（微电子学与固体电子学专业论文）ic卡阶梯收费水表系统的开发.pdf

摘要 水资源是一切生命的源泉。面对淡水资源的匮乏，我们应合理利用水资源， 建设节水型社会。因此传统水表收费效率低、收费困难，已不适应社会的发展。 本文对新型智能i c 卡阶梯收费水表系统进行了开发。介绍了i c 卡阶梯收费水表 控制系统的组成、特点及各部分功能；详细说明了i c 譬技术与i c 卡在系统中的 应用：对i c 卡阶梯收费水表管理系统进行了分析、设汁和研究：采用了结构化 分析的方法，对系统进行全面的分析，对数据库、系统结构模块图、应用程序进 行了漫计，使得i c 卡阶梯收费水表管理系统得以实现；该管理系统具有界面友 好、性能可靠、操作简单等特点：最后，对系统尚存在的问题及进一步开发和完 善的内容和方向进行了探讨。 关键词：l c 卡阶梯水表管理系统数据库模块 a b s t r a c t t h ew a t e rr e s o u r c ei st h es o u r c e so fa l li i v e s 。i nt h ef a c eo ft h es h o r t a g eo ft h e w a t e rr e s o u r c e ，w es h o u l du t i l i z et h ew a t e rr e s 0 1 l r c er a t i o n a l l ya n db u i l dm e w a t e r - s a v i n gs o c i e t y 1 m d m o n a lw a t e rg a u g eh a sn o ta d a p t e dt ot h ed e v e l o p m e n to f t h es o c i e t yb e c a u s eo fi t sc h a r g ee m c i e n c yt ob el o wa n di tbd i m c u l tt oc h a r g e ，i n t h i sp a p e r ，t h ec o m p o s i t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa 1 1 dt h em n c t i o no fe v e r yp a ni nt h i s n e ws y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，l 、h et e c h n i q u e so fi cc a r da n dt h ea p p l i c a t i o no f e l a b o r a t i o ni nt h es y s t e mo fi cc a r da r ee x p o u n d e d ；t a i ，eo v e rt h em a n a g e m e n t i n f b r m a t i o ns y s t e mt oa 1 1 a l y s i s ，d e s i g i la i l ds t u d yt ot h ei cc a r dl a d d e r ，a t e r ；b ym e m e a n so ft h es t m c t u r a is y s t e m 孤a l y s i s ，也ep a p e ra n a l y s i st h es y s t e m 也o r o u g i l l yt h e a n i e l ec o n t a i n st h ed a l a b 8 s ed e s i g n ，s y s t e m j cs t n l c t u f 8 lm o d l l l ec h a nd e s i g na n dt h e a p p l i e dp r o g m md e s i g n ，s y s t e m i cs t r u c t u r a i m o c 【u l ec h a nd e s i g na n dt h ea p p i i e d p m g r a md e s i g nd u r i n gt h es y s t e md e s i g ns oa st om a k ei tp o s s i b l ef o rr e a l i z i n g 血e w a t e rm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m t h es y s t e mi sg o o da ti n t e r f a c e ，化l i a b l ei n p e r f l o r m a n c ea n ds i m p l eb yu s e i nt h ee n d ，t h ee x i s t i n gp r o b l e m so rt h es y s t e n la n d 出ei d e a so f s o n w a r ea n dh a r d w a r ei nf u 九h e rc o n a c f sa n da p p r o a c h e sa r ep m p o s e d k e yw o r d s ： i cc a r d l a d d e rw a t e rm e t e r m a n a g e m e n ti n f b m a t i o ns y s t e m d a t a b a s em o d u l e 前言 环境与发展，是当今国际社会普遍关注的重大问题，保护环境是全人类的共 同任务。