進(jìn)行用水管理，已成為一種發(fā)展方向，并且已在很多城市得到應(yīng)用，取得很好的效果。智能IC卡水表及收費(fèi)系統(tǒng)[1]，是采用世界上最先進(jìn)的科技技術(shù)，進(jìn)行用水計(jì)量、控制和收費(fèi)的系統(tǒng)。它實(shí)現(xiàn)先付費(fèi)后使用的結(jié)算管理模式，徹底改變了傳統(tǒng)抄表付費(fèi)的用水方式，該表特別適合新建城市以及舊城改造。采用智能IC卡水表進(jìn)行收費(fèi)管理，可以徹底解決過去用水收費(fèi)難的問題，省去了管理部門上門抄表、收費(fèi)等煩雜工作；可以方便用戶用水，買多少水用多少水，多買多用，不用管理部門進(jìn)門抄表，免受打擾，滿足人們安寧家居的要求。
1 智能IC卡水表及售水管理系統(tǒng)的組成
智能IC卡水表是一種新型的計(jì)量表，智能IC卡水表是以帶有發(fā)信裝置的冷水水表為計(jì)量基表，以IC卡為媒體，加裝電子控制器和電控閥所組成的一種具有預(yù)付費(fèi)功能的水量計(jì)量儀器。
IC卡水表售水管理系統(tǒng)[2][3]是要用戶先到用水管理單位購水，才能用水的系統(tǒng)。IC卡水表及售水管理系統(tǒng)是由IC卡水表、IC卡、讀寫器、售水微機(jī)、售水管理系統(tǒng)組成，如圖1所示。
圖1 智能IC卡水表及售水管理系統(tǒng)的組成
IC卡水表是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，也是系統(tǒng)中使用數(shù)量最多的部件。它安裝在用戶的用水管路中，主要起用水計(jì)量、顯示和控制的作用。IC卡，主要功能是記錄用戶從銀行或用水管理單位購買的水量信息，傳給IC卡水表。讀寫器主要是完成IC卡的讀寫操作及與計(jì)算機(jī)的通信功能。售水管理軟件是記錄用戶購水信息，完成計(jì)算機(jī)與讀寫器的通信等功能的軟件。
2 IC卡水表的組成及控制器的工作原理
IC卡水表一般由計(jì)量基表、控制器和電控閥三大部分組成，如圖2所示。
圖2 IC卡水表的組成
基表主要完成流量計(jì)量及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，將計(jì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給控制器。控制器主要由電控板、傳感器、顯示器及電池等組成，傳感器將水表的流量變換成電脈沖信號(hào)，送到控制部分的微處理器完成水的計(jì)量，微處理器將數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理；遇到設(shè)定的狀況，如剩余水量不足、有強(qiáng)磁或外力攻擊等，控制器將向電控閥發(fā)出指令，強(qiáng)迫關(guān)閥停水；顯示器顯示用戶用水信息及操作提示等。電控閥門由微型電機(jī)和閥門組成，完成關(guān)斷和開通水路的功能。
IC卡水表選用旋翼式水表作為基表，在它的水表計(jì)數(shù)器齒輪上裝有磁鋼。傳感器由固定的干簧管和裝在水表計(jì)數(shù)輪上的永久磁鋼構(gòu)成，磁鋼安裝在X0.01立方米位的齒輪軸上，于是每流過0.1立方米水，干簧管接觸一次，所以該水表的最低顯示位為0.1立方米。為了計(jì)量準(zhǔn)確采了用雙簧管檢測(cè)水量。顯示器為液晶顯示，它顯示的內(nèi)容有剩余水量、電池欠壓、購水提示、錯(cuò)誤操作提示等。
3 IC卡水表控制器的設(shè)計(jì)
3.1 IC卡水表控制器的硬件設(shè)計(jì)
圖3 是基于飛利浦單片機(jī)的IC卡水表的硬件電路圖。
圖3 IC卡水表控制器的硬件電路圖
IC卡表電控部分采用嚴(yán)格的低功耗設(shè)計(jì)[4]技術(shù)，采用菲利普的低功耗單片機(jī)P89LPC764做控制器的CPU，采用四級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，使水表在沒有水流經(jīng)過和其它中斷響應(yīng)時(shí)，處于掉電工作模式，這不僅巧妙地解決了控制閥的低功耗運(yùn)行，而且使作為衡量IC卡表技術(shù)性能的重要指標(biāo)－常態(tài)電流（靜態(tài)電流）小于17μA，遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)行的建設(shè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中≤30μA的指標(biāo)，這使IC卡水表不僅能采用鋰電池供電，而且不難算出目前采用的鋰電池容量為1900mAh，使用時(shí)間應(yīng)在10年以上，考慮各種不利因素，完全可保證使用6年以上。整個(gè)電路包括脈沖信號(hào)采集單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制單元、讀寫卡單元、液晶驅(qū)動(dòng)單元及電源監(jiān)控部分，從而實(shí)現(xiàn)水表的各大功能。
