IC卡智能水表的设计

维普资讯 http://www.cqvip.com 第９卷第２期　天津职业院校联合学报　Ｎｏ．２　Ｖｏ１．９　２００７年３月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ　Ｍａｒ．２００７　ＩＣ卡智能水表的设计　韩桂利　（天津电子信息职业技术学院，天津市　３００１３２）　摘要：　随着城市发展供水的规模日益扩大，迫切需要用现代化科学技术手段改变自来水供水管理的落后现　状。Ｉｃ卡水表系统的出现，实现了用水收费的电子化，从根本上杜绝欠缴、迟缴、漏缴水费的现象，使自来水公司的日　常工作和管理流程化、自动化、科学化，提高自来水公司的服务质量和竞争力。　关键词：　ＩＣ卡；阀门；流量传感器；微处理器；ＩＣ卡读／写器　中图分类号：ＴＨ２４８　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—５８２Ｘ（２００７）０２—０００６—０３　一、ＩＣ卡智能水表的功能描述　１．供、停水的控制功能　当用户将购得的水卡（ＩＣ卡）插入水表时，表内系统在确认该卡有效后，自动打开阀门，进行正常供水。当用水量　剩下最后一定量时，水表开始通过指示灯闪烁等方式发出报警信号，提醒用户应及时购水。一旦用水量达到水卡所　购水量，水表将自动关闭阀门，切断供水。　２．用水量显示功能　为了便于用户及时掌握用水情况，用户可通过水表的液晶显示屏，查看累计用水量、本月用水量及可用水量（指　卡表内所剩余的水量）。当用户插入购水后的ＩＣ卡时，能够自动将水表结余水量与本次购水量进行累计并显示。　３．自动保护及信息加密功能　ＩＣ卡水表采用电池供电，水表的水量等重要参数均存储在ＥＥＰＲＯＭ芯片内，其数据可保存１Ｏ年以上。由于来　用掉电保护功能，当水表被擅自拆卸时，表内自动保护系统将自动关闭阀门，停止供水，并记录拆卸时间，以备查。此　外，对ＩＣ卡及卡表内的信息进行加密，做到一卡一表，使系统不易被仿制和非法使用。　二、ＩＣ卡智能水表的硬件设计方案　根据上述功能要求，确定系统方案如下：　ＩＣ卡计费水表主要由阀门、流量传感器、微处理器、ＩＣ卡读／写器、显示器及电源等组成，硬件结构如图１所示。　其中最主要解决的问题是低功耗和安全可靠性。　１．低功耗解决方案　１Ｃ卡的能耗由３部分构成：第１部分是控制器中单片机（ＣＰＵ），液晶正常运行时的持续性能耗第２部分是卡表　执行机构（电控阀）动作时的瞬时能耗，第３部分是ＩＣ卡表辅助功能的功耗，如声光报警等。　上述ＩＣ卡表能耗的第１，２部分占了总能耗的９５　以上。由于这两部分能耗特征上完全不同，给选择合适的电　源增加了难度。用户可以通过定期更换电池，维持ＩＣ卡表正常运行，但同时也给ＩＣ卡留下了技术安全的两大隐患。　其一用户自行更换电池，意味着控制器将有更多机会遭受劣质电池的侵袭，造成元器件损坏。其二更换电池为技术　性窃水提供了可能。解决的办法是采用内置式锂电池。　为尽可能降低１Ｃ卡水表运行时的功耗，延长锂电池的使用时间，考虑以下方法实现。　（１）选择低功耗器件　为降低整个水表的功耗，微处理器可选用Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的低功耗芯片ＰＩＣＩ６Ｆ８４。该芯片工作于休闲状态时，耗　收稿日期：２００６—０６—２６　作者简介：韩桂利（１９５７一），男，天津市人，天津电子信息职业技术学院讲师，主要研究单电机开发制作及自　动控制。　・６・　维普资讯 http://www.cqvip.com 电量仅为　Ａ级。　另外，采用ＦＬＡＳＨ　ＥＥＰＲＯＭ的串行存储芯片９３ＣＡ６作为数据存储器。９３Ｃ４６是一个串行ＥＥＰＲＯＭ，占用体积　小，功耗低，且操作简单，主要用来存放ＩＣ卡识别字、发行密码及用水计量等数据，以作为水表识别与计量的依据。单　片机的运行模式是决定单片机应用系统的功耗的主要方面。　具有掉电模式和睡眠模式的单片机，在掉电和睡眠这２种运行方式下的功耗远远低于正常运行方式。在睡眠方　式下，耗电约为ＩＯ　Ａ（ＷＤＴ开放）。因此，本系统只有在需要计数、插卡等情况下，才进人正常工作，延时一定时间　后，进人睡眠状态。　电阀门　进水　甩芦　图１　ＩＣ卡智能水表原理框图　（２）选择低功耗电磁阀　对于水表而言，阀门是被控对象，控制着进水的开／关状态。目前可控制的阀门主要是电磁阀，但常规的电磁阀是　靠电的通／断来控制阀门开／关的，既要让阀门一直开着，就必须一直通电，因此耗电较大，不符合低功耗的要求。因　此，必须对现有电平开关式电磁阀进行改进，采用双稳态电磁阀，即阀门开／关控制由电脉冲来实现。使得对阀门开／　关只需瞬时供电，从而减少耗电量。　（３）显示器　液晶显示器作为水表的输出接口，显示剩余水量、电池状态及开关状态等信息。它们的有效工作时间都比较短。　用户看完后，没有必要让它一直显示。为此，可利用水表上的防水盖提供信号。当盖子打开时，进人工作状态。当盖　子盖上时，停止工作，从而达到节电的目的。　２．安全性问题解决方案　（１）售水用ＩＣ卡（用户卡）的安全性　用户卡在每次购水时，均由上位机根据剩余水量等信息随机生成３　Ｂ的密码因子存人ＩＣ卡，以此对ＩＣ卡信息进　行动态加密；卡表内的加密与解密程序读取ＩＣ卡信息后，进行逆向处理，达到解密目的，然后对数据进行相应处理。　