水资源作为生态环境中的重要资源，是人类生活和生产中不可取代的资 源，对一个国家和地区的生存和发展，也起着极为重要的作用。水是人类赖以生 存和发展所不可替代的一种有限可用资源，是经济可持续发展的基础，水资源的 匮乏将使城市的繁荣无以为继。据联合国有关资料统计，地球上水的总储量为 1 3 8 6 亿亿立方米，其中淡水储量为3 5 亿亿立方米，占总储量的2 5 ，除去不 能利用的冰盖、冰川、地下水、土壤水和湖沼水，人类生存所能利用的只有2 5 中的0 0 1 i j 。因此，如何保护被称为经济命脉的水资源，合理利用资源，减少 环境污染，是摆在全世界人民面前的重大而严峻的课题。 1 我国的淡水资源日益匮乏 目前，我国的水资源问题更是严峻，水资源紧缺已成为我国可持续发展的 “瓶颈”。来自水利部的统计数字，我国人均水资源拥有量只有22 oo 立方米， 仅为世界平均水平的四分之一，目前全国三分之二的大中城市面临缺水：与此同 时，地下水资源遭到过度开采，全国地下水降落面积已达到15 力平方公里“。 随着人类社会的不断进步，工业化进程的不断加快，人类对水资源的浪费、污染 也只趋严重，当前可饮用水资源变得越来越匮乏。据联合国环保组织统计，全球 淡水消耗量自2 0 世纪初以来增加了6 7 倍，比人口增欧速度快2 倍，目前全球 平均每5 人中就有一一人缺水。据国内统计，全国6 0 0 多个城市中有半数缺水，其 中有1 0 0 多个城市严重缺水：如北京，人均水资源不足3 0 0 立方米，仅为世界人 均水平的l 3 0 ，类似于以色列这样的沙漠国家：上海，则早在1 9 9 8 年就被联 合国列为2 1 世纪饮用水严重缺乏的6 大城市之。：不仅如此，目前我国对水的 污染浪费还在加剧。 面对如此严重的全球性水荒，世界各国纷纷寻找适合国情的治水、养水、供 水的有效方法。 2 合理利用水资源 水资源的管理和可持续利用是我国经济社会发展的战略问题，并且在对水资 源开发、乖j 用、治理的同时，突出对水资源的配置管理、节水管理和保护。其中， 水资源合理配置的目标就是使有限的水资源获得最大的使用效益，促进水资源的 可持续发展。节水管理不仅可以减轻缺水的压力，同时可以减少治污的负担。概 括地说，水资源的综合管理是实现水资源可持续利用的基础，它通过坚持水资源 的统一管理和依法管理，采用高新技术对传统行业进行技术改革和科技创新。实 现水资源的科学管理和现代化管理，满足经济社会发展的需要，以水资源的可持 续利用支持经济社会的可持续发展。 水资源作为生态环境中一种重要的资源，综合管理是实现水资源可持续利用 的基础。综合管理中两种最有效的手段：一是根据市场供求关系，运用价格手段 来调节水价，达到节约用水的目的；二是在全国范围内实行阶梯水价来节约用水， 建设节水型社会。所谓阶梯式水价，就是把保证居民摹本需求的水价保持在一一个 相对比较低的水平，设定一个定额，在这个定额里，水的定价是比较低的。但如 果居民用水的消费水平比较高，超过了这个定额，那么水的价格就要加倍。同时 对非居民用水实行计划用水和定额用水管理及超计划、超定额累进加价办法。 新中国成立以后，我国自来水价格一直都很低廉，1 立方米仅售几分钱，直 到1 9 9 1 年自来水价格开始逐步上调。1 9 9 1 年，北京市自来水价格首次上调，每 立方米的水价由o 1 2 元上调到o 3 0 元。此后进行了多次调整，2 0 0 3 年1 月2 0 日，北京市再次上调水价，由每立方米2 o o 元调整到2 3 0 元，同时，居民使用 l 市方米的自来水征收0 6 0 元的排污费，水资源费也由0 3 0 元上涨到0 6 0 元。 今年8 月1 日，北京市又实施了1 4 年内第九次调价。同时，湖南、云南、湖北、 广西等省区也相继出台了本地的水价管理办法或实施细则。山东、江苏、陕西等 省出台了水资源费征收办法”“。中国水利水电科学研究院水资源研究所节水 与水资源高效利用研究室主任裴源生在接受记者采访时说：“水价般包括水资 源、固定成本和运行成本。固定成本包括工程成本和污水处理成本，它是比较确 定的。而水资源成本是变化的，在沙漠罩水是极其珍贵的，花多少钱都难买到， 而在一些水资源丰富的地方，同样是水，可能就没那么值钱了。以前水价没有反 映水资源价值而目前中国又是水资源缺乏的状况，因此要靠水价来发挥作用， 使人们意识到水资源的宝贵。另一方面，从市场调节来看，对水的需求增加供 求关系发生了变化，供不应求，价格自然就上来了。当然这还是一个水资源缺乏 的问题。”继国家发改委和水利部联合发布的水利工程供水价格管理方法 于2 0 0 4 年1 月1 日施行以来，4 月1 9 日国务院办公厅又印发了关于推进水价 改革促进节约用水保护水资源的通知，一场有关水价的改革在全国各地悄然兴 起。 