随着经济的发展、科技的进步,各项高新技术已经逐步走入人们的日常生活,而在居民用水计量管理中也出现了有线集抄等新型技术,它虽然解决了不入户抄表的问题,但仍然没有解决“收费难”的问题。本文介绍的民用预付费智能水表采用新型的预付费模式,用一张小小的卡片改变了管理收费中的经济运行模式,将原有的“先用水,后付费”方式改变为“先付费,后用水”,从而有效地解决了以上种种弊端,避免了大量的人力物力损耗,解决了收费问题和安全问题,实现了居民用水计量管理的科学化、现代化,提高了城市住宅的智能化管理水平。
在现有的普通居民用水计量管理工作中,绝大部分的计量器具仍然是传统的机械字轮式水表,而收费方式则是由大量的抄表人员走入千家万户的居民家中,读取水表的字轮显示数据,通过与原有水表示值的比较,计算出两次抄表之间用户的用水量,再计算出应收费用后向用户征收水费。这样的查表收费方式存在着很大的弊端,即工作量大,手续繁杂,收费时间长,效率低等问题。同时由于用户或其他原因,常常不能按时收费,造成用户对供水公司的资金拖欠。另外还有不法分子冒充抄表人员入户抢劫等事情时有发生,给居民的安全造成了一定的威胁。
随着经济的发展、科技的进步,各项高新技术已经逐步走入人们的日常生活,而在居民用水计量管理中也出现了有线集抄等新型技术,它虽然解决了不入户抄表的问题,但仍然没有解决“收费难”的问题。本文介绍的民用预付费智能水表采用新型的预付费模式,用一张小小的卡片改变了管理收费中的经济运行模式,将原有的“先用水,后付费”方式改变为“先付费,后用水”,从而有效地解决了以上种种弊端,避免了大量的人力物力损耗,解决了收费问题和安全问题,实现了居民用水计量管理的科学化、现代化,提高了城市住宅的智能化管理水平。
1 工作原理
该预付费智能水表是一种将电子和微计算机相结合,并辅助以相应机械结构,根据用户购买水量来实现自动计量收费的民用高科技产品。它以单片机为核心,以逻辑加密卡为信息传递媒介,以电动阀为执行机构,达到控制收费的目的。
该预付费智能水表是安装在每个居民家中,为配合该智能水表的使用,需要在居民供水管理部门的计算机上安装主机发卡管理软件和读写卡器。用户在使用前需到管理部门去购买水量,在用户交纳相应的费用后,管理人员通过管理软件和读写卡器将一定的水量写入卡中。用户回到家中将卡插入预付费智能表读卡口时,单片机识别到卡插入后读出卡上的加密水量数据,将用户购买水量存入到表内存储器中后,发出电脉冲信号控制电动阀门开启,保证用户正常用水。在用户的使用过程中,每使用完1 m3 水后,信号采集电路将采集到相应的脉冲送入单片机处理,递减存储器中用户购买水量,并通过液晶显示器显示出剩余水量。当剩余水量达到设定的下限时,单片机控制发出声音报警信号同时在液晶显示器上显示“购卡”字样,提示用户重新购卡输入水量。若用户不购卡,智能水表内的剩余水量递减到零时,单片机将发出控制命令,控制电动阀门关闭,切断供水,直至用户重新购卡输入水量。
2 构成部分及作用特点
预付费智能水表是在普通机械水表的基础上,安装相应的电子测控系统而构成的机电一体化产品。
2. 1 结构组成
它主要由机械水表、信号采集电路、电源供电及监视电路、卡读写电路、液晶显示电路、数据存储电路、报警电路、控制阀等部分组成。组成框图如图1。
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图1 组成框图
2. 2 单片机
单片机是整个智能水表的核心,它担负着信息判断、识别、运算、处理等工作。经过性能、质量、价格的多方对比,确定采用台湾义隆公司推出的8 位EM78 系列单片机中的EM78P447SAP ,该单片机具有优良的结构和性能, 集多种功能于一身, 它采用RISC 结构设计,具有更高,更快的运行处理速度,它具有3 个中断源,内置电压检测器,并且还有独特的低功耗设计和I/ O 唤醒功能,内置“看门狗”可有效提高单片机的抗干扰能力[1 ] 。
EM78P447SAP 具有如下特点:内部有4K3 13 位一次性程序储存器(OTPROM) ,148 3 8 位的片内寄存器,3 个双向I/ O 口,5 级硬件堆栈,8 位实时时钟/ 计数器,具有休眠模式,3 个中断源,可编程自由运行“看门狗”定时器,10 个可编程接上拉电阻I/ O 引脚,同时99. 9 %的指令为单周期指令。
由于采用电池供电,所以单片机大部分时间工作于休眠模式,电流仅为1μA ,当有计量脉冲到来或有IC 卡插入时,单片机由睡眠转为工作状态,处理完相应的工作后再转入休眠状态,以达到节省电能的作用。
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2. 3 信号采集电路
