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              智能IC卡水表控制器的設計與應用
            智能IC卡水表控制器的設計與應用
            發布時間:2017/12/8 9:48:48

            要: 本文詳細介紹了智能IC卡水表及售水管理系統的組成、功能;主要對智能IC卡水表控制器工作原理及軟硬件設計進行了詳細闡述,最后討論了IC卡水表的應用。 
            關鍵字: 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,社會越來越提倡節約用水。采用現在高科技術進行用水管理,已成為一種發展方向,并且已在很多城市得到應用,取得很好的效果。智能IC卡水表及收費系統[1],是采用世界上最先進的科技技術,進行用水計量、控制和收費的系統。它實現先付費后使用的結算管理模式,徹底改變了傳統抄表付費的用水方式,該表特別適合新建城市以及舊城改造。采用智能IC卡水表進行收費管理,可以徹底解決過去用水收費難的問題,省去了管理部門上門抄表、收費等煩雜工作;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的組成 
            智能IC卡水表是一種新型的計量表,智能IC卡水表是以帶有發信裝置的冷水水表為計量基表,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付費功能的水量計量儀器。 
            IC卡水表售水管理系統[2][3]是要用戶先到用水管理單位購水,才能用水的系統。IC卡水表及售水管理系統是由IC卡水表、IC卡、讀寫器、售水微機、售水管理系統組成,

            IC卡水表是整個系統的核心部件,也是系統中使用數量最多的部件。它安裝在用戶的用水管路中,主要起用水計量、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算機的通信功能。售水管理軟件是記錄用戶購水信息,完成計算機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卡水表一般由計量基表、控制器和電控閥三大部分組成,

            基表主要完成流量計量及數據轉換,將計量數據實時傳遞給控制器?刂破髦饕呻娍匕、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,送到控制部分的微處理器完成水的計量,微處理器將數據進行簡單處理;遇到設定的狀況,如剩余水量不足、有強磁或外力攻擊等,控制器將向電控閥發出指令,強迫關閥停水;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和閥門組成,完成關斷和開通水路的功能。 
            IC卡水表選用旋翼式水表作為基表,在它的水表計數器齒輪上裝有磁鋼。傳感器由固定的干簧管和裝在水表計數輪上的永久磁鋼構成,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。為了計量準確采了用雙簧管檢測水量。顯示器為液晶顯示,它顯示的內容有剩余水量、電池欠壓、購水提示、錯誤操作提示等。 
            3 IC卡水表控制器的設計 
            3.1 IC卡水表控制器的硬件設計是基于飛利浦單片機的IC卡水表的硬件電路圖。

