智能IC卡水表控制器的设计与应用

　　3 IC卡水表控制器的设计

　　3.1 IC卡水表控制器的硬件设计

　　图3 是基于飞利浦单片机的IC卡水表的硬件电路图。

　　图3 IC卡水表控制器的硬件电路图

　　IC卡表电控部分采用严格的低功耗设计技术，采用菲利普的低功耗单片机P89LPC764做控制器的CPU，采用四级中断优先级，使水表在没有水流经过和其它中断响应时，处于掉电工作模式，这不仅巧妙地解决了控制阀的低功耗运行，而且使作为衡量IC卡表技术性能的重要指标－常态电流（静态电流）小于17μA，远优于现行的建设部行业标准中≤30μA的指标，这使IC卡水表不仅能采用锂电池供电，而且不难算出目前采用的锂电池容量为1900mAh，使用时间应在10年以上，考虑各种不利因素，完全可保证使用6年以上。整个电路包括脉冲信号采集单元、电机驱动及控制单元、读写卡单元、液晶驱动单元及电源监控部分，从而实现水表的各大功能。

　　3.2 IC卡水表控制器的软件设计

　　IC卡水表它采用扫描工作方式，CPU自动识别水介质，在水介质中可正常读写数据。数据传输应用了加密技术，一户一卡一码，使水表在使用中数据保密性极强。它通过IC卡传输数据加密、IC卡水表存储数据加密及IC卡读写软件加密锁等方法使传输数据不能非法解读，保证了整个数据传输过程的安全性。局外人根本无法破译，也无法制作伪卡，安全性很高。

　　包括：

　　1）预付费功能：通过购水卡实现先买水后用水。用户可将已购水的购水卡插入自家水表，直至水表控制器显示出剩余水量。用户可购买水量输入，控制器会自动累加并显示剩余水量。

　　2）电子计量功能：本水表采用脉冲记数方式自动计量用户用水量，配合原旋翼式水表使用，绝不改变原水表计量精度。

　　3）数据存储和数据回读功能：智能水表控制器具有脉冲采样及处理电路，在任何时候电源掉电时，所有运行数据都会被存储到机内EEPROM中，保存时间达十年以上；用户卡在购水时，上次插卡时的表内数据自动出现在计算机操作人员面前。

　　4）限量功能：为避免用户囤积过多的可用水量，本产品设置了限购水量这一功能，以免囤积过多水量。

　　5）余量和水表信息查询功能：购水卡插入控制器盒，液晶显示窗上均能显示出该用户还有多少剩余水量；用“检查卡”可查询到任一用户水表的现行使用状态，如：表号、购水次数、报警水量等等。

　　6）报警功能：可用水量在小于或等于报警水量时，水表控制器关阀切断水源，提醒用户及时购水，用户必须用有效卡插一次方能继续用水，直至用完关阀切断水源。

　　7）一户一卡和补卡功能：用户的IC卡只能在自己的水表上使用，在其它用户智能水表上使用无效，实现一户一卡，购买的水量一次读入有效。当用户购水卡丢失时，可以为用户补发水卡。

　　8）阀门异常计量功能：如果阀门发生故障而不能关断，致使用户在已购水量用完时还能用水，则控制器将会继续计量“透支”水量。当用户再次购水时，控制器能自动扣减透支的“过零”水量，并将 透支的过零水量返写到用户的购水卡上。当用户再到营业所购水时，电脑能读出该用户透支的过零水量，并提醒营业员注意，下次购水自动扣除过零水量。

　　9）低电压正常工作、报警功能：产品采用单电池工作技术，整表供电只需一节3.6伏锂电池，与双电池电路相比，它的工作更加稳定可靠；电路板正常工作的电压为2.2～4.4V。当电压低于2.8V时，水表控制系统将报警，关闭阀门。

　　10）卡座防水功能：IC卡长时间与水接触，对卡座的正常使用无影响；同时，CPU自动识别水介质，在水介质中可正常读写数据。

　　11）卡口防攻击功能：卡口可防止多种行为的攻击，特别是针对一些无痕迹攻击，制定了一些针锋相对的措施，比如卡口内不插卡，而塞入铁片等，均为无效攻击。

　　12）防磁攻击：当有外强磁接近控制器时，自动关阀。

　　13）IC卡长时间处于插入状态时不会影响电池功耗及寿命，当使用者忘记拔卡时，控制器液晶显示3秒左右后，液晶自动停止显示状态，控制电路处于低功耗休眠状态。

　　14）自动除垢功能：针对北方水质较硬，易起垢等特点，设计了自动除垢功能。每月电机带动阀门开、关一次，清除阀门上的水垢。同时，电池定期放电，也增长了电池的使用寿命。

　　15）一卡多用功能：数据传输所选用的IC卡为SIMENS4428卡，它具有超大容量的特点。目前一只水表只占用了它1/12的容量，还有大量的空间可用于其它功能的扩展，比如加入售电信息、售气信息、收取其它物业费用等。

　　4 IC卡水表控制器的应用

　　IC卡水表在设计上其外型尺寸和老式基表在长度和口径上完全相同，因此安装及老表改造方便。在工程中使用的水表，其安装与使用[5]应注意如下几点：

　　1）选择IC卡水表应根据管道经常使用的流量小于或接近水表的常用流量为宜，不能单纯以管道口径确定水表。

　　2）安装位置要避免曝晒、冰冻、污染和水淹，以便拆装和充值；表必须水平安装，使字面朝上，表壳上箭头方向与水流方向相同；为了计量准确，水龙头应高于水表；水表如安装在进水管处，应装止回阀；新装管道务必把管内石子、泥沙、麻丝等杂物冲洗干净后装水表，以免造成水表故障。

　　3）水表不应直接与管道连接，水表与管道间应有活动接口[6]（如管接头、连接螺丝，接管密封垫圈等）。拆装水表时，不应受由管子和管件引起的过度应力，以免损失水表。

　　4）长期使用，管道内杂质、铁锈等物会堵塞过滤网或进入表内，使水表误差增大或影响正常运转，因此，每隔一段时间应清洗一次，并重新校准快慢，但不允许自行拆装。

　　该水表作为自动收费管理的主要计量器具为充分保证其安全性，还采取了多种防窃措施[7]，如IC卡水表采用逻辑加密卡，结构上增加了特别封印，使用户不能自行拆卸、倒装；它具有防剪断检测、强磁检测、IC卡座恶意破坏检测和低电压检测功能，使水表的安全性大大提高。

　　５ 结束语

　　随着城市规模不断扩大，各城市一户一表的大面积实施，IC卡水表得到了推广应用，实现预付费、持卡结算的理想管理模式，从根本上杜绝欠缴、迟缴漏缴水费的现象，使自来水公司收费及时到位。但水表与电表、气表相比，有着对电子元器件最不利的潮湿使用环境，管道中的杂质、水的流体力学特性对控制阀的影响，使得IC卡水表在使用过程中不断暴露出监管难度大、维修不方便、抄表成本高的缺点[8]。所以，提高IC卡水表的可靠性和稳定性，建立远程抄表系统和安全机制是未来智能水表发展的研究方向。