智能水表的设计

摘要：  本文对智能水表的整体设计进行了讨论，并对相应的设计要点进行了阐述。

关键字：  智能水表，  抄表方式，  发讯基表

本文对智能水表的整体设计进行了讨论，并对相应的设计要点进行了阐述。

1、 引言

智能水表因其从根本上改变了传统的抄表方式，实行买卡用水的收费模式，在节省大量人力的基础上，同时解决了长期困扰供水行业的水费拖欠问题，因而将直接给供水行业带来巨大的经济效益。所以，它的可实施性正被日益看好。而如何对水表在技术上、性能上、价格上实行优化设计，将是问题的关键所在。

2、 智能水表的组成部分

2.1发讯基表

发讯基表就是在普通的机械式水表中安装发讯装置以提供计量信号给水表电子主控电路以实现用水自动计量。水表的发讯装置由一小磁钢与一磁敏元件以一定的位置关系构成，当一个计量单位(一般是0.01m3或0.1m3)的水流经过后，磁敏元件就发出一脉冲信号给主控电路用以计数。目前，普遍采用的磁敏元件有干簧管和霍尔元件两种。干簧管因其静态时的零功耗性能在电池供电的微功耗智能水表中占有明显的优势，而优质干簧管100万次以上的工作寿命也完全能满足水表的使用周期。霍尔元件的功耗普遍在mA级，近年来，虽然也出现了微功耗的新品，(如Allegro公司的开关型霍尔元件A3210，它的静态功耗只有1μA。)但是其价格相对比较昂贵。

2.2控制阀门

智能水表通过主控电路对水表进水阀门进行开关控制，从而达到控制用户用水的目的。因而，可靠性应是阀门的设计要点。在智能水表设计的前期，应该说电磁阀是一种普遍的选择，因为它结构简单，并且功耗较低。但是经反复试验后，其缺点也不可避免地暴露出来。 简要地说，首先，电磁阀的抗震性较差，这也是最为致命的一个弱点;其次，电磁阀内的塑料部件在长期的水浸泡环境中容易变形、受腐蚀，从而影响阀的开关性能。于是，电动阀的设计趋势应运而生，虽然，与电磁阀相比，它的结构较为复杂，功耗也较大，但是，在可靠性这个大前提下，电动阀应该比较具有应用前景，当然，在结构上需作进一步的调整。双稳态电动阀是一种设计思路，此类阀门旨在利用电磁传导驱动电动阀，达到降低能耗的目的。

2.3主控电路

2.3.1结构框图

图 1

2.3.2 CPU选型

智能水表是一个小型的电池供电系统，因此，CPU的选型应着重从低电压、低功耗、高带载能力考虑。Microchip公司的PIC系列单片机在这方面的整体优势比较明显。并且它特有的精简指令集(RISC)结构和总线的哈佛结构与同类单片机相比程序代码可节省一半，指令速度可提高五倍左右，所以不失为一个理想的选择。再从性价比考虑，PIC16C57和PIC16C62为两款不错的选择，它们片内都自带Watchdog定时器，前者为2K*12位EPROM，80*8位RAM，20个I/O口;后者有2K*14位EPROM，128 RAM，20个I/O口，以及7级中断。当然，PIC16C57更为低价，但因其无中断功能，在软件设计时只能采用查询方式，相比于中断方式，在节省功耗方面稍逊一筹，但影响不大。

2.3.3数据存储器

数据存储器用于存储来自于经CPU计算、处理后的有关水表的各种信息，如购水量、用水量、用户编码等等。ATMEL公司的256*8位E2PROM通用存储器AT24LC01简单易用，而且价格十分低廉，完全能满足使用要求。虽然目前有许多性能上更胜一筹的可编程监控类、加密类存储器，但在象智能水表这样的产品中却无必要，因为电路板是密封在水表中的，而CPU与存储器之间的数据交换无外部接口，所以无所谓数锯失窃。

2.3.4 IC卡的读写

IC卡读写模块为主控电路与IC卡的逻辑接口电路，它首先应能实现对IC卡的供电，并满足不带电插拔的要求(若带电插拔，有可能会给IC卡带来损伤，甚至损坏IC卡)，这可以通过硬件和软件两方面来实现。如图2所示，当CPU通过IC卡座的IC卡检测开关检测到IC卡插入时，IC-PWR端口经过适当延时(10ms左右)发出一低电平，通过小功率三极管9012控制系统的+5V电源切入，相同地，在软件设计时，当对IC卡的读写完成后，及时让IC-PWR端口发出高电平，切断IC卡的供电电源，以便IC卡拔出。

此外，所有的IC卡接口部分都应加入箝位保护二极管，这些二极管可以使各引脚上的电压严格控制在-VD~VCC+VD之间，(VD是二极管的正向压降，通常为0.6V左右)。这样，可以抑制由于线路干扰和逻辑电平变化的边沿产生抖动所带来的瞬间过压，为IC卡提供了进一步的保护措施。