            IC卡表電控部分采用嚴格的低功耗設計[4]技術,采用菲利普的低功耗單片機P89LPC764做控制器的CPU,采用四級中斷優先級,使水表在沒有水流經過和其它中斷響應時,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行,而且使作為衡量IC卡表技術性能的重要指標-常態電流(靜態電流)小于17μA,遠優于現行的建設部行業標準中≤30μA的指標,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,使用時間應在10年以上,考慮各種不利因素,完全可保證使用6年以上。整個電路包括脈沖信號采集單元、電機驅動及控制單元、讀寫卡單元、液晶驅動單元及電源監控部分,從而實現水表的各大功能。 
            3.2 IC卡水表控制器的軟件設計 
            IC卡水表它采用掃描工作方式,CPU自動識別水介質,在水介質中可正常讀寫數據。數據傳輸應用了加密技術,一戶一卡一碼,使水表在使用中數據保密性極強。它通過IC卡傳輸數據加密、IC卡水表存儲數據加密及IC卡讀寫軟件加密鎖等方法使傳輸數據不能非法解讀,保證了整個數據傳輸過程的安全性。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。其軟件實現的功能包括: 
            1)預付費功能:通過購水卡實現先買水后用水。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,控制器會自動累加并顯示剩余水量。 
            2)電子計量功能:本水表采用脈沖記數方式自動計量用戶用水量,配合原旋翼式水表使用,絕不改變原水表計量精度。 
            3)數據存儲和數據回讀功能:智能水表控制器具有脈沖采樣及處理電路,在任何時候電源掉電時,所有運行數據都會被存儲到機內EEPROM中,保存時間達十年以上;用戶卡在購水時,上次插卡時的表內數據自動出現在計算機操作人員面前。 
            4)限量功能:為避免用戶囤積過多的可用水量,本產品設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行使用狀態,如:表號、購水次數、報警水量等等。 
            6)報警功能:可用水量在小于或等于報警水量時,水表控制器關閥切斷水源,提醒用戶及時購水,用戶必須用有效卡插一次方能繼續用水,直至用完關閥切斷水源。 
            7)一戶一卡和補卡功能: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,實現一戶一卡,購買的水量一次讀入有效。當用戶購水卡丟失時,可以為用戶補發水卡。 
            8)閥門異常計量功能:如果閥門發生故障而不能關斷,致使用戶在已購水量用完時還能用水,則控制器將會繼續計量透支水量。當用戶再次購水時,控制器能自動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。當用戶再到營業所購水時,電腦能讀出該用戶透支的過零水量,并提醒營業員注意,下次購水自動扣除過零水量。 
            9)低電壓正常工作、報警功能:產品采用單電池工作技術,整表供電只需一節3.6伏鋰電池,與雙電池電路相比,它的工作更加穩定可靠;電路板正常工作的電壓為2.24.4V。當電壓低于2.8V時,水表控制系統將報警,關閉閥門。 
            10)卡座防水功能:IC卡長時間與水接觸,對卡座的正常使用無影響;同時,CPU自動識別水介質,在水介質中可正常讀寫數據。 
            11)卡口防攻擊功能:卡口可防止多種行為的攻擊,特別是針對一些無痕跡攻擊,制定了一些針鋒相對的措施,比如卡口內不插卡,而塞入鐵片等,均為無效攻擊。 
            12)防磁攻擊:當有外強磁接近控制器時,自動關閥。 
            13IC卡長時間處于插入狀態時不會影響電池功耗及壽命,當使用者忘記拔卡時,控制器液晶顯示3秒左右后,液晶自動停止顯示狀態,控制電路處于低功耗休眠狀態。 
            14)自動除垢功能:針對北方水質較硬,易起垢等特點,設計了自動除垢功能。每月電機帶動閥門開、關一次,清除閥門上的水垢。同時,電池定期放電,也增長了電池的使用壽命。 
            15)一卡多用功能:數據傳輸所選用的IC卡為SIMENS4428卡,它具有超大容量的特點。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展,比如加入售電信息、售氣信息、收取其它物業費用等。 
            4 IC卡水表控制器的應用 
            IC卡水表在設計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]應注意如下幾點: 
            1)選擇IC卡水表應根據管道經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;為了計量準確,水龍頭應高于水表;水表如安裝在進水管處,應裝止回閥;新裝管道務必把管內石子、泥沙、麻絲等雜物沖洗干凈后裝水表,以免造成水表故障。 
            3)水表不應直接與管道連接,水表與管道間應有活動接口[6](如管接頭、連接螺絲,接管密封墊圈等)。拆裝水表時,不應受由管子和管件引起的過度應力,以免損失水表。 
            4)長期使用,管道內雜質、鐵銹等物會堵塞過濾網或進入表內,使水表誤差增大或影響正常運轉,因此,每隔一段時間應清洗一次,并重新校準快慢,但不允許自行拆裝。 
            該水表作為自動收費管理的主要計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,結構上增加了特別封印,使用戶不能自行拆卸、倒裝;它具有防剪斷檢測、強磁檢測、IC卡座惡意破壞檢測和低電壓檢測功能,使水表的安全性大大提高。 
            4 結束語 
            隨著城市規模不斷擴大,各城市一戶一表的大面積實施,IC卡水表得到了推廣應用,實現預付費、持卡結算的理想管理模式,從根本上杜絕欠繳、遲繳漏繳水費的現象,使自來水公司收費及時到位。但水表與電表、氣表相比,有著對電子元器件最不利的潮濕使用環境,管道中的雜質、水的流體力學特性對控制閥的影響,使得IC卡水表在使用過程中不斷暴露出監管難度大、維修不方便、抄表成本高的缺點[8]。所以,提高IC卡水表的可靠性和穩定性,建立遠程抄表系統和安全機制是未來智能水表發展的研究方向。

