智能IC卡水表的研发--优秀毕业论文.pdf

申请上海交通大学工程硕士学位论文 智能 ic 卡水表的研发 智能 ic 卡水表的研发 院 系 机械与动力工程学院 工程领域 机械工程 交大导师 刘 利 副教授 企业导师 胡克坚 高工 工程硕士 余勇兵 学 号 1090212138 上海交通大学机械与动力工程学院 2012 年 05 月 上海交通大学机械与动力工程学院 2012 年 05 月 上海交通大学工程硕士学位论文 摘 要 智能智能 ic 卡水表的研发卡水表的研发 摘摘 要要 传统水表需要人工参与抄表计费 存在着统计工作量大 误差大 入户扰民等种种弊端 难以满足人们对水计量器具的越来越高要求 随 着 金卡工程 的广泛实施 采用ic卡技术的各种智能终端开始走进千 家万户 智能ic卡水表具有较高的计量精度 采用预付费方式 大大提 高了供水管理部门的工作效率 同时 在技术上为节约用水 合理用水 创造了条件 基于智能卡的水表将得到越来越广泛的应用 为此 本文 结合企业研发智能ic卡水表系统的具体实践过程 重点对陶瓷阀动力学 分析 为企业水表的更新换代提供理论指导 本文首先依据智能ic卡水表系统的性能参数和功能要求 提出了ic 卡水表总体方案设计 并对以msp430f413单片机为核心的ic卡冷水水表 的主要电路进行了详细设计 接着阐述了智能 ic 卡水表机械系统设计 运用 solidworks simulation 建立了有限元模型 对陶瓷阀的结构静力 应力分布 位移 分布进行详细分析 在此基础上提出了陶瓷阀结构的改进方案 同时根 据陶瓷阀的额定扭矩等参数进行执行机构的设计和强度校核 最后本文对所研制的样机进行了大量的性能 寿命 可靠性试验研 究和试验数据分析 试验和实际的应用情况表明本论文所设计完成的ic 卡智能水表具有低功耗 高可靠性等优点 满足设计要求 关键词 关键词 智能水表 ic 卡 陶瓷阀 低功耗 高可靠性 i 上海交通大学工程硕士学位论文 abstract the development of intelligent ic card water meter abstract the traditional water meter need to make the manual reading meter billing and have the defects of large statistic work large error and nuisance of entering the room and so on so that they can not meet increasingly high demands of people on the water meter with the widespread implementation of golden card project a variety of smart terminals with ic card technology have started to enter thousands of family the water meter with intelligent ic card have high measuring precision prepaid form and greatly improve the work efficiency of water supply management department otherwise the water meter based smart card also creates the conditions in technology for the conservation and rational use of water and they will be more widely used so this article combines with the concrete practice process of intelligent ic card water meter system by enterprise focus on the dynamics analysis of ceramic valves and provide theoretical guidance for the upgrading of enterprise water meter firstly this paper makes an entire design plan for ic card water meter in accordance with the property