节水型社会是指：一个城市通过对用水和节水的科学预测和规划，调整用水 结构，加强用水管理，合理配置、开发、利用水资源，形成科学的用水体系，使 其社会、经济活动所需的用水量控制在自然界提供的或者当代科学技术水平能达 到或可得到的水资源量的范围内，并使水资源得到有效地保护。建设节水型社会， 不是简单地用行政的办法去节水，而是要建立以水权、水市场理论为基础的水资 源管理体制，形成以经济手段为主的节水机制，从而使资源利用效率得至b 提高， 可持续发展麓力得到增强。为有效缓解我国水资源短缺的问题，国家计委等5 部 门联合决定，全国所有城市要在2 0 0 5 年底以前全部实行居民生活用水阶梯式计 量水价的政策。目前全国已有1 4 个城市开始了这一政策的试点工作。深圳是最 早推行阶梯水价的城市。深圳作为我国的经济特区，是一个高速发展的城市，城 市对水的需求也在高速增长。但深圳同时又是一个典型的水资源短缺的城市，人 均占有的水资源仅为全国平均水平的四分之一。即能节约用水，又能让居民和企 业用得上水、用得起水，成为政府部门制定水价时的最重要的政策标准。深圳市 物价局价格管理处副处长黄细钦“”认为，水价的制定应该有利于供水企业的良性 循环。自我发展、自我积累足一个原则。第二、水价的制定应该有利于节约用水， 合理利用水资源以及保护水环境。第三、水价的制定应该考虑社会各方面的承受 能力。1 9 9 0 年，深圳开始实施阶梯式水价，把全市用水户分为5 类：居民生活 用水、行政事业单位用水、工业用水、商业用水、外轮用水；对每一类用水户又 设定不同指标，超过指标的部分以阶梯增长的方式收取水费。几年之后，节约用 水就意味着节约成本，成了大多数企业的经营理念。当阶梯式水价让许多企业养 成了节约用水的习惯之后。这项政策已经不具有太多的限制意义了。到1 9 9 6 年， 深圳除保留居民用水的阶梯式水价之外，取消了对行政事业用水、_ 业用水、商 业用水和外轮用水的阶梯式计价政策。 节约用水的观念深入人心，使得深圳市 供水企业扩大规模和建设管网的压力大大减轻。更重要的是，通过阶梯式水价政 策，居民在合理用水指标内可以低价用水，而供水企业又可以通过对指标外用水 收取高水价，来取得适当利润。目前深圳居民水价阶梯分为2 级，每户每月用水 在3 0 吨以内，每吨水价是1 5 0 元；超过3 0 吨，每吨2 0 0 元。虽然深圳水务公 司每吨水的成本高达1 7 6 元，但平均下来，每盹水仍能有一定的赢利。因此我 们要大力推广这一技术。 第一章i c 卡阶梯水表开发的意义 1 1 传统机械水表的局限性 随着社会、经济的发展及自然资源环境的变化，淡水资源的有效、合理开发 和利用已成为世界性重要课题。在国内多数城市都面临严重缺少水资源的情况 下，城市自来水供给和有效管理十分重要。 l 、抄表入户已不适应社会发展 随着城市建设的快速发展，一方面城市人口不断地增加，另一方面城市高层 建筑也在不断增多。它的发展同时给城市供水及用水管理都带来前所未有的极大 压力，一方面要改造或扩建供水管网，投入大量的基础设旌资金；另一方面，又 要增加抄表、收费及其它的管理人员，使城市的供水及管理任务日渐繁重。再者， 抄表入户，经常受户主在户时间的制约和安全因素考虑。因此，传统的先用水后 缴费、人工抄表、水费定期结算的管理模式，已越来越不能适应现代社会发展的 需要，用科技手段改变现有落后的供水管理模式已势在必行。 2 、用水欠费对行业发展的制约 由于社会文化及地区经济发展的不平衡，有偿使用水资源及自觉缴费意识不 够，国内多数城市仍面临用水收费困难、用水纠纷等问题。用水欠费对中、小城 市的供水管理部门的经营管理已达到制约其发展的程度，因此，管理部门也对城 市供水及管理的技术投入无能为力，形成自来水行业在高新技术引进和管理方面 相对其它行业落后的局面。 综上所述，基于传统机械计量表具而建立的传统供水及管理模式，难以适应 社会进步及经济发展的需要，要改变目前自来水行业管理相对落后的局面，就必 须寻求有效且高效的管理模式。 针对上述情况，国家建设部提出了城镇居民住宅“三表出户”的要求。所以 目前国内的许多水表生产厂家都在进行产品新型化的探索。我国目前的水表新产 品开发，基本上是借鉴国外的先进模式，因为国外这方面的研究设计起步较早。 例如a b b 公司的k e n t 水表采用充电电池，具有按键读数、可以显示日期时问及 各用户用水量，兼有机械式和电子式读数功能，并且还配备了i b m p c 兼容机接口， 可以进行电话通信：德国s 硼e c o 公司的新型水表可显示上一年与本年度的用水 量以及同期与时间等。此外，日本也相继推出自己的新产品。根据我国“三金” 工程的长远发展建设来看，水表的计量、收费系统及管理自动化将是大势所趋。 我国水表制造和科研单位推出了几种新型智能水表。 1 2 智能机械水表的局限性 1 光电抄表器水表 设计水表电子部分硬件时，预留出数据采集接口，抄表人员只需手持灵巧 的抄表器与数据采集接口通信片刻便可获得整台水表所辖用户的用水情况纪录， 如此整个生活区的用水状况可以在短时间内完成。抄表人员最终只要把光电抄表 器中的数据存入p c 计算机便可，如此只能减小抄表人员的工作量，而不能解决 欠费问题。 2 ，电话线通信 利用拨打电话的方式实现单个用户的用水量数据传输，方法与现在日益流行 的i n t e m e t 网有类似之处。