智能IC卡水表核心技术的突破

   自来水管理部门在大力推行“一户一表”的同时，一直存在着抄表难、收费难的问题。管理上容易与用户发生矛盾，同时拖欠费也造成了资金上巨大的压力，智能ＩＣ卡水表系统在这种情况下应运而生，彻底解决了抄表难、收费难的问题。系统由智能水表、ＩＣ卡及售水管理系统组成，浙江杭州竞达电子有限公司通过将近两年的开发研究，对各部分设计分析如下。
　　智能基表设计的考虑
　　为解决上面提到的抄表收费问题，用户使用的计量水表应该能计量水流量，同时可以对水流量进行记录分析，根据水量及交费信息控制阀门，决定用户是否可以继续用水。所以计量水表必须有智能控制，因此我们称其为智能水表。
　　智能基表结构的改进
　　１．阀门的设计
　　阀门是智能水表的关键部件，要求压力损失小、体积小、功耗低。压力损失要达到中国城镇建设行业标准ＣＪ／Ｔ１３３－２００１《ＩＣ卡冷水水表》中规定的≤０．１Ｍｐａ的要求，且智能水表通常只能用电池供电，而且要求长期稳定工作。如果功耗大，只能采用大容量电池，不仅增加了成本，而且智能表体积也必须增大；况且电池瞬间供电能力有限，功耗大到一定程度增加电池容量也不能解决问题。目前国内大多数厂家采用先导阀，也有的采用陶瓷阀、普通球形阀。先导阀安装简单，功耗低，但是压力损失一般很难达到中国城镇建设行业标准，而且先导小孔容易被杂物堵塞造成阀门失效。陶瓷阀为达到压力损失的要求必须增大面积，在增大面积的同时功耗也随之增大。普通球形阀也因为功耗太大很难得到广泛的应用。我们在深入研究的基础上，开发出了一种具有自主知识产权的浮动式球阀，由于采用的是球阀，故解决了ＩＣ卡表普遍存在的压力损失大的问题，又由于采用的球阀是经过了改进的浮动式的结构，所以开关阀的功耗较小。这种球阀的主要结构特点是：球阀无预紧力，压力转移到了聚四氟乙烯阀垫上，从而达到了既保证密封又能轻松开关阀的目的。经测试，我们的球阀在２Ｍｐａ的水压下，其最大转矩也不会超过１０ｋｇ·ｃｍ。在通常的水压０．２～０．５Ｍｐａ时，开关阀的电流小于１００ｍＡ。
　　２．脉冲采样技术的应用
　　目前ＩＣ卡水表中普遍采用干簧管加磁钢的发讯装置，易误发信号，易受外界磁场干扰，我们研制了一种轻触发力的微动开关加凸轮的发讯装置，这种发讯装置经过近２０万次的试验，无一次误发或不发讯号，也不影响水表的示值误差性能。所以说，它是一种既不误发信号又能防外界磁场干扰的新型发讯装置。
　　３．考究外形设计
　　目前大多数ＩＣ卡水表采用水表基表加电路控制阀门的分体连接结构，只要将水表基表装上发讯装置再与单独制造的阀门采用螺纹连接方式连接起来，就构成了ＩＣ卡水表，制造工艺简单。缺点是由于采用分体连接，连接部分又是采用螺纹，而在安装水表时，一般也是采用螺纹连接，所以若安装时操作不当，容易使分体连接的ＩＣ卡水表在连接处发生松动，造成漏水，影响了ＩＣ卡水表的正常使用。再者，由于采用螺纹连接，所以在分体连接中会产生这样的困难，即既要拧紧螺纹，又要使连接部分的方向一致（如水表的度盘和阀门的电磁铁都朝上），这就产生了一个制造工艺的问题。还有是整表的长度问题，这些表阀分体连接的ＩＣ卡水表大多比原来同口径的机械式水表要长，这就出现了这样的问题，若要将原来的机械式水表换成ＩＣ卡水表，必须锯断原来装表处的水管，重新在锯断的水管上铰出螺纹，才能安装ＩＣ卡水表，而这在实际操作中又是很麻烦的，甚至在有的场合是很困难的，因此，这种长方体的ＩＣ卡水表只能用在新建住宅中且与其他表的互换性（在长度上）很差，当然也就制约了它的推广应用。把智能表ＩＣ卡设计成表阀一体，与普通机械式水表长度一样，则彻底解决了分体连接漏水问题以及安装规格问题。
　　智能基表功能的提高
　　１． 计数精度
　　水流量流过水表，水表进行一个基本单位的记录与处理的流量称为计数精度。精度高实现困难，代价高；精度低会造成计费不准确。根据水的单价，以及管理部门的结算习惯，计量精度为１／３０立方米。
　　２． 数据准确性