parameter and function demands and designs detailedly the main power line of ic card cooling water meter based on msp430f413 single chip microcomputer then this paper describes the mechanical system design of water meter with intelligent ic card creates finite element model by solidworks simulation analyzes the static structure stress distribution and displacement distribution in detail and make the improvement plan of ceramic valve structure and also make the implement structure design and strength checking finally this paper investigates a large amount of property life span and reliable test and analyzes the test data for the specimen machines the test and actual application indicate the water meter designed and produced by this article have the benefits of low power consumption and high reliability and could meet the design requirement key words intelligent water meter ic card ceramic valve lower power cost high reliability ii 上海交通大学工程硕士学位论文 目 录 目目 录录 摘 要 i abstract ii 目 录 iii 第一章 绪论 1 1 1 课题的背景 1 1 2 智能 ic 卡水表的技术现状与发展趋势 1 1 3 智能 ic 卡水表关键问题 3 1 4 本课题相关的流体理论 4 1 4 1 流体的分类 4 1 4 2 流体计算基本方程 5 1 5 课题研究内容 7 第二章 总体方案设计 8 2 1 智能 ic 卡水表的基本功能 8 2 2 智能 ic 卡水表的组成及工作原理 9 2 3 智能 ic 卡水表总体方案的制定 10 2 3 1 基表 10 2 3 2 电控阀 10 2 3 3 流量传感器 11 2 3 4 智能卡 12 2 3 5 微处理器 13 2 3 6 电源 13 2 3 7 水表应用系统 13 2 4 控制电路硬件部分的设计 14 2 4 1 单片机 14 2 4 2 水表计量电路 15 2 4 3 时钟电路 15 2 4 4 阀门控制电路 16 2 4 5 电源及电源管理电路 16 2 4 6 jtag 电路 17 2 4 7 cpu 卡接口电路 17 2 4 8 esam 模块接口电路 18 2 4 9 lcd 接口电路 19 2 5 本章小结 20 第三章 整机结构设计 21 3 1 陶瓷阀优化设计和流场分析 21 3 1 1 陶瓷阀原理及结构 21 3 1 2 solidworks 软件简介 22 3 1 3 陶瓷阀结构静力分析 25 3 1 4 陶瓷阀流体分析 30 iii 上海交通大学工程硕士学位论文 目 录 iv 3 2 驱动器设计 35 3 2 1 驱动器输出扭矩及电机参数确定 35 3 2 2 齿轮系设计计算 36 3 2 3 齿轮强度校核 37 3 3 基表 壳体设计 41 3 3 1 基表设计 41 3 3 2 壳体及外观设计 42 3 4 本章小结 43 第四章 关键零部件及整机的性能测试 44 4 1 陶瓷阀试验 44 4 1 1 试验条件 方法 44 4 1 2 试验结果 45 4 1 3 试验分析 47 4 1 4 试验结论 47 4 2 驱动器试验 48 4 2 1 试验方法 48 4 2 2 试验数据及分析 48 4 2 3 试验结论 49 4 3 卡座寿命试验 50 4 3 1 试验方法 50 4 3 2 试验数据 50 4 3 3 试验结论 50 4 4 压力损失试验 50 4 4 1 试验方法 