采用这种方法后，可有效防止ＩＣ卡的非法复制与数据非法修改，保证ＩＣ卡的安全性。　（２）表内信息的安全性　表内信息的安全性由以下３种措施来保证：　第一，ＩＣ卡的有效认证：卡表自动识别有效ＩＣ卡，按预定程序与ＩＣ卡进行双向传输，一次读人全部信息，表内内　存的信息一次写人ＩＣ卡。设置的读／写密码保证一表只有一张用户卡配对使用。　第二，防开表装置：若用户私自打开水表表盖ＲＢ５状态由高到低触发中断，中断服务程序将开盖行为记录到表内　的ＥＥＰＲＯＭ中，并立即关断进水开关。只有自来水公司管理人员用管理卡才能消除这种不良记录。　第三，防人为磁干扰装置：若故意用磁铁干扰水表试图窃水，卡表将自动关阀并记录下有关信息，只能由自来水　公司供水管理部门开通。自来水公司可在管理系统内看到非法行为的类型，有效地杜绝窃水行为。　三、ＩＣ卡智能水表的软件设计方案　１．ＩＣ卡智能水表的软件框架　ＩＣ卡智能水表软件设计的关键是看门狗的初始化、进人睡眠及其唤醒等处理部分。从功能来看，有这样一些模　块：ＩＣ卡的接口模块（包括ＩＣ卡有效性判断、读／写及ＩＣ卡的解密与加密）、阀门控制模块、流量脉冲、用水量处理模　块及显示模块等。其框架见图２。　２．ＩＣ卡智能水表程序设计　按照智能水表软件流程框图设计（略）　・　７・　维普资讯 http://www.cqvip.com 图２智能水表软件流程框图　参考文献：　Ｅ１］－￣．ＰＩＣ系列单片机原理和程序设计［Ｍ］．北京：北京航天航空大学出版社，１９９９・　Ｅ２］孙传友．测控电路及装置［Ｍ］．北京：北京航天航空大学出￣ｉ．ｉｔ，２００３・　［３］陆聪文，自来水ＩＣ卡收费系统原理及发展状况［Ｊ］．仪器仪表标准化与计量，２０００，（２）　［贵任嫡辑：李树雄］　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｉｖｅ　Ｗａｔｅｒ　Ｍｅｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ＩＣ　Ｃａｒｄ　ＨＡＮ　Ｇｕｉ—ｌｉ　ｆ　Ｔ　ｊｉ　Ｅ１ｅｃ　ｒ０　缸一Ｉ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１３２　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｃａｌｅ　ｅｎｌａｒｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｕｒｂａｎ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ，ｉｔ　ＩＳ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｃｈａｎｇｅ　ｔｈｅ　ｌａｇｇａｒｄ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｍｏｄｅｒｎ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・　Ｔｈｅ　ａｐｐｅａｒａｎｃｅ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｍｅｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ＩＣ　ｃａｒｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｈａｒｇｅ　ｆｏｒ　ｗａｔｅｒ・　Ｉｔ　ｓｔｏＰｓ　ｔｈｅ　Ｄｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｏｆ　ｈａｎｄｉｎｇ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ　ｒａｔｅ　ｉｎ　ａｒｒｅａｒｓ　ａｎｄ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ｒｏｕｔｉｎｅ　ｗｏｒｋ　ａｎｄ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｅ—　ｑｕｅｎｔｉａ１１ｙ，ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ａｎｄ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｌｌｙ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｅｔ　ｔ　Ｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｕｎｄｅｒｔａｋｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＩＣ　Ｃａｒｄ；ｖａｌｖｅ；ｆｌｕｘ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｒｅａｄｅｒ／ｗｒｉｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ＩＣ　ｃａｒｄ