3.2 IC卡水表控制器的軟件設(shè)計(jì)
IC卡水表它采用掃描工作方式，CPU自動(dòng)識(shí)別水介質(zhì)，在水介質(zhì)中可正常讀寫數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用了加密技術(shù)，一戶一卡一碼，使水表在使用中數(shù)據(jù)保密性極強(qiáng)。它通過IC卡傳輸數(shù)據(jù)加密、IC卡水表存儲(chǔ)數(shù)據(jù)加密及IC卡讀寫軟件加密鎖等方法使傳輸數(shù)據(jù)不能非法解讀，保證了整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程的安全性。局外人根本無法破譯，也無法制作偽卡，安全性很高。
IC卡智能水表，除具備普通水表的技術(shù)性能和基本功能外，還有很多功能，其功能主要由IC卡水表控制器軟件來完成的。其軟件實(shí)現(xiàn)的功能包括：
1）預(yù)付費(fèi)功能：通過購水卡實(shí)現(xiàn)先買水后用水。用戶可將已購水的購水卡插入自家水表，直至水表控制器顯示出剩余水量。用戶可購買水量輸入，控制器會(huì)自動(dòng)累加并顯示剩余水量。
2）電子計(jì)量功能：本水表采用脈沖記數(shù)方式自動(dòng)計(jì)量用戶用水量，配合原旋翼式水表使用，絕不改變?cè)碛?jì)量精度。
3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)回讀功能：智能水表控制器具有脈沖采樣及處理電路，在任何時(shí)候電源掉電時(shí)，所有運(yùn)行數(shù)據(jù)都會(huì)被存儲(chǔ)到機(jī)內(nèi)EEPROM中，保存時(shí)間達(dá)十年以上；用戶卡在購水時(shí)，上次插卡時(shí)的表內(nèi)數(shù)據(jù)自動(dòng)出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)操作人員面前。
4）限量功能：為避免用戶囤積過多的可用水量，本產(chǎn)品設(shè)置了限購水量這一功能，以免囤積過多水量。
5）余量和水表信息查詢功能：購水卡插入控制器盒，液晶顯示窗上均能顯示出該用戶還有多少剩余水量；用“檢查卡”可查詢到任一用戶水表的現(xiàn)行使用狀態(tài)，如：表號(hào)、購水次數(shù)、報(bào)警水量等等。
6）報(bào)警功能：可用水量在小于或等于報(bào)警水量時(shí)，水表控制器關(guān)閥切斷水源，提醒用戶及時(shí)購水，用戶必須用有效卡插一次方能繼續(xù)用水，直至用完關(guān)閥切斷水源。
7）一戶一卡和補(bǔ)卡功能：用戶的IC卡只能在自己的水表上使用，在其它用戶智能水表上使用無效，實(shí)現(xiàn)一戶一卡，購買的水量一次讀入有效。當(dāng)用戶購水卡丟失時(shí)，可以為用戶補(bǔ)發(fā)水卡。
8）閥門異常計(jì)量功能：如果閥門發(fā)生故障而不能關(guān)斷，致使用戶在已購水量用完時(shí)還能用水，則控制器將會(huì)繼續(xù)計(jì)量“透支”水量。當(dāng)用戶再次購水時(shí)，控制器能自動(dòng)扣減透支的“過零”水量，并將 透支的過零水量返寫到用戶的購水卡上。當(dāng)用戶再到營業(yè)所購水時(shí)，電腦能讀出該用戶透支的過零水量，并提醒營業(yè)員注意，下次購水自動(dòng)扣除過零水量。
9）低電壓正常工作、報(bào)警功能：產(chǎn)品采用單電池工作技術(shù)，整表供電只需一節(jié)3.6伏鋰電池，與雙電池電路相比，它的工作更加穩(wěn)定可靠；電路板正常工作的電壓為2.2～4.4V。當(dāng)電壓低于2.8V時(shí)，水表控制系統(tǒng)將報(bào)警，關(guān)閉閥門。