　　基本采样机构采用供水部门长期应用的二级水表，数字化的计数应与二级水表相同，实测１０万个基本脉冲，二者读数相同。
　　３． 数据安全性
　　掉电保证数据不丢失，掉电保证关闭阀门， 一表一卡，数据传递加密。
　　４． 表容量设计
　　等同采用的模拟基表，总处理流量１０万立方米。
　　５． 无故障使用时间
　　目前水管理部门制定的检定周期为３—５年，各项设计应保证不出故障情况下连续工作６年以上。主要考虑电源，单节电池供电，采用２Ａｈ高能锂电池，保证在２０千克压力下正常开阀，保证６年以上工作时间。
　　６．操作设计
　　为使用户方便使用水表，设计液晶显示界面，显示用水信息，应有购水信息、已用水量信息、剩余水量信息、阀门状态、电池状态。为了节电液晶显示通常是关闭的，只有插卡后才显示。为避免意外事故影响用水，应该在系统不正常时有告警提示，除了液晶显示的提示外，关阀是更可以引起用户注意的方式。剩余水量不足，关阀提示，用户注意到后可以插入ＩＣ卡观察液晶显示判断阀门状态，同时阀门打开。电量不足关阀提示，用户注意到后可以插入ＩＣ卡观察液晶显示判断状态，同时阀门打开。
　　ＩＣ卡的选择
　　目前ＩＣ卡在连接方式上分有接触式和非接触式两种，非接触式卡操作时不用直接连，使用方便，但是存在功耗大，不是非常稳定等因素，接触式卡必须在水表上设计插槽，不如非接触式卡方便，而且插槽容易受损。但是，考虑到功耗与稳定性等因素，还是采用接触式卡。
　　ＩＣ卡种类上主要有ＣＰＵ卡、加密卡、存储卡，综合考虑成本、安全等因素，建议采用ＳＬＥ４４４２加密卡，配以加密算法，保证数据安全。
　　管理软件的设计
　　１． 基本功能
　　管理计算机可以记录管辖的各个智能水表信息，记录用户信息，将水表信息与用户信息对应，将卡与表一一对应。可以对卡操作，将购水信息写在卡内，可以读出卡的信息。
　　２．统计功能
　　管理计算机可以对单个用户的一定时间内的购水及用水状况进行记录和统计。通过输入用户姓名或身份证号码，可以查询相关信息。可查询前面１０次的购水情况及用水情况。
　　在管理计算机上可以对整个管辖范围内的用水状况进行统计分析；可以进行维修记录，对每次维修过程结果进行记录；可以进行告警统计，标记出长时间用水远低于平均用水量的用户，供管理部门查询分析。
　　管理者登录进行记录，管理员分级别进行操作，可以实现多个管理系统联网使用。
　　３．软件使用环境
　　编程语言：Ｃ＋＋
　　应用环境：ＷＩＮＤＯＷＳ９８，
　　ＷＩＮＤＯＷＳ２０００
　　最低要求计算机配置：５８６以上ＣＰＵ，３２Ｍ以上内存，１００Ｍ以上硬盘
　　结束语
　　针对当前国内智能水表的发展趋势和所存在的问题，我们进行了技术创新，申报了智能ＩＣ卡水表的４项实用新型专利，大大提高了智能水表的性能。使用该技术生产制造的“ＬＸＳＩＣ－２０Ｇ智能ＩＣ卡水表”在使用中得到了广大用户肯定。
２００２年５月１２日，建设部科技发展促进中心组织了行业内的８位资深专家对“ＬＸＳＩＣ－２０Ｇ智能ＩＣ卡水表”召开了评估会，评估委员一致认为（以下为引用评估意见）——
　　①提交的技术资料、工艺文件基本齐全、完整，能指导生产，符合建设部科技成果评估要求。
　　②该产品发讯装置采用了瞬跳式、轻触发力微动开关，表与阀的连接采用了表壳与球阀壳体整体铸造加工的方式，阀的结构采用经过改进的浮动式球阀结构，并采用橡胶材料与阀球的接触来进行密封，由聚四氟乙烯材料承受阀球的压力。产品具有一定的创新，并具有自主的知识产权。
　　③经浙江省质量技术监督检测研究院检验，所测指标达到了国家行业标准ＣＪ／Ｔ１３３－２００１《ＩＣ卡冷水水表标准》中规定的有关指标。
　　④生产设备齐全，具有必要的产品质量检测设备，通过了ＩＳＯ９００１认证，质保体系完善，产品经用户使用，反映良好。
　　综上所述，评估委员会一致认为：该项目技术水平达到国内领先水平，具有较大的推广应用价值，同意通过评估，可批量生产。
　　顺利通过建设部科技成果评估，为智能水表推广和使用提供了性能优良的产品。