需要通过调制解调器m o d e m 来访问单片机，由于传 输的距离很长，只采用r s 一2 3 2 串行通信还不够，还要利用r s 一4 8 5 总线才行，在 具体设计中必然要解决传输的保密性及抗干扰的问题。从目前国内的研究来讲， 尚未有理想的解决方案。 3 电力线载波通信 所谓电力线载波就是利用目前的电力传输线来传输用户的相关用水量的数 据，这是一项较新的研究课题，因为电网本身存在的诸多影响因素，目前该项研 究f 在继续中，但考虑到国外已经在利用电力线进行i n t e m e t 传输方面有所突破， 应该说这个课题将具有更为广阔的天地。 4 远传水表 远传水表又分为有线远传和无线远传。有线远传是通过远传水表、网络工程 布线、多组信号采集器、集控器实现用水计量信息的传递。网络布线易受外界的 雷电、电器的高、低频信号的干扰的缺陷。新，。、旧户均须进行网络线路工程施 工。无线远传是指通过远传水表发送用水信息、水管部门抄表人员以抄表器在户 外收集用水信息的过程。 6 这两种远传方式，基本属于信息的管理和控制，目前不能实现对水表阀门 的自动关闭控制，收费方式仍属于被动式的收费。特别是后一种方式，实际是仅 仅解决了抄表到户不入户。 5 智能i c 卡水表 i c 卡，又称智能卡，由于具有很高的保密性能等优点，目前已经被广泛应用 于金融、电信、医疗、保险、旅游、交通、餐饮、门禁等各个领域，我国i c 卡 的发展从1 9 9 4 年起步，已经在全国展开，同时，在i c 卡煤气表、电表和水表的 研制与应用领域也取得了很大的进步。就水表而言，l c 卡技术的应用具有成本 低、便于改装现有装置、易于管理、可靠性高等众多优点，是一种比较适合我国 国情的新型水表技术。但是目前采用的i c 卡智能水表，虽然摒弃了普通机械水 表入户抄表、人工读数计费的落后收费方式，但该类i c 卡智能水表只能解决预 付费和常规用水计量计费，对国家实行的“定额平价，超额高价”的分段计量、 分段计价的用水收费发展方向的适应性则具有不能满足智能化管理要求的局限 性。 1 3 阶梯收费i c 卡水表的优越性 采用i c 卡阶梯水表，基本上是在原管道土新表换i u 表，改造工作量少，费 用小，改造的效果扩展到免抄表计量并与预付费阶梯用水有效结合，形成一个崭 新的“先付费、后用水、阶梯用水”，简捷、先进、低管理成本的城市供水收 费和岛科技管理系统，与普通水表外移出户改造相比，其投入与成效比具有明显 的对比差异。阶梯讨费i c 卡智能水表率先在行业内增加了智能水表分段计量、 分段计价的产品功能。不仅满足普通i c 卡智能水表“先付费，后用水，收费不 入户”的管理模式，而且其自动阶梯计费的功能适应国家正在推行的“定额平 价，超额高价”阶梯式水价计费的城市供水价格改革的发展方向，为我国实现城 市供水阶梯计费节水管理提供了智能化水表产品和计算机应用管理平台，科学地 通过产品技术将政府管理部门i f 在紧锣密鼓推行的“阶梯式水价”政策落到实 处。i c 卡阶梯收费水表具有以卜i 的特点： ( 1 ) 智能卡水表如同普通水表，无需敷设线管及线路维护，安装方便，维护 简单。 ( 2 ) 将传统方式的人工抄表及水费结算方式改变为i c 卡预付费自动计费的 新方式，新方式可免去繁琐的上门抄表工作，减轻了供水公司供水管理部门工作 人员的劳动强度，提高工作效率。 ( 4 ) 使用带硬件保密性能的逻辑加密卡，提高了系统的安全性。 ( 5 ) 基于低功耗设计原则，从软硬件方面进行优化，提高了电池使用寿命。 1 3 1 阶梯收费 实行阶梯式收费，制约了用户用水浪费，节约了水资源。阶梯式收费是根据 用水性质的不同，确定其基本用水量及基本用水价，实行基本水量内实行基本水 价的收取，超水量实行阶梯式水费的收取方式收费。例如：超过基本水量的2 0 以内，超过部分的水价按基本水价的2 倍收取：若超过基本水量的2 0 一4 0 ， 在该段内超过部分的水价按基本水价的3 倍收取；若超过基本水量的4 0 一6 0 ， 在该段内超过部分的水价按基本水价的4 倍收取等等，由此形成了水价的阶梯形 式。因此，用水越多，意味着用户所付出的水费越多，这种利用经济手段制约用 户用水浪费的方法，在一定程度上节约了水资源。 1 3 2 预付费系统 预付费系统就是种先付费后用水的管理系统，用户到管理部门交付一定的 资金购买一定量的水，存入卡内，带回家插入水表后方可开阀用水。当水量用完 时，系统报警提示用户再次购水。预付费系统能很好的解决用水欠费问题。 第二章i c 卡阶梯收费水表系统 2 1 系统的组成 该系统有三部分组成：一、i c 卡阶梯水表：二、i c 卡系统；三、管理系统。 如图2 1 既是系统的结构图。系统主要是利用i c 卡良好的数据安全性和独立性， 实现对水表的阶梯计费和欠费停水。通过i e 智能卡，在i c 卡智能阶梯水表与水 管部门计算机之间实现信息的存储、处理和控制，最大的特点是利用高新技术实 现用水信息对一家一户水表阀门的直接控制，欠费自动关阀。变水管部门被动的 抄表收费方式为用户用水主动预付费方式，使水管部门长期困绕的大量欠交、催 交水费的矛盾得到彻底解决。