51 4 4 2 试验数据及分析 52 4 4 3 试验结论 54 4 5 流量性能测试 54 4 5 1 试验方法 54 4 5 2 试验数据及分析 55 4 5 3 试验结论 57 4 6 整机功耗试验 57 4 6 1 试验方法 57 4 6 2 试验数据记录 57 4 6 3 功耗计算 58 4 6 4 试验结论 59 4 7 本章小结 59 第五章 总结与展望 60 5 1 总结 60 5 2 本文的不足及展望 61 参考文献 62 致 谢 64 攻读学位期间发表的学术论文 65 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1 1 课题的背景 目前我国人均水资源量2200立方米 约为世界平均水平的31 全国669座城市中 有400余座供水不足 其中严重缺水的有110座 到2030年中国人均水资源量将降到接 近国际承认的1700立方米的 用水紧张 标准 l 解决中国水资源短缺问题最根本 最有效的战略举措就是建设节水型社会 抓紧制定节水型社会建设规划 推进中国水 资源开发利用方式从粗放型向集约型 节约型转变 力争在2020年初步建成节水型社 会 2 节约水资源应大力推广应用节水新技术 加强用水的科学管理 而要加强用水 的科学管理 最重要的是研究开发用于节水科学管理的智能仪表以及这种仪表的普及 应用 加快研究和推广ic卡智能水表管理系统 是我国供水工程管理模式的创新 对 综合利用水资源具有划时代意义 3 随着改革开放和社会主义市场经济的不断发展 国家 金卡工程 的不断推进 传统的用水观念发生了很大变化 如何实现既不扰民 又能保证查表到户和回收水费 成了各供水企业急待解决的问题 于是供水公司和商家都想到了卡式水表 4 5 1 2 智能ic卡水表的技术现状与发展趋势 ic 卡水表是以带有发信装置的水表为计量基表 以 ic 卡为信息传递媒介 加装 控制器和电控阀所组成的一种具有预付费功能的水量计量表具 按 ic 卡水表的使用 卡型 有 tm 卡 标准 ic 卡之分 结构形式也有整体式 分体式之分 tm 卡为数据 交换卡 由美国达拉斯公司开发 与国际 ic 卡标准不兼容 不通用 在国内仅水表 门禁系统等少数几个行业中有所应用 ic 卡具有 3 个突出特点 即国际标准化 智 能化和安全性 从 1987 年起 国际标准化组织专门为 ic 卡制定了国际标准 is0 iec7816 此后 ic 卡相继有摩托罗拉 汤姆森 日立 0ki 东芝 夏普 爱特梅尔 飞利浦 西门子等十几家公司投入了 ic 卡的开发与生产 ic 卡应用行业迅速渗透到 金融 电信 医疗 保险 交通等各个行业 6 ic 卡技术的兴起为我们日常的生活和 工作提供了极大的方便 7 针对于目前传统的先用水 后结算交费的人工抄表方式带 来的一系列的问题 我国市场上出现了很多的智能化水表 8 我国智能水表是在智能电表的基础上发展起来的 随着ic卡电表的产生 ic卡水 表也经一些厂家研究产生了 但那时的产品抽样合格率仅为31 8 而据业内人士透 露 即使合格的产品也存在着多种致命的技术隐患 但各个厂家对水表的研究仍是方 兴未艾 随着智能水表行业的发展 智能水表在多个城市得到应用 特别是到了2001 年国家建设部发布了ic卡冷水水表的行业标准cj t133 2001 这个标准规范了智能水 1 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 表的技术指标 为智能水表的发展和普及起到重要作用 此后哈尔滨 天津 杭州 南昌 广州等城市也都启动了自来水管网改造工程 使智能水表的应用在2002年达到 了一个高潮 11 在智能水表的发展中 最先在90年代初推出了接触式lc卡 那时的lc卡是加密性 较差的存储器卡 抗干扰能力较差 特别是受到当时舆论的评论后 其应用一度受阻 97年第一个代码预付水表产生了 98年第一个rf卡水表研究成功 99年新一代的接触 式lc卡水表 采用的是逻辑加密卡 及cpu卡水表研制成功 2000年tm 卡水表产生了 2001年具有防水功能的接触式lc卡水表研制生产 目前 从事水表的生产厂家有一百 多家 但真正能生产智能水表的企业还不到2o家 在这些厂家中只有1家是采用代码 付费水表 其余大多是采用接触式逻辑加密ic卡水表 12 水表的基表常有 旋翼式水表 容积式水表和螺翼式水表三种形式 旋翼式水表 又分为干式水表和湿式水表 干式水表采用磁铁隔离方式 因此计量信号采集非常容 易 比较适合作为预付费控制计量基表 目前大多数的智能ic卡水表的基表均采用的 是旋翼干式水表 智能水表数据采集传感器种类很多 常用的有 光电传感器 