图2

2.3.5　开关阀控制

水表阀门的开关是CPU依据一定的开关条件定时导通开关电器回路来实现的，对开关阀控制的设计要掌握两个要点：一是在软件上控制好对开关阀电路的电流输出时间，也即回路导通时间，时间过长，电池耗能太多;时间过短，不能可靠开关阀门。二是在硬件电路上要有一个针对关阀的储能电路，当电源失电时，该电路能及时释放电能，关闭阀门。

2.3.6　低电压检测

低电压检测对单片机系统来讲是个十分重要的问题，它在某种程度上起到了保障系统可靠运行，避免数据出错的作用，智能水表的设计中同样如此。具体地讲，应该在系统掉电到一个门限电压(该门限电压应高于CPU的最低运行电压)时，通过相应的电压检测电路把信号传递给CPU，CPU及时对系统进行软件复位。电压检测器可以选用合泰公司的HT70系列产品，此产品价位较低，而且规格十分齐全。

2.3.7　显示

智能水表的信息(水存量、开关阀状态、电池状态等)显示可通过串行液晶模块来完成，串行液晶模块与CPU的接口简单，只占用DATA、WR、CS三条接口线，与并行液晶模块相比大大节省CPU的I/O口资源。另外，为了尽量满足低功耗的要求，可让液晶平时处于休眠状态，用插卡唤醒的方式使其显示。

2.3.8　脉冲信号处理

对来自于发讯基表的脉冲信号，在软件设计时应作"防抖动"处理。因为在实际生活中 我们经常会遇见这样的情况：当自来水管中进入一定量的空气后，打开笼头用水，水管会瞬间不停震动，如果此时磁钢与干簧管的位置刚好处于临界状态，就会不停地将脉冲信号发给 CPU，使CPU无法正确计数。相应的措施是当CPU接收到一脉冲信号后经适当延时(该延 时只要小于水表过载流量时磁钢与干簧管的最大吸合时间即可)。再来检测该信号是否依然存在，如果没有，则认为是假信号。

2.3.9　抗攻击模块

抗攻击模块是针对采用高压、静电等手段对卡口进行恶意攻击从而引起系统瘫痪而设置的保护电路。目前，象北京握奇公司，富根公司等国内厂家有成型产品可以提供，性能上都比较可靠。

2.4　卡的选择

IC卡究其功能划分可分为普通存储卡、逻辑加密卡、CPU卡三大类。卡片作为用户和供水部门之间传递信息的载体，更作为一种电子货币，可靠性之外，安全性当是首要考虑的问题。

普通存储卡芯片无安全逻辑，设计人员一般通过对数据进行一定的加密算法和滚动存储相结合的方法对数据安全性加以考虑，但由于普通存储卡内容可通过读卡设备直接读出，数据能被随意篡改，并且真实数据极有可能经过多次反复比较得出，因而安全性较差，不提倡使用。

逻辑加密卡提供电路的逻辑硬件密码较对功能，一般情况下，只有通过用户密码和应用区密码才能对卡内应用区数据进行访问，卡内设置密码计数器，一旦输入错误密码次数超过密码计数器设置次数，卡将自锁。但是数据在卡的I/O口上是以明码方式传输的，如果通过仪器"窃听"获得数据，就能达到制作伪卡的目的。通常的做法是对卡上重要数据进行DES、RSA等国际通行的密码算法进行加密，以作为反"窃听"的有效手段。逻辑加密卡价格比较低廉，如果智能水表的收费不纳入"城市一卡通"系统，那么，它将是一种不错的选择。像西门子公司的SLE4442内含256*8位E2PROM数据存储器，32*1位保护存储器，和一个可编程安全码(PSC)逻辑，比较符合水表用卡的要求。

CPU卡芯片内本身集成有微处理器，并且有自己的片内操作系统(COS)。与逻辑加密卡相比，CPU卡最主要的优点体现在两个方面：一是安全机制上更为严密，它的片内操作系统(COS)能对密钥进行有效管理，并使数据在卡内进行加密运算、比较，从而对卡、持卡人、读卡设备的合法性进行相互鉴别;二是在"一卡多用"上有较强的灵活性，可以同时兼容几种不同的应用，卡与系统的互相操作受存放在卡中与系统中的软件控制。尤其是第二点，对"一卡通"的意义不容置疑。但具体到水表用卡，还应视情况而定，因为毕竟目前CPU卡的价格仍然较高。

2.5 软件流程图

图3是根据查询方式设计的软件流程：

图3

3.结语

智能水表的应用不但关系到供水部门，更关系到千家万户，因而，多方位、多角度考虑问题的设计态度应是水表最终走向应用的关键。