10）卡座防水功能：IC卡長時(shí)間與水接觸，對(duì)卡座的正常使用無影響；同時(shí)，CPU自動(dòng)識(shí)別水介質(zhì)，在水介質(zhì)中可正常讀寫數(shù)據(jù)。
11）卡口防攻擊功能：卡口可防止多種行為的攻擊，特別是針對(duì)一些無痕跡攻擊，制定了一些針鋒相對(duì)的措施，比如卡口內(nèi)不插卡，而塞入鐵片等，均為無效攻擊。
12）防磁攻擊：當(dāng)有外強(qiáng)磁接近控制器時(shí)，自動(dòng)關(guān)閥。
13）IC卡長時(shí)間處于插入狀態(tài)時(shí)不會(huì)影響電池功耗及壽命，當(dāng)使用者忘記拔卡時(shí)，控制器液晶顯示3秒左右后，液晶自動(dòng)停止顯示狀態(tài)，控制電路處于低功耗休眠狀態(tài)。
14）自動(dòng)除垢功能：針對(duì)北方水質(zhì)較硬，易起垢等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)除垢功能。每月電機(jī)帶動(dòng)閥門開、關(guān)一次，清除閥門上的水垢。同時(shí)，電池定期放電，也增長了電池的使用壽命。
15）一卡多用功能：數(shù)據(jù)傳輸所選用的IC卡為SIMENS4428卡，它具有超大容量的特點(diǎn)。目前一只水表只占用了它1/12的容量，還有大量的空間可用于其它功能的擴(kuò)展，比如加入售電信息、售氣信息、收取其它物業(yè)費(fèi)用等。
4 IC卡水表控制器的應(yīng)用
IC卡水表在設(shè)計(jì)上其外型尺寸和老式基表在長度和口徑上完全相同，因此安裝及老表改造方便。在工程中使用的水表，其安裝與使用[5]應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：
1）選擇IC卡水表應(yīng)根據(jù)管道經(jīng)常使用的流量小于或接近水表的常用流量為宜，不能單純以管道口徑確定水表。
2）安裝位置要避免曝曬、冰凍、污染和水淹，以便拆裝和充值；表必須水平安裝，使字面朝上，表殼上箭頭方向與水流方向相同；為了計(jì)量準(zhǔn)確，水龍頭應(yīng)高于水表；水表如安裝在進(jìn)水管處，應(yīng)裝止回閥；新裝管道務(wù)必把管內(nèi)石子、泥沙、麻絲等雜物沖洗干凈后裝水表，以免造成水表故障。
3）水表不應(yīng)直接與管道連接，水表與管道間應(yīng)有活動(dòng)接口[6]（如管接頭、連接螺絲，接管密封墊圈等）。拆裝水表時(shí)，不應(yīng)受由管子和管件引起的過度應(yīng)力，以免損失水表。
4）長期使用，管道內(nèi)雜質(zhì)、鐵銹等物會(huì)堵塞過濾網(wǎng)或進(jìn)入表內(nèi)，使水表誤差增大或影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，每隔一段時(shí)間應(yīng)清洗一次，并重新校準(zhǔn)快慢，但不允許自行拆裝。
該水表作為自動(dòng)收費(fèi)管理的主要計(jì)量器具為充分保證其安全性，還采取了多種防竊措施[7]，如IC卡水表采用邏輯加密卡，結(jié)構(gòu)上增加了特別封印，使用戶不能自行拆卸、倒裝；它具有防剪斷檢測(cè)、強(qiáng)磁檢測(cè)、IC卡座惡意破壞檢測(cè)和低電壓檢測(cè)功能，使水表的安全性大大提高。
4 結(jié)束語
隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，各城市一戶一表的大面積實(shí)施，IC卡水表得到了推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)、持卡結(jié)算的理想管理模式，從根本上杜絕欠繳、遲繳漏繳水費(fèi)的現(xiàn)象，使自來水公司收費(fèi)及時(shí)到位。但水表與電表、氣表相比，有著對(duì)電子元器件最不利的潮濕使用環(huán)境，管道中的雜質(zhì)、水的流體力學(xué)特性對(duì)控制閥的影響，使得IC卡水表在使用過程中不斷暴露出監(jiān)管難度大、維修不方便、抄表成本高的缺點(diǎn)[8]。所以，提高IC卡水表的可靠性和穩(wěn)定性，建立遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)和安全機(jī)制是未來智能水表發(fā)展的研究方向。
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