霍尔传感器 干簧 管传感器 机械传感器等类型 最初的智能水表是采用霍尔传感器采集信号的 但由 于其体积及功耗较大而被干簧管传感器取代 直到 98 年智能水表才有性能比较稳定 的双干簧管加磁钢的发讯装置产生 目前 l c 卡水表生产厂家中大多数采用的就是这 种装置 11 智能水表的阀门无疑是智能水表部件中最为重要的一个部件 阀门的好坏直接关 系到预收费功能能否实现 智能水表要求阀门压力损失小 体积小 功耗低 在90 年代初很多厂家采用结构复杂的电磁阀 但此类阀门抗外界敲击能力较差 且压损大 可靠性差 现在电磁阀已普遍被电动阀代替 目前市场上的水表采用的控制阀主要分 为三类 电控球阀 电动陶瓷阀 电动先导阀 11 目前还有一种浮动式球阀 是杭州 竞达电子有限公司开发的 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 从而实现了既保证密封又能轻松开关阀的目的 13 智能水表的电路是由微控制器 单片机 led lcd 显示模块 ic卡接口 计量 模块 负荷控制开关 电源模块等组成 目前智能水表的电路板向着小型化 低功耗 抗干扰 低成本 实用功能的方向发展 在电路板上由贴面件取代插接件 采用机器 自动焊接取代手工焊 使部件更小 性能更稳定 成本更低 在对单片机的选择趋向 于容量适中 功能丰富 性能可靠 价格低 11 从查阅的一些文献资料看 近几年的智能ic卡水表开发选用的单片机均从低功 耗 低成本考虑 如浙江大学的邓凌 戴华平 卢建刚 上海大学的王云平 邵定国 李朝东 武汉理工大学的芦博 选用了ti公司的msp430单片机 湖南建材高等专科学 校的王韧选用了美国ad公司的aduc812单片机 湖南商学院的周鲜成 南开大学的康 叶伟 黄亚楼 孙凤池 中国科学院近代物理研究所的李庆瑞等选用了microchip公 2 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 司的plc16单片机 东南大学的江琳 胡仁杰 徐达银选用了ht49r50a单片机 河北 理工大学的曹晓华 梁秀满 杨印保 穆宏选用了philips公司的p87lpc767单片机 河北的武斌采用了picl6f73 28单片机 武汉理工大学的冯静采用了pic16f84单片机 这些水表设计所选用的单片机都是具备超低功耗特性 14 21 26 28 随着水表行业的加速发展 未来的ic卡水表将会朝着 价格更低廉 质量更可靠 无安全隐患 性能更完备 寿命更长及外形更美观的方向发展 在外形设计上更加考 究 采用现代工业造型设计 具有流线感和亲和力 在电子元件方面 水表电路的设 计将更加规范 稳定性更加可靠 随着电子技术的发展 智能水表的控制板体积更小 更稳定 成本更低 功能更强 随着微电子技术的快速发展 加上国家相关政策的推动 民用计量仪表的智能化 将是一个必然的发展趋势 这不仅是中国的一种趋势 也将成为世界性的趋势 我国 人口众多 水资源日益贫乏 智能水表的需求会越来越大 竞争会越来越激烈 智能 水表生产厂家的规模会变得越来越大 很多小型的水表厂家可能由于其质量 规模 品牌的优势不够而被淘汰 从目前的国情来看 智能卡水表仍将在未来几十年中 占 智能水表行业的主流 11 综上所述 智能ic卡水表性能稳定 计量准确 安装和管理系统操作简便 是一 种先进的计量仪表 促进了水表的更新换代 实现了用水管理科学化 智能化 更重 要的是引导用水管理行业走技术型发展的道路 随着国家 金卡工程 和 一卡通 的不断推进 各行各业对ic卡的认识也不断 深入 由于智能卡有着先天的优势 具有较强大的功能和安全性 可靠性 可扩展性 通用性 兼容性 因此已被更广泛地应用 并成为主流 可以相信通过各行各业的不 懈努力 以及政府的协调 在不远的将来我们会看到市民手持一张 智能卡 完成各 种金融交易和交纳各种费用 1 3 智能ic卡水表关键问题 在智能ic卡水表的设计中 ic卡水表的的低功耗 高可靠性要求 电控阀的可靠 性要求和ic卡水表的安全性问题等一直是设计中的难点 现在随着微电子技术的发 展 由于写入程序后的加密技术问题已经基本解决 所以 要用一般的方法破解微处 理器内部的程序将变得很困难 智能ic卡水表由于一般都采用一表一卡的方案 如果 只是破解一张单独的卡 意义不大 密码由于可以采用多密码机制 所以 保密问题 应当也不是一个大问题 特别是cpu卡和相应的加密算法的引入 为解决卡片的防伪 造和防解密提供了进一步的技术保证 管理程序由于只有少数人能够接触 只要加强 管理 安全保密应当是没有问题的 所以 采用智能ic卡水表 只要设计合理 其安 全问题是能够得到保证的 