以先进的科技手段有效解决管理当中的焦点问题， 实现系统的用水控制、计量显示、防盗用水、管理统计、提示和查询的计算机管 理；满足了国家实行的“定额平价，超额高价”的分段计量、分段计价的用水收 费的智能化管理要求。 图2 1 系统结构图 ( 1 ) i c 卡阶梯水表 智能i c 卡阶梯水表是采用枫电一体化的设计思想，在常规家用水管道中安 装智能测控系统而构成的，该系统共分两大部分：传统的机械式水表部分；电子 测控部分。该测控部分主要由l c 卡接口电路、计量电路、时钟芯片、电控系统、 液晶显示电路和控制阀部分组成。如图2 2 。 i c 卡水表的使用过程：用户申请安装使用水表后，到供水公司开户登记，按 用户使用目的的不同，分配每月的基本用水量，售给用户一张初始用户卡，并可 购买一定数量的水量。用户回到家中将卡插入水表中，表内的微功耗单片机识别 到密码正确，完成水表的初始化工作，并将i c 卡中的预购水量读入表内的存储 器中，微功耗单片机向电磁阀控制电路发出信号，电磁阀打开，用户可以使用水， 并将初始用户卡变成用户卡。当用户使用水时，计量电路将用户使用量送到单片 机中减去用户的使用量，当用户的预购量仅剩余2 吨时，阀门关断，水表发出警 如图2 1 i c 卡水表的测控系统 告的声音，提示用户购水，这时插入用户卡可以继续用水，矗到剩余o 1 吨。如 果用户仍不去购买，当用户水表中预购水量用完，系统将发出警报信号并通过电 磁阎控制电路关闭阀门，直到用，、持卡到供水部门去重新购买水量。用户再次购 水时将用户的每月用水量带回管理系统，管理系统根据用户的实际用水量来计算 是否有超额水量并再次售水给用户使用。 ( 2 ) i c 卡系统 i c 卡系统是指系统所使用的系列f c 卡，它由管理系统发售，供水表在不 同的情况下使用。有管理部门使用的各种卡，用户使用的各种卡。不同的卡在卡 中的数据区存储不同的数据，供水表读取并执行相应的动作。如时钟设置卡为公 用卡，我们只在密码区写入密码，数据区写入时钟数据，水表读到后即能完成水 表时钟的设置与校正。 ( 3 ) 收费管理系统 i c 卡阶梯水表管理系统是一个采用了分布式客户机服务器体系结构的网 络数据库应用系统，它由安放在供水公司豹数据库服务器、各居民网点的客户端 应用程序和中心数据库管理系统组成。用户町以在客户端办理，r 户，购水、补卡、 换表补卡、销户等业务；中心数据库管理系统通过局域网互联数据库服务器，进 1 0 行初始的系统设计、对水量销售和水量使用进行统计分析，随时掌握用水量，合 理调度资源。 2 2 系统工作原理 整个系统是一个协调统一的整体，目的是方便用户使用i c 卡阶梯水表。i c 卡作为信息的载体，传输水表和管理系统之间的必要信息，具有良好的安全性和 一定的独立性，起着水表和管理系统之间的桥梁作用。用户到管理部门申请安 装使用i c 卡阶梯水表，管理系统发售给用户一张初始用户卡，写入用户初始信 息和预购水量。用户将卡插入水表后，完成水表的初始化设置工作并将一定的 预购水量存入水表内，水表可以根据表内水量情况打开或关闭阀门并显示相关信 息。随着用户用水，存储器中的水量减少，在水量用完之前，系统提示用户续卡 购水。此外，水表内有一时钟芯片，通过控制电路的作用，单片机可以计量每个 月的用水量并存入一定的存储区内，用户下次插卡时写入卡内带刚管理系统，管 理系统按用水性质和用水量的多少，实现阶梯水费的收取。 第三章i c 卡阶梯收费水表设计 3 1i c 卡阶梯收费水表功能要求n 础 加密功能：本智能水表使用逻辑加密i c 卡，保证一表一卡，非本表 的i c 卡和其他无效卡插入无效。 设置功能：水表在出厂时阀门关闭，水量为o ，时钟已校准，直接安 装。水表的基本信息的设置有用户第一次插入初始用户卡时自动完 控制功能：依据交费和用水情况，自动控制水阀门的开关。在正常 情况下控制阀处于开启状态，只有当特殊事件发生时控制阀才从开 启态变为关闭态。如下图3 1 ，水表控制阀的控制模式。 存储水量，写卡功能：用户在插入购水卡后，水表将购水量读入表 中，同时将水表最近1 2 个月用水数据写入卡中，下次购水时由卡 传给管理系统，以便系统按当月的实际水价和阶梯水价计价收费。 粤里单字 工j 一一j e “或”触发 i 回 区匦 圭! 匡亟口 图3 1 水表控制阀的控制模式 ( 5 ) 显示提示功能：采用液晶显示器可以显示剩余水量，系统的总购量、 系统日期、报警提示水量用完。用户剩余水量减小到2 m 3 时，关闭电动 阀l 、j ，提醒用户购水，此时可使用用户卡开阀，直到水量减少至o 0 2 m 。 时，阀门关闭，此时只有用户再次购水后方叫使用。 ( 6 ) 欠压检测及防窃、防磁功能：当电源电压不足时提示用户需更换电池， 当用户私开表盖时系统将关闭电动阀，防止用户窃水，当用户拿磁铁靠 近时，也自动关阀，此时只有管理部门的维修卡才可以开阀。 ) ) ) ) “ q 3 2 水表组成及工作原理 智能水表由传统的机械水表部分和电子控制两部分组成。传统的机械部分由 旋叶、齿轮箱、机械计数器组成。水流推动旋叶，由齿轮箱带动机械计数器进行 累加计数。预付费水表中之所以要保留机械计数器，是防止一旦电子部分损坏， 就丢失了用户的全部用水信息。电子计数是在齿轮附近安装检测用水的干簧管， 当用水时齿轮转动一圈，干簧管产生一个用水的脉冲送到电子控制部分进行电子 计数。