智能水表

简介

智能水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、智能IC卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传 递及结算交易的新型水表。与传统水表一般只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能相比，是很大的进步。智能智能水表除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量进行控制，并且自动完成阶梯水价的水费计算，同时可以进行用水数据存储的功能。

水表的安装

1、选择水表的口径应根据安装管道的口径和经常使用的流量等于于或小于（接近）水表的常用流量为依据。 
2、水表应水平安装，使表面朝上，表壳上箭头方向与水流方向相同。安装位置应避免曝晒、水淹、冰冻和污染，方便拆装、抄表。新装管道务必把管道内的砂石，麻丝等杂物冲洗干净后再装水表，以免造成水表故障。 
3、为便于拆装和维护，水表上下游应安装阀门，使用时应确保全部打开。 
4、水表上下游要安装必要的直管段或其等效的整流器，要求上游直管段的长度不小于10D，下游直管段的长度不小于5D（D为水表公称口径）。对于由弯管或离心泵所引起的涡流现象，必须在直管段前加装整流器。 
5、水表安装时，应注意水表下游管道出水口高于水表0.5m以上，以防水表因管道内水流不足而引发计量不正确。 
6、该水表防堵塞性能优良，但对管道内淤留泥沙及杂草反映敏感，在使用过程中应尽量避免。如果管道内有淤留泥沙及杂草应及时清理，否则将影响水表正常计量。

注意事项

1、 更换电池后必须盖好防潮盖，上紧螺丝，否则表不工作且刷卡显示E--5 
2、 定期检查智能水表运行情况，冬季注意防冻。 
3、 已安装于管道但未交付使用的或长期（一周以上）不用水的请关闭智能水表前后阀门，本公司不承担由此造成的后果。 
4、 若智能水表出现电子显示与字轮不相符或智能水表故障，以字轮计量为准。

计量特性

1.使用条件：水温0.1～30℃2.水压等级：MAP10 
3.气候和机械环境安全等级：C类 
4.电磁兼容等级：E2 
5.流动剖面敏感度等级：U10 D5 
6.压力损失等级：△P25 
7.允许误差。 
射频卡预付费智能水表是我公司开发的高科技机电一体化智能水表，以先进的微电脑控制技术为核心、非接触式智能卡技术为信息传递媒介而构成的高智能化仪表。是集预付费、自动计量、状态报警及防止不正当使用等功能于一体的高智能产品，具有计量准确、性能可靠、结构紧凑合理等特点。该仪表以旋翼式水表为基表，加装了新型的低功耗、大扭矩输出的无压损电机控制阀门、微电脑控制器及射频卡操作系统。采用先进加密技术，实行一表一卡，保证了用户数据安全及可靠。产品性能指标符合国家标准GB/T778-1996和建设部行业标准CJ/T133-2001，可适用于住宅、企事业用水的计量和收费工作。该产品的使用改变了传统的用水管理方式，变“先用水、后交费”为“先交费、后用水”极大的方便了小区物业管理部门和水管部门的管理工作。 

主要技术性能

1、 工作环境温度：0-60℃ 
2、 相对湿度：≤85% 
3、 被测水温：冷水表0-50℃；热水表0-90℃；纯净水表0-35℃ 
4、 工作压力：0.02MPa~1MPa 
5、 技术参数： 
精度等级及流量范围（见下表）

1、 电池使用时间：≥6年智能水表的 外形尺寸及液晶显示示意图1、 水表连接尺寸如图：公称口径(DN)mm长度Lmm宽度Lmm高度Lmm螺纹D连接螺纹长度mmAminBmin 1516585115G3/4B10122019585115G1B12142522592120G1/4B121615（立式）17891158G3/4B1012 20（立式）17891158G1B12142、液晶显示示意图： 智能射频卡水表计量和监控数据是通过水表和液晶显示并用非接触式射频卡传递数据。液晶显示如下图所示：A、 显示容量为五位整数、一位小数。B、 八种（阀关、阀开、缺电、异常、卡错、购量、累计、余量）状态显示。A、 解释：1、 显示“购量”：本次购买水量。2、 显示“累计”：本水表自使用以来累计的用水量。3、 显示“余量”：本水表剩余的可用水量。4、 显示“阀关”：本水表阀门处于关闭状态。5、 显示“阀开”：本水表阀门处于开启状态。6、 显示“缺电”：本水表供电锂电池电压过低。7、 显示“异常”：本水表出现异常的错误。显示“卡错”：使用了非本水表使用的射频卡或者没有按照操作步骤使用各个功能卡。