安装在机械水表上的传感器电路主要完成对水流量的测量,为了减少功耗并保证信号采集的可靠性,采用了日本艾礼富公司的干簧管做传感器。方法是将机械水表的最小指针即0. 001 位更换为安装了磁铁的指针,而在水表的表盖上相应位置嵌入干簧管,指针每转动一圈靠近干簧管一次,使干簧管吸合一次,并将电脉冲的方式送入单片机的中断口唤醒单片机执行相应的运算处理后完成对流量的计量。干簧管每吸合一次即最小位指针转动一圈,也就是流量为0. 01 m3 。干簧管不吸合就不会产生中断,单片机仍然处于休眠状态,这样就最大限度的保证了能源的节省,而干簧管的最大吸合次数为106次,足够保证在水表的寿命期可靠地实现信号传递。
2. 4 卡读写电路
卡采用德国西门子的SLE4442[2 ] ,它是逻辑加密卡的一种,符合ISO7816 国际标准,具有存储量大、保密性强、可靠性高等优点,独特的保密设计可以有效的保证一表一卡,每个卡的密钥都不相同,不同表之间的卡不可通用,每个卡的密钥经3 次非法试探后会自动烧毁,因此,具有极高的安全性。卡上的不同地址存储着城市代码,用户惟一号,用户信息、密钥、购买水量、使用水量等有关数据,数据在卡上以加密的形式存在,既达到信息载体的作用又具有较高的安全保密性。通过以上的方式可以有效地避免非法用户恶意盗取水量或伪造数据卡行为的发生。在卡插入卡座后,卡座中的到位开关闭合,触发中断从休眠中唤醒单片机工作,单片机通过卡座的金属触点与卡联接完成对卡上数据的读出、写入、核对密钥等各项操作,然后再进入休眠模式。
2. 5 显示电路
显示采用液晶模块,液晶采用订做的字符段式液晶,可显示剩余水量、累计水量、关阀符号、电池欠压、错误、购卡、盗用等信息,方便用户知道智能水表的有关状态,便于操作。具体内容见图2。
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图2 液晶显示图
2. 6 存储电路
存储电路为ATMEL 公司的采用I2C 总线的AT24LCO2 芯片,用于实现卡号、剩余、累计水量等数据的有效存取,24LC02 芯片为非易失性存储器,掉电后仍可保存数据达100 a 以上,保证了数据的可靠性[3 ] 。
2. 7 电源监视电路
整机电源采用4 节碱性电池,电压为6. 0 V ,电源监视电路采用专用的电压监视芯片,型号为RICH的RE5VL 系列,当每节电池的电压低于1. 2V 时,即整机低于4. 8 V 时,它会输出低电平给单片机,由单片机做出判断处理,液晶显示电池电压低,发出关阀命令,并驱动蜂鸣器报警提醒用户更换电池。
3 性能指标
(1) 工作电压:DC 6. 0 V(4 节碱性电池)
(2) 整机功耗:休眠时为10 mA ,工作时为3 mA
(3) 工作寿命:10 a
(4) 压力范围: ≤1. 6MPa
(5) 公称口径:DN15、DN20
(6) 计量等级:B 级
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4 软件设计
软件采用模块化编程,主要由卡读写模块,计数模块以及掉电保护模块等组成。该软件的编写与智能水表的各项操作是紧密结合在一起的。软件的主程序流程如图3 ,系统初始化以后,根据从存储器中取出的数据判断是开阀还是关阀,然后执行相应的程序,最后进入休眠状态,直到有各种中断情况将其唤醒,再进入相应中断服务程序。
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图3主程序框图
以下几种情况发生,可进入中断子程序。计数中断子程序流程见图4。
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图4 计数中断子程序框图
(1) 脉冲信号唤醒,进入计数中断子程序,判断是否执行递减水量操作。
(2) 卡到位信号,唤醒后进入卡读写操作子程序,根据卡上内容执行密钥校验,读出数据,返写入数据,累加等一系列功能操作。
(3) 电压低信号,进入掉电中断服务子程序,执行紧急数据保存,报警输出,控制关阀等命令。整个软件的设计在保证以上功能实现的前提下,又对运行的可靠性,抗干扰性等方面进行优化设计。
5 结束语
本文中研制的预付费智能水表已经研制完成,其材料成本可以控制在200 余元。同时,在设计过程中参考了国家标准,该水表与原有老式机械水表的长度相同,在管道上的安装方式也与老式水表一样。该水表已投入实际运行达1 a 以上,运行较稳定,各项性能指标均达到了预期的设计目标。再配合相应主机系统管理软件,可以有效的提高居民用水计量收费管理的现代化水平。这种新型的预付费水表改变了旧有的收费模式,解决了原有计量收费方式的弊端,在实际应用中取得了很好的效果。
参考文献:
[1 ] 义隆电子股份有限公司1EM78P447SAP 器件手册[ Z]119961
[2 ] 王爱英1 智能卡技术[M]1 北京:清华大学出版社,19961
[3 ] 何立民1PC 总线应用系统设计[M]1 北京:北京航空航天大学出版社,19901
[4 ] 何立民1I2C 总线应用系统设计[M]1 北京:北京航空航天大学出版社,19951