电动阀门是水表重要的执行机构，它执行由电子控制部分发来的开阀或关 阀指令，从而控制用水。 l 水量采集电路卜 一l c 。显示电路 兰 勺 l 电动阀控制电路 一 i k - i报警电路 且 7 l报警皑* 葛 i 【c 卡接口电路 i 斗 叫电源欠几? 检测电路 图3 2 智能i c 卡水表的硬件组成 智能阶梯水表的硬件组成结构如图3 ，2 所示，其中包括主控m c u 芯片、水量 采集电路、电动阀控制电路、l c d 显示电路、报警电路、电源保护及欠压检测电 路和i c 卡接i _ _ l 电路等。 该i c 卡阶梯收费水表可以接受i c 卡输入的预购水量，根据水表内剩余水量 情况打开或关闭阀门并显示水表相应信息，配合管理系统实现按用水性质的不 同，实现阶梯水费的收取。即在系统中要按月存储用水量，并能通过i c 卡带回 管理系统。在系统中有。计时芯片，可以通过该芯片来计量每月的用水量。i c 卡水表首先通过传感器将水量转换为电脉冲信号，脉冲信号经放大、整形后输入 到单片机进行计量，为了降低能耗，当用水量为一吨时读时钟：笛片，判断是否为 下一个月，若是累计上个月的用水量存入存储器，若不是，继续累计用水量。用 户到供水公司收费站缴费购水，回来后把存储水量的i c 卡插入到i c 水表中， 单片机控制系统经密码比较有效后读取水量，开启电动阀允许用户用水，同时将 1 c 卡的购水区清零，同时将各月的水量写回卡中，以备卜次购水时清算是否有 超水费。随着用户用水，存储器中的水量减少，在水量被用完之前，系统将提示 用户续卡。 3 2 1 单片机 众所周知，数字技术和计算机技术已渗透到了工业、农业、商业、教育、 医疗、军事、娱乐等每一个领域以及生活中的每一个角落，其应用的广度和深度 已经到了令人无不为之惊叹的地步；但是，在工控领域，在日益追求小而精、轻 而薄的自动化控制器、自动化仪器仪表、家电产品等方面，p c 机仍有所不相适 宜。而工业控制、仪器仪表、家电产品等市场广阔，要求p c 机技术与之相适应。 在这种情况下，单片机应运而生了。 在单片机的发展史上，美国i n t e l 公司的贡献十分突出：1 9 7 6 年该公司研 制出第一代通用单片机m c s 一4 8 系列，1 9 8 0 年相继推出第二代8 位增强型 喇c s 一5 l 系列，1 9 8 3 年又推出1 6 位单片机m c s9 6 系列，近年又推出了 3 2 位乃至6 4 位的单片机，可谓发展迅猛。另外，除了i n t e l 公司以外，p h i l i p s 公司、a t m e l 公司、s i e m n e s 公司、m o t o r o l a 公司等许多大公司，纷纷推出了名 日繁多的芯片”“。归纳起来，它是沿着两条路发展的：改进集成电路制造工艺， 提高芯片的工作速度，降低f 作电压和降低功耗：在保留共同的c p u 体系结构、 最基本的外设装置( 如异步串行口，定时器等) 和一套公用的指令系统的基础上， 根据不同的应用领域，把不同的外设装置集成到芯片内，在同一家族内繁衍滋生 出各种型号的单片机。另外，在单片机的应用中，可靠性是首要因素。为了扩大 单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是1 种有效方法。近年来， 单片枫的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，主要表现在 以下几点”1 ： e f t ( e l e c t r i c a lf a s tt r a n s i e n t ) 技术 低噪声布线技术及驱动技术 采用低频时钟 和模拟电路结合越来越多 实质上，如上所述，单片机的出现足有两个方面的因素促成的。其一是人类 生产的需要，如仪表的智能化、工q k 过程控制系统的智能化等都要构成这些设备 的核心部件必须体积小、控制功能强、抗干扰等。另一方面，计算机技术和电子 学技术的迅猛发展，使技术发达国家在7 0 年代已具备了制造超大规模集成电路 的能力，使得单片机可以被实现。 单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制方面的需要。因 此，它在硬件结构、指令系统、i o 端口、功耗消耗及可靠性等方面均有其独特 之处，其最显著的特点之一就是具有非常有效的控制功能。因此，单片机又常常 被人称为微控制器。 单片机和微型计算机类似，具有三总线，可以进行算术运算和逻辑运算，并 通过控制逻辑由总线将运算结果输出到存储器和i o 设备等。但是，它与微型计 算机在内在和外在表现方面又有许多差别。概括起来，单片机具有以下特点哪： 存储器r o m 和r a m 是严格分工的采用面向控制的指令系统，在实时控制 方面，尤其是在“位”操作方面单片机有着不俗的表现 应用注重现场工程，因此体积小 品种规格的系列化。属于同一个产品系列的、不同型号的单片机，通常 具有相同的内核、相同或者兼容的指令系统。其主要的差别仅是在片内 配置了一些不同种类或不同数量的功能部件，以适应不同的被控对象。 单片机的硬件功能具有广+ 泛的通用性。同一种单片机可以用在不同的控 制系统中，只是其中所配置的软件不同而已。 只能借助专门的开发系统进行丌发。 