            要: 本文詳細介紹了智能IC卡水表及售水管理系統的組成、功能;主要對智能IC卡水表控制器工作原理及軟硬件設計進行了詳細闡述,最后討論了IC卡水表的應用。 
            關鍵字: 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,社會越來越提倡節約用水。采用現在高科技術進行用水管理,已成為一種發展方向,并且已在很多城市得到應用,取得很好的效果。智能IC卡水表及收費系統[1],是采用世界上最先進的科技技術,進行用水計量、控制和收費的系統。它實現先付費后使用的結算管理模式,徹底改變了傳統抄表付費的用水方式,該表特別適合新建城市以及舊城改造。采用智能IC卡水表進行收費管理,可以徹底解決過去用水收費難的問題,省去了管理部門上門抄表、收費等煩雜工作;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的組成 
            智能IC卡水表是一種新型的計量表,智能IC卡水表是以帶有發信裝置的冷水水表為計量基表,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付費功能的水量計量儀器。 
            IC卡水表售水管理系統[2][3]是要用戶先到用水管理單位購水,才能用水的系統。IC卡水表及售水管理系統是由IC卡水表、IC卡、讀寫器、售水微機、售水管理系統組成,

            IC卡水表是整個系統的核心部件,也是系統中使用數量最多的部件。它安裝在用戶的用水管路中,主要起用水計量、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算機的通信功能。售水管理軟件是記錄用戶購水信息,完成計算機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卡水表一般由計量基表、控制器和電控閥三大部分組成,

            基表主要完成流量計量及數據轉換,將計量數據實時傳遞給控制器?刂破髦饕呻娍匕、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,送到控制部分的微處理器完成水的計量,微處理器將數據進行簡單處理;遇到設定的狀況,如剩余水量不足、有強磁或外力攻擊等,控制器將向電控閥發出指令,強迫關閥停水;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和閥門組成,完成關斷和開通水路的功能。 
            IC卡水表選用旋翼式水表作為基表,在它的水表計數器齒輪上裝有磁鋼。傳感器由固定的干簧管和裝在水表計數輪上的永久磁鋼構成,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。為了計量準確采了用雙簧管檢測水量。顯示器為液晶顯示,它顯示的內容有剩余水量、電池欠壓、購水提示、錯誤操作提示等。 
            3 IC卡水表控制器的設計 
            3.1 IC卡水表控制器的硬件設計是基于飛利浦單片機的IC卡水表的硬件電路圖。