ic卡水表的功耗主要包括两部分 第l部分是硬件电路正常运行时的工作功耗 3 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第2部分是卡表执行机构 电控阀 动作时的瞬时功耗 因此硬件电路的设计思路围绕低功耗和高可靠性两个方面来进行 选用低功耗 的主控芯片 优化外围电路 极大的降低ic卡水表的功耗 由于系统的低功耗要求 阀门的设计是非常重要的一方面 陶瓷阀因其具有耐腐 蚀性好 耐磨性高 使用寿命长的优点 故在智能 ic 卡水表中得以运用 但在陶瓷 阀设计中 关于如何降低压损一直是设计中的难点 当前阀门设计中 主要是采用传统的理论分析或实验测试的方法 但理论分析往 往要求对计算对象进行抽象和简化 估算的值精度较低 难以得到精确的结果 而实 验测试方法往往受到模型尺寸 流场扰动 人身安全和测量精度的限制 还会遇到经 费投入 人力和物力的巨大耗费及周期长等许多困难 有限元技术和计算机技术的发 展 出现了大量成熟的商业分析软件 为解决这些问题提供了可能 用分析软件的方 法恰好克服了前面两种方法的缺点 在计算机上实现一个特定的计算 就好象在计算 机上做一次物理实验 本课题就是通过有限元计算和分析 把有限元分析技术全面引 入陶瓷阀设计 对当前陶瓷设计中存在的主要问题进行分析和研究 1 4 本课题相关的流体理论 针对当前智能 ic 卡水表设计的关键技术中 电控阀的可靠性要求一直是设计中 的难点 故本课题的结构设计 主要是通过流体分析软件对陶瓷阀进行优化设计和流 场分析 提高阀门的高可靠性要求 而分析过程中需涉及到一些相关的流体理论 以 下对其进行简要介绍 1 4 1 流体的分类 在流体力学中 为掌握流体流动的基本规律 对不同类型的流动从简到繁 由浅 入深的进行研究 也要对流体的流动进行分类 通常 流体的运动可以从流体的性质 运动的特征分成如图 1 所示的几类 1 可压缩流体和不可压缩流体 我们把密度随温度和压强变化的流体称为可压 缩流体 反之把密度为常数的流体称为不可压缩流体 通常把液体看作是不可压缩流 体 气体看作是可压缩流体 但都不是绝对的 2 黏性流体和理想流体 无黏流体 自然界中所存在的各种流体 都有黏性 我们把有黏性的流体称为黏性流体或实际流体 为了是流体问题简化 便于进行分析 我们引入了理想流体的假设 没有黏性的流体称为理想流体 无黏流体 3 有旋流动和无旋流动 在流动过程中 若流体质点自身作无旋转运动 则称 流动是无旋流动 也是有势的 否则 则称流动是有旋流动 3 湍流和层流 在流体流动过程中 流体层与层之间相互没有干扰 层与层之 间既没有质量的传递也没有动量的传递 这种流动则称为层流 而流动中层与层之间 4 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 相互有干扰 而且干扰的力度还会随着流动而加大 这种情况称为湍流 也称紊流 4 定常流和非定常流 流体流动过程中各种物理量均与时间无关 这种流动称 为定常流动 反之则称为非定常流动 5 一维流动 二维流动 三维流动 一般的流动都是在三维空间的流动 流动 参数是 x y z 三个坐标的函数 在流体力学中又称这种流动为三维流动 当使其流 动参数在某些情况下 仅为 x y 两个坐标的函数 称这种流动为二维流动 是一个 坐标的流动 称为一维流动 图 1 流体的分类 31 fig1 classification of the fluid 1 4 2 流体计算基本方程 流体动力学是流体力学的一门子学科 流体动力学研究的对象是运动中的流体 流体指液体和气体 的状态与规律 在流体力学领域 研究流体动力学问题的基本方 法是建立动力学基本方程 流体动力学基本方程 是将古典力学的普遍原理应用于流 体 得到的控制流体运动的方程式分析和求解流体运动最基本的理论工具 流体动力 学基本方程既可以用微分形式来表示 也可以用积分形式表示 二者在本质上是一样 的 求解微分形式的基本方程 可得到速度 压强等运动参数在流场中的分布 给出 5 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 流场的细节 求解积分形式的基本方程 可以得到有限体积控制面上流动参数的关系 流体动力学基本方程的具体形式描述如下 1 纳维一斯托克斯 navier一stokes 方程 实际流体具有黏性 黏性在实际流体运动时不仅影响流体的运动形态 而且也阻 滞运动 消耗一定机械能 在研究实际流体运动中 除了考虑质量力和压强之外 还 需考虑流体黏性的影响 纳维一斯托克斯方程因1821年由纳维和1845年由斯托克斯分别导出而得名 纳维 