功耗低 价格低 基于上述的特点，我们选用美国t i 公司的m s p 4 3 0 f 4 1 3 型号的单片机作为 控制部件。f 图3 3 是m s p 4 3 0 f 4 1 3 的内部结构，它采用了f l a s h 存储器，具 有以下一些特点1 1 】： 超低功耗：m s p 4 3 0 f 4 1 3 运行在2 2 v ，1 m h z 时钟条件下，其工作电流 根据工作模式的不同在o 1 u a 一3 0 0 u a z 之问。其工作电压范围为 1 8 v 一3 6 v 。 处理能力强大：采用r i s c 指令集，核心指令2 7 条，并具有丰富的寻址 图3 - 3m s p 4 3 0 f 4 1 3 芯片内部结构图 方式。片内寄存器数量多，有高效的查表处理方法。以保证程序编制的 高效性。中断源较多，可以实现中断嵌套，使用时方便灵活。 存储能力大：8 k b + 2 5 6 b n a s h + 2 5 6 b r a m 片上外围模块丰富。m s p 4 3 0 f 4 1 3 具有f l l + ( 频率锁相环) 时钟系统 ( 提供从低功耗模式到活动模式小于6 u s 的唤醒速度) ，看门狗，带有 三个捕获比较寄存器的1 6 位定时器( t i m e r _ a ) ，片内比较器，9 6 段l c d 驱动器，4 8 个i 幻引脚，并且端口p l 和p 2 具有中断能力，每一引脚都 可以单独选择中断触沿、单独允许中断。 开发方式简便高效：m s p 4 3 0 f 4 1 3 具有j i a g 接，可以方便的通过j 1 a g 控制器实现程序的下载和调试。 3 2 2i c 卡接口电路 本系统采用的i c 卡为逻辑加密卡a t 8 8 s c l 0 2 ，对其应用区的访问受到密码、 熔丝、该区读写属性位和该区擦除密码的保护，因而具有较高的安全性。由于该 卡和a ，1 1 8 8 s c l 6 0 4 等大容量的i c 矗在读写和操作方法上基本致，区l 而本系统 为将来改用大容量的i c 卡进而实现城r j 水、电、煤气等公用事业“一卡通”提 供了呵能。 i c 卡读写器是i c 卡与应用系统间的桥梁，在i s o 国际标准中称之为接口设 备，按性能分为专用读写器和通用读写器两种。本系统采用的智能i c 阶梯水表 就属于一种i c 卡专用读写器，它与i c 卡的信息交换是实现水费预收费的关键。 本系统采用的较廉价的拔插式卡座，其与单片机的接n 原理图如图3 r 4 所示，当 i c 卡插入后，卡座上的开关闭合，经逻辑电路处理后在单片机的i n t 脚上引起 中断，中断服务程序判断卡类，然后则进入i c 卡校验及读写中断服务程序。 图3 4i c 卡与单片枧接口电路 3 2 3 电动阀及控制电路 p 6 6 p 67 i c 预付费阶梯水表的另一主要机械组成部分是电柠阀。常用类型为先导 式电磁阀和最新出现的轻体量电动阀”“。电动阀一般有先导阀，球阀，碟阀三种。 对他们的要求是动作可靠、省电。先导阀利用电磁铁、先导孔、橡胶膜片，靠水 图3 5 电动阀的控制电路 压的力量来完成阀门的开闭。它一般只需三百毫秒以下的电磁铁通电时间就可以 快速开或关阀门。但电磁铁的电流要3 0 0 至4 0 0 毫安。先导阀对水的质量要求较 高，因为水中过多的泥沙和杂质会堵塞先导孔而造成阀门失效。球阀和碟阀都靠 小型直流电机通过齿轮箱减速后带动转球或陶瓷碟片开关阀门，它们完全靠电机 的力量而不像先导阀那样借助于水压。转球和陶瓷碟片在水的压力下具有很大的 摩擦力，小型电机只有经过大比例的减速后才能产生足够大的力矩来转动转球或 陶瓷碟片。这样来，阀门要经过十多秒钟的动作才能完全打开或完全关闭。球 阀和碟阀对水质就没有严格要求，虽然动作时间比先导阀大一点。本系统采用电 动碟阀作为阀门，3 v 直流小型电动机驱动，阀门开或关到位时间为l l 至1 2 秒。 电动阀的控制电路如图“”所示：通过单片机的p 2 o 口和p 2 1 口来控制电动 阀的开启和关闭。当p 2 o 脚输出高电平，p 2 1 脚输出低电平时，q l 和q 2 饱和 导通，q 6 饱和导通，集电极输入高电平，q 5 截至输入低电平，电动阀开启。同 理，当p 2 1 脚为低电平，p 2 1 脚为高电平时，电动阀关闭。通过电动阀控制电 路，单片机控制系统可以很方便的控制用户用水情况。 3 2 4 时钟电路 内嵌有时钟芯片，提供计时时钟，采用低功耗芯片。为了维持时钟的运转。 单片机处f 掉电模式时，仍有静态的微功耗。时钟芯片可以提供计时时钟，定时 功能、报警功能等等。 3 2 5 水表电源 水表的电源有外接方式和密封方式。外接采用市电给预付费水表提供电源是 不足取的，不能因为停电就得停水，否则就需要蓄电池组和充电电路；蓄电池在 停电后能坚持多长时间、蓄电池充放电次数和寿命有多长、成本、体积、可靠性 都存在问题。采用密封方式的话，采用干电池供电。按建设部的标准，水表的寿 命应在7 年以上。水表在电机转动或读写l c 号时一股需达到几十毫安的电流， 丽水表平时要维持时钟芯片的计时，需控制在几微安以下。元器件、i c 卡的选 取都要考虑到微功耗。单片机平时处于休眠状态，处理完外部事件后又转入休眠 状态；液晶显示器平时并不需要点亮，只有插卡时才点亮显示有关信息，然后又 熄灭。