安装使用说明

1、 选用水表规格应以常用流量为宜，不能单凭管道口径来确定水表的口径。水表使用时被测水的水温和水压应符合主要技术性能2和3条要求。 
2、 水表安装时表壳上的箭头方向必须与水流方向一致，安装必须水平。水表安装位置应能避免暴晒，且便于拆卸和观察的场所，寒冬季节应采取保温措施。 
3、 锅炉进水端安装水表时必须装回止阀，防止热水和蒸汽回流损坏水表。 
4、 水表上方严禁搁置任何物品。注意防潮、防湿、严禁水滴渗入水表控制器内损坏控制系统影响用户正常使用。 
5、长期使用后，杂物堵塞或零件磨损等原因引起误差，须检修后使用。水表上的铅封用户不得启动，发现不正常现象应通知自来水公司或房产物业公司检修。 
6 、特别告示：注意安装预留尺寸必须符合水表外形尺寸安装要求，由于预留尺寸不足造成水表外壳受拉力损坏，责任自负。

检验方法

智能水表的检验是按各生产企业的技术条件和GB/T778进行的。检验项目：外观检查(包括外形尺寸等)、水压试验、示值误差、流量测定和加速磨损试验。被试水表的数量最少为3只,有必要增加被试水表的数量时,最多可为10只。

标志

表壳上凸铸出指示水流方向的箭头和水表公称口径。度盘上标出商标。在罩子的下面标出计量等级和制造编号。

包装、储运

每个智能水表应有单独小包装,且能防止运输和搬运中的冲撞,水表应水平放置。水表是一种仪器,外包装上应有明显的“向上”,“轻放”标记。水表应存放在环境温度为5-40℃,空气中不含有腐蚀性介质的干燥场所。

主要技术指标

1、型号：FS
2、规格（公称口径）：DN15∽DN300  水表3、精确度等级：2.0级
4、执行标准：GB/T778-2007
5、执行检定规程：JJG162-2009
6、电源电压：3.6V锂电池　
7、静态电流：≦ 10uA
8、示值误差限
A、从包括最小流量（Qmin）到不包括分界流量（Qt）的低区：±5%
B、从包括分界流量（Qt）至包括过截流量（Qs）的高区：±2%
9、额定工作压力：≦1.6Mpa
10、使用环境温度：（0.1∽+50）℃
11、相对湿度：（30%∽95%）RH 12、压力损失：≤0.063MPa
13、流动剖面敏感度等级：U10,D5
14、气候和机械环境安全等级：B类
15、电磁兼容性等级：E1

发展

智能水表发展方向分析： 
远传、自动抄读系统技术是智能水表发展的一个方向 智能卡式水表预付费功能“先付费后用水”在社会文明发展到一定高度后，不可能成为水费收取的制约手段，同时在工业发达国家的现阶段他们应用在企业内部为节约用水控制额定计划指标与实际用水计量，也有大专院校内部为节约用水，在校住宿学生宿舍房内凭卡用水也采用智能水表来控制，很少使用在社会上直接对居民供水实施预付费后用水的智能水表，也不主张推行先收费后用水，对他们来说这个问题是关系到对喝水人的“人权”问题，没有钱的人，喝水仍然是他们生存的权利，所以不推行这种措施。我国自建国以来对居民家庭有供水、供电、供气的那一天开始，就实行先用后付费的程序规律。目前改变先付费后用水，本身是对居民心里的一种抵触。况且，目前的供电、供气仍然保持先用后付费的规律，经济发达了，居民生活水平高了，人们的思想境界也提升了，先用水后付费的规律，也不会造成水费拖欠的社会问题，所以说社会文明进步了，这种预付费的措施不是理想的措施。所以目前智能卡式水表的预付费形式逐步转向远传、自动抄读系统的方向发展。 
　　再由于卡式水表在使用过程中，除了由用户主动报修或再次进行购水充值时可以将该水表的运行信息传递给系统信息中心外，管理人员必须到达安装水表的现场才能知道该水表的运行情况。如水表倒转、充值的水量用完后水表不能自动关闭阀门、甚至有用户拆除水表直接用水等情况，只有管理人员到达安装水表的现场才能知道。所以，各种卡式水表在使用过程中，管理部门不能随时掌握水表的运行情况，必须配备一定的人员定期到安装水表的现场轮回巡查，否则，水表的故障、以及缺失的水量是无法知道的。所以，远传、自动抄读系统技术是智能水表发展的一个方向。 
　　我们曾经对多个工业发达国家的预付费水表使用情况调研，如美、德、法、意、澳大利亚等，他们在水表智能化数据采集方面有很多自动抄表系统，有远传、遥感、采集和集中采集不等，智能水表自动抄读功能在工业发达国家特别是美国应用得较多，如德克萨斯州、维基尼亚州、科罗拉多州、威斯康星州等已经很普及。智能水表自动抄读功能已大量的应用在企业内部为节约用水控制额定计划指标与实际用水计量，也有大专院校内部为节约用水，在校住宿学生宿舍房也采用智能水表自动抄读系统来控制。

设计

1、 引言

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：