一斯托克斯方程是描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程 简称n一s方程 1 1 n一s方程比较准确的描述了实际的流动 粘性流体的流动分析均可归结为此方程 的研究 这也是计算流体力学进行计算的最基本的方程 可以说 所有的流体流动问 题 都是围绕对n一s方程的求解进行的 但由于其形式复杂 在数学上很难利用方程 组来求出严格的解答 在大多数情况下不得不采用某些假定 求出它的近似解答 只 有极少量情况可以求出精确解 2 雷诺数 在1883年英国物理学家雷诺通过大量实验发现 流动存在两种不同的流动状态 层流和紊流 湍流 并且研究了它们的转变情况 由层流到紊流状态的转变 取决 于管中流体的流速 密度 动力黏性系数 或运动黏性系数 及管径d组成的一 个准则数 这就是雷诺数re 其表达式为 1 2 3 流体流动的能量损失和流动阻力 实际流体在管内流动时 由于黏性的存在 会产生能量损失 产生能量损失的原 因和影响因素很复杂 通常包括沿程压力损失 pl和局部阻力造成的局部压力损失 pj两部分 总能量损失应等于管路中各段沿程压力损失和局部压力损失的总和 pw pl pj 1 3 因流体与管壁面以及流体之间存在摩擦力 流体在管道中流动时总是受到摩擦力 的阻滞 这种沿流程的摩擦阻力 称为沿程阻力 流体流动克服沿程阻力而损失的能 量 就称为沿程损失 沿程压力损失可用下式求得 1 4 式中 u x v p fw z u v y u u x u t u dt du x 2 1 vv y p fw z v v y v u x v t v dt dv y 2 1 wv x p fw z w v y w u x w t w dt dw z 2 1 v dd re 2 2 d l fpl 6 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 f 沿程阻力系数 无量纲量 l 管道长度 m d 管道内径 m 流体密度 kg m 3 管道中有效截面上的平均流速 m s 管路系统中除了直管段外 还必须包含一些局部构件或连接件 只要直管段内的 平行直线流动受到扰动 就会产生一个局部的水力损失 局部压力损失可计算如下 2 2 kpj 1 5 式中 k 局部阻力系数 无量纲量 1 5 课题研究内容 本课题研究的目的是成功开发出高可靠性 低功耗的是智能ic卡水表 丰富企业 的水表产品品种 为企业带来新的经济增长点 本课题主要研究如下内容 1 依据智能ic卡水表系统的性能参数和功能要求 提出了ic卡水表总体方案设 计 并对以msp430f413单片机为核心的ic卡水表的主要电路进行了详细设计 2 对该课题进行机械结构的设计 主要是运用solidworks 的分析软件对陶瓷阀 进行静力设计 流体分析 改进陶瓷阀的结构 同时根据陶瓷阀的额定扭矩等参数进 行执行机构的设计和强度校核 3 通过对所研制的样机进行了大量的性能 寿命 可靠性试验研究和试验数据 分析 来验证本论文所设计完成的ic卡智能水表具有低功耗 高可靠性等优点 7 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 总体方案设计 第二章 总体方案设计 本课题是研制一种功耗较低 安全可靠 体积小 高度集成的表阀一体化 ic 卡 智能水表 其水表性能稳定 计量准确 安装和管理系统操作简便 促进了水表的更 新换代 实现了用水管理科学化 智能化 更重要的是引导用水管理行业走技术型发 展的道路 本章将根据市场调研 需求分析 确定各零部件的选型 进行总体方案的 设计 并确定该产品的主要技术性能指标 2 1 智能ic卡水表的基本功能 智能ic卡水表是以单片机控制系统为支撑平台 以ic卡作为流量数据与管理信息 传递媒介的智能水表 基表是水表实现计量的基础 主要结构部分与普通水表相同 微处理器是ic卡水表的 大脑 能根据设定的情况控制阀门的开关 智能ic卡水表 除了具有普通水表的计量功能外 还可以实现显示 报警 数据存贮 电源管理等控 制和管理功能 具体有以下几项 1 水量计量和累积功能 水表使用时 当使用水量达到控制器计量精度时 控制 器能接收到完整的脉冲 更新用水量和剩余水量 2 水量统计功能 控制器存储了该表的剩余水量 总用水量 总购水量 前12 个月的用水量 本月用水量 前次购水量 实际赊欠水量 并按自然月累计月用水量 发生了用水时 水量信息可以独立更新 互不干扰 3 用水控制功能 当用户的用水情况已需要受控 表的状态异常 出现了影响水 量计量的情况时 控制器能自动切断水源 直到用户可以用水 或表的状态恢复正常 不影响水量计量时 水表可自动恢复供水 4 