可以大致估算出电机、i c 卡产生的功耗只占电池耗电总容量的四分之。， 平时的耗电要占四分之三。我们采用必须采用寿命长、体积小、容量大、自放电 小、价格平的锂电池。一种称为“锂亚硫酰氯”的次性电池可以达到这种 要求使水表的电池寿命可达7 年以上。 4 1i c 卡概述 第四章i c 卡系统 i c 卡是集成电路卡( i n t e g r a t e dc ir c u i tc a r d ) 的英文简称，也有人称之 为智能卡、灵巧卡( s m a r tc a r d ) 等。i c 卡的概念是2 0 世纪7 0 年代提出的， 自1 9 7 6 年法国布尔( b u l l ) 公司研制出世界第一枚i c 卡芯片以来，i c 卡技术 飞速发展，已经形成一涉及全球众多著名电子巨头的新兴技术产业。它将微电子 技术和计算机技术结合在一起，已被应用到电信、金融、交通、工商税务、公用 事业等行业，从而提高了人们生活和工作的现代化程度。在介绍各种i c 卡特点 的基础上确定了本课题的i c 卡选型。 i c 卡的种类很多，按照 片与卡座的接口方式，可分为接触式i c 卡和非 接触式i c 卡两大类，并以前者应用广泛。接触式i c 卡又按芯片的不同，分为存 储卡、逻辑加密卡和c p 【卡三种，下面对他们做简要介绍”7 “”1 。 l 、存储卡：般由存储器芯片制成，逻辑结构如图4 ，l 所示。其特点为： 设无安全控制逻辑，即存储器中存储的有关信息呵以任意存取、没有 逻辑安全性。 多采用ee p r om 存储技术 不完全符合或支持iso iec78l6 等有关i c 卡的国际标准 一般是非i c 矗专用芯片 通讯协议多采用两线串联链接协议 。，_ i 一、 图4 1 存储卡逻辑结构图 存储卡功能简单，没有或很少安全保护逻辑，但由于价格低廉，开发使用简便， 因此在某些简单应用场合、内部信息无需保密或不允许加密场合，有较多应用 2 、逻辑加密卡：也称智能存储器卡，它具有较高的安全性和较大的存储容 量，这一特性完全取决于其采用的逻辑加密存储器芯片。逻辑加密存储器芯片主 要有安全控制逻辑及非易失性存储器两部分组成。此外，为进一一步加强其安全性， 在逻辑加密存储芯片的制造及运输中也提供了较好的安全保护措施。与通用存储 器i c 卡芯片比较，逻辑加密存储器i c 卡芯片主要具有以下特点： 具有安全控制逻辑，安全性能较好 从芯片的制造到交货，均采取较好安全保护措旖 同时采用r o m ，p r o m ，e e p r o m 等存储技术 较好地符合或支持i s 0 i e c 7 8 1 6 等有关国际标准 一般均为专门为i c 卡设计的专用芯片 一 ：l 等存话器i 一， 图4 2 逻辑加密卡结构图 此类芯片的逻辑结构如图4 _ 2 所示。由于具有一定保密性能，且价格较c p u 卡低，因此在需要保密要求不甚高场合，逻辑加密卡得以大量使用( 如电晤卡， 停车卡等小金额消费存储场合) ，已成为目前i c 卡应用尤其是非金融领域的主要 形式。 3c p u 卡：也称智能 、保密微控制器卡，在i c 卡家族中出现最晚，也最 具生命力。由于其具有很高的数据处理和计算能力以及较大存储容量。因此应用 的灵活性、适应性较强。而在硬件结构、操作系统、制作工艺_ 卜所取之多层安全 措施，则保汪了其较强的安全防伪能力。它不仪可验证卡和持卡人的合法性，而 且可鉴别读写终端，已成为一卡多用及对数据安全保密性特别敏感场合的最佳选 择，如金融信用卡、手机s i m 卡等，但其价格也最贵。 在i c 卡早期的应用中，基于技术和价格卜的考虑，人们较多的使用没有硬 件加密逻辑的普通存储器卡，现有的电表、水表、煤气表、停车场等预收费系统 中，基本上也都采用普通存储器卡。虽然可以通过动态加密等软件算法对关键数 据进行加密，但这在安全性上是不完善的。为了增强应用系统的安全性能，本课 题中选用的是逻辑加密卡a t 8 8 s c l 0 2 4 2a t 8 8 s c l 0 2 卡 4 2 1a t 8 8 s c l 0 2 卡工作原理 a t 8 8 s c l 0 2 卡是带加密逻辑的l k 位e e p r 嘣型i c 卡。其保密性主要基于这 样几条措施“”：( 1 ) 只有密码校验正确后才可访问存储器：( 2 ) 对输入错误 密码的次数进行计数，超过4 次后，卡片被永久锁死；( 3 ) 在一定条件下，可以 改变密码，实现密码的安全移交；( 4 ) 用熔丝来保护存储区的数据：( 5 ) 具有掉 电保护功能。因此，a t 8 8 s c l 0 2 是一种保密性能较高的i c 卡。 除了具有加密逻辑外，a t 8 8 s c l 0 2 卡还具有如下一些显著的优点： ( 1 ) 采用低功耗c m o s 工艺制造 ( 2 ) 密码比较有效后才能存取数据，且连续4 次密码比较无效后，器件将 被锁死( 永久损坏) ( 3 )内部产生编程电压v p p ，从而可以用+ 5 v 单电源工作 ( 4 ) 高可靠性，保证1 0 6 次擦写次数，1 0 0 年数据保存期 ( 5 ) 温度范围宽；一2 5 。c 。7 0 c ( 6 ) 支持i s 0 7 8 1 6 3 同步协议例 a t 8 8 s c l 0 2 卡的内部结