            IC卡表電控部分采用嚴格的低功耗設計[4]技術,采用菲利普的低功耗單片機P89LPC764做控制器的CPU,采用四級中斷優先級,使水表在沒有水流經過和其它中斷響應時,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行,而且使作為衡量IC卡表技術性能的重要指標-常態電流(靜態電流)小于17μA,遠優于現行的建設部行業標準中≤30μA的指標,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,使用時間應在10年以上,考慮各種不利因素,完全可保證使用6年以上。整個電路包括脈沖信號采集單元、電機驅動及控制單元、讀寫卡單元、液晶驅動單元及電源監控部分,從而實現水表的各大功能。 
            3.2 IC卡水表控制器的軟件設計 
            IC卡水表它采用掃描工作方式,CPU自動識別水介質,在水介質中可正常讀寫數據。數據傳輸應用了加密技術,一戶一卡一碼,使水表在使用中數據保密性極強。它通過IC卡傳輸數據加密、IC卡水表存儲數據加密及IC卡讀寫軟件加密鎖等方法使傳輸數據不能非法解讀,保證了整個數據傳輸過程的安全性。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。其軟件實現的功能包括: 
            1)預付費功能:通過購水卡實現先買水后用水。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,控制器會自動累加并顯示剩余水量。 
            2)電子計量功能:本水表采用脈沖記數方式自動計量用戶用水量,配合原旋翼式水表使用,絕不改變原水表計量精度。 
            3)數據存儲和數據回讀功能:智能水表控制器具有脈沖采樣及處理電路,在任何時候電源掉電時,所有運行數據都會被存儲到機內EEPROM中,保存時間達十年以上;用戶卡在購水時,上次插卡時的表內數據自動出現在計算機操作人員面前。 
            4)限量功能:為避免用戶囤積過多的可用水量,本產品設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行使用狀態,如:表號、購水次數、報警水量等等。 
            6)報警功能:可用水量在小于或等于報警水量時,水表控制器關閥切斷水源,提醒用戶及時購水,用戶必須用有效卡插一次方能繼續用水,直至用完關閥切斷水源。 
            7)一戶一卡和補卡功能: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,實現一戶一卡,購買的水量一次讀入有效。當用戶購水卡丟失時,可以為用戶補發水卡。 
            8)閥門異常計量功能:如果閥門發生故障而不能關斷,致使用戶在已購水量用完時還能用水,則控制器將會繼續計量透支水量。當用戶再次購水時,控制器能自動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。當用戶再到營業所購水時,電腦能讀出該用戶透支的過零水量,并提醒營業員注意,下次購水自動扣除過零水量。 
            9)低電壓正常工作、報警功能:產品采用單電池工作技術,整表供電只需一節3.6伏鋰電池,與雙電池電路相比,它的工作更加穩定可靠;電路板正常工作的電壓為2.24.4V。當電壓低于2.8V時,水表控制系統將報警,關閉閥門。 
            10)卡座防水功能:IC卡長時間與水接觸,對卡座的正常使用無影響;同時,CPU自動識別水介質,在水介質中可正常讀寫數據。 
            11)卡口防攻擊功能:卡口可防止多種行為的攻擊,特別是針對一些無痕跡攻擊,制定了一些針鋒相對的措施,比如卡口內不插卡,而塞入鐵片等,均為無效攻擊。 
            12)防磁攻擊:當有外強磁接近控制器時,自動關閥。 
            13IC卡長時間處于插入狀態時不會影響電池功耗及壽命,當使用者忘記拔卡時,控制器液晶顯示3秒左右后,液晶自動停止顯示狀態,控制電路處于低功耗休眠狀態。 
            14)自動除垢功能:針對北方水質較硬,易起垢等特點,設計了自動除垢功能。每月電機帶動閥門開、關一次,清除閥門上的水垢。同時,電池定期放電,也增長了電池的使用壽命。 
            15)一卡多用功能:數據傳輸所選用的IC卡為SIMENS4428卡,它具有超大容量的特點。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展,比如加入售電信息、售氣信息、收取其它物業費用等。 
            4 IC卡水表控制器的應用 
            IC卡水表在設計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]應注意如下幾點: 
            1)選擇IC卡水表應根據管道經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;為了計量準確,水龍頭應高于水表;水表如安裝在進水管處,應裝止回閥;新裝管道務必把管內石子、泥沙、麻絲等雜物沖洗干凈后裝水表,以免造成水表故障。 
            3)水表不應直接與管道連接,水表與管道間應有活動接口[6](如管接頭、連接螺絲,接管密封墊圈等)。拆裝水表時,不應受由管子和管件引起的過度應力,以免損失水表。 
            4)長期使用,管道內雜質、鐵銹等物會堵塞過濾網或進入表內,使水表誤差增大或影響正常運轉,因此,每隔一段時間應清洗一次,并重新校準快慢,但不允許自行拆裝。 
            該水表作為自動收費管理的主要計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,結構上增加了特別封印,使用戶不能自行拆卸、倒裝;它具有防剪斷檢測、強磁檢測、IC卡座惡意破壞檢測和低電壓檢測功能,使水表的安全性大大提高。 
            4 結束語 
            隨著城市規模不斷擴大,各城市一戶一表的大面積實施,IC卡水表得到了推廣應用,實現預付費、持卡結算的理想管理模式,從根本上杜絕欠繳、遲繳漏繳水費的現象,使自來水公司收費及時到位。但水表與電表、氣表相比,有著對電子元器件最不利的潮濕使用環境,管道中的雜質、水的流體力學特性對控制閥的影響,使得IC卡水表在使用過程中不斷暴露出監管難度大、維修不方便、抄表成本高的缺點[8]。所以,提高IC卡水表的可靠性和穩定性,建立遠程抄表系統和安全機制是未來智能水表發展的研究方向。

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