数据保持和恢复功能 在水表出现先断电一段时问 然后恢复供电的情况下 恢复供电后水表保存的水量数据和设置的参数与断电前保持一致 断电时内部存储的 数据恒定 不会发生丢失 5 水表状态监测功能 控制器能够检测影响水表的使用的部件的状态 并进行实 时监测 例如内外部电池的电量 水量传感器 于簧管 ic卡座 信号连接导线 阀 门的状态 6 水表状态 事件 功能卡操作记录功能 当监测的重要部件状态发生改变时 控制器自动记录并保存新的状态标志 例如内外部电池的电量是否不足 水量传感器 干簧管 是否损坏 信号连接导线是否断线 阀门是否开关到位 7 水量数据和表状态的查询功能 用户可以查询表内的水量数据和表状态 插卡 8 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 总体方案设计 查询可以通过lcd显示本次购水量 本表的剩余水量 总用水量 本月用水量和表的 状态 管理部门用功能卡还可以知道时间和表型号 软件版本号 某块表详细的水量 数据 用水情况 事件记录可以通过系统管理软件从用户卡和检测卡中得到 8 阀门维护及管理功能 为了防止阀门积累水垢 导致开关阀不灵活 甚至堵转 控制器在阀门有一段时间 7天 内没有活动时 将自动开关阀门一次 使其活动 减 少水垢的积累 9 数据检错及纠错功能 读取ic卡数据时 控制器通过对数据块的校验和比较 校验数据块的完整性 通过对系统号 用户序列号 水表属性 ic卡类型 控制命令 标识 密码等数据项的校验 校验数据块的正确性并区分数据块的功能 10 电池欠压保护功能 当控制器检测到外部电池的电压降低至外部电池欠电压 值时 通过一段时间报警后 用户仍未更换外部电池 为了保护水表的安全 控制器 将关闭阀门 停止供水 直至用户更换新的外部电池 控制器自动打开阀门 恢复供 水 11 传感器干扰保护 水表采用双水量传感器 干簧管 工作 在正常工作时 由 于摆放位置的差异 两个水量传感器被做旋转运动的磁珠影响 依次发出水量脉冲信 号 受到干扰后 两个水量传感器同时闭合 发出信号 或一个总是闭合 不能发出 信号 控制器能够检测到水量传感器的这种不正常状态 然后关闭阀门 停止供水 在水量传感器恢复正常状态一段时间 1小时 后 开启阀门 恢复供水 12 ic卡卡座保护功能 当ic卡座的触点被短路时 控制器检测到这种不正常状 态后 停止读写卡的操作 防止出现短路电流威胁控制器的安全 35 2 2 智能ic卡水表的组成及工作原理 图 2 智能 ic 卡水表原理框图 fig2 the principle diagram of intelligent water meter 9 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 总体方案设计 智能 ic 卡水表主要由微处理器 显示器 驱动机构 阀门 流量传感器 基表 ic 卡 读 写器 管理系统等组成 其工作原理为 开户后用户可到银行或售水网点购水 利用专门的读写器向 ic 卡中写入购水量 之后 用户将 ic 卡插入水表接口 单片机系统与 ic 卡进行通讯 水表自动识别 ic 卡并确认无误后 将 ic 卡中的金额存入单片机系统中的存储器中 若金额满足要求 则将阀门打开 当用户用水时 传感器测试到用水量并将其转化为 电脉冲信号输入到单片机系统中 单片机系统进行计数和相应从所存金额中扣除用水 量 当所存金额不足时 单片机系统通过 lcd 显示器和蜂鸣器提示用户及时加入金额 当所存金额为零 单片机系统关断阀门 用户无法用水 用户将含有金额的 ic 卡重 新插入 ic 卡座中 单片机系统将 ic 中金额存入存储器中 则打开阀门 用户又可以 正常用水了 2 3 智能ic卡水表总体方案的制定 2 3 1 基表 水表的基表常有 旋翼式水表 容积式水表和螺翼式水表三种形式 旋翼式水表 又分为干式水表和湿式水表 旋翼式水表是世界上用的最多的水表 尤其是在小口径 方面使用最广 螺翼式水表又称伏特曼 woltmann 水表 适合在大口径管路中使用 其特点是流通能力大 压力损失小 容积式水表最主要的产品为旋转活塞式水表 特 点是计量等级高 灵敏度高 但修理调试较复杂 对水质要求较高 干式水表采用磁铁隔离方式 因此计量信号采集非常容易 比较适合作为预付费 控制计量基表 目前大多数的智能 ic 卡水表的基表均采用的是旋翼干式水表 基表与阀门的连接有分体式 整体式两种 分体式是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 卡智能水表 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 卡水表在联接处发 生松动 造成漏水 影响了 ic 卡智能水表的正常使用 分体式 ic 卡水表现已经基本 不再使用 整体式设计结构紧凑 外形简单美观 为目前大多数厂家所采用 本文基表采用旋翼干式水表 基表 阀门采用整体式结构 2 3 2 电控阀 电控阀的主要结构包括执行机构及阀门主体两部分 将电动执行机构和阀 门连接起来 经过安装调试后成为电控阀 电控阀使用电能作为动力来接通电 动执行机构驱动阀门 实现阀门的开关 调节动作 从而达到对管道介质的开 10 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 总体方案设计 关或是调节目的 阀门是 ic 卡水表的关键部件 要求压力损失小 体积小 功耗低 压力损失要 求达到中国城镇建设行业标准 ic 卡冷水水表 cj t133 2007 中规定的 o 1mpa 的要求 且 ic 卡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 而且智能水表体积也必须增大 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 目前市场上的水表采用的阀门主要分为四类 电磁阀 球阀 陶瓷阀 先导阀 1 电磁阀 利用线圈通电激磁产生的电磁力来驱动磁芯开关的阀门 要求断电 后阀芯仍然保持在原有位置 分为磁保持 机械保持和电保持三种 2 球阀是利用直流电机驱动阀杆带动圆球 实现流道的启闭 关闭时 靠球面 密封 自动调心 优点是压损小 抗污能力强 缺点是驱动力矩大 功耗高 长期使 用可能因为结垢或磨损出现漏水 开关阀失灵 电流增大等问题 3 陶瓷阀主要由转轴 动片和静片组成 电机通过减速器带动动片旋转 实现 动片与静片的闭合与开启 定片的密封面上有多个可灌油脂的小孔 由于动片与静片 为环形结构 不论开阀与关阀动片和静片的密封部分始终接触在一起 因此所灌油脂 不接触水 在一定程度上减少了运动时的阻力 优点是耐腐蚀性好 耐磨性高 使用 寿命长 缺点是压损大 功耗大 受水压影响大 4 先导阀 先导阀安装简单 功耗低 压力损失如果要达到行业标准是需要解 决的问题 综合上述分析 从低功耗和高可靠性角度考虑 本文将运用 solidworks simulation 软件对陶瓷阀进行静力分析研究 对阀门进行结构上的改进 运用 solidworks flow simulation 软件对陶瓷阀的流态进行了仿真分析 通过分析流 场的水头损失 进而改进陶瓷阀结构 2 3 3 流量传感器 流量传感器是水表中的发讯部分 是将机械式水表中叶轮的旋转圈数转换成电信 号 以实现频率脉冲计数 进而实现对水流量的计量 目前市场上的发讯方式主要有 干簧管传感器 光电传感器 霍尔传感器 红外线传感器 电子传感器等许多发讯方 式 各种发讯方式均有厂家使用 干簧管传感器使用最广 其它传感器由于存在工艺 技术 成本等各类问题 没有被广泛推广 本文采用双干簧管发讯方式 是在水表的读数指示 o 001m 3的指针所在的齿轮上 安装两个磁钢 在计数器下夹板上的相应位置安装两个干簧管 当带有磁钢的齿轮旋 转至干簧管相应临近位置时 干簧管吸合 从而产生一个电信号 齿轮每转一圈 干 簧管吸合两次 实现一次计数 11 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 总体方案设计 2 3 4 智能卡 智能卡也叫集成电路卡 integrated circuit card 是将一个专用的集成电路 芯片嵌入基板中 封装成卡 智能卡根据卡的形状和外部数据传送的形式 基本可分 为接触式 ic 卡 非接触式 ic 卡和 tm 卡 接触式卡是卡片需要与设备接触才能进行信息传输 制造简单 但卡的接触面易 磨损 卡座的对外易受潮湿环境和人为的攻击 目前接触式卡主要分为存储卡 逻辑 加密卡 cpu 卡三种 非接触式卡又称射频卡 优点是读写卡不用接触读卡器 方便快捷 使用寿命长 但也存在功耗大 成本高 数据传输的可靠性一般的缺点 在接触式卡中 存储卡由于没有任何保护措施 安全性差 不会采用在水表上 一般常用于饭店门锁等场合 逻辑加密卡中的集成电路是具有加密控制逻辑的电可擦除存储芯片 eeprom 卡 内存有一密码 在访问存储区前需核对密码 三次不通过即自锁 信息保密性相对较 好 其应用集中于物业小区和一些中小城市 行业部门对这些水表的管理还没有形成 大范围的统一的行业管理模式 用户可以到自来水公司的营业网点购水 利用专门的 读卡器对卡进行操作 输入购水量 cpu 卡则是真正意义上的智能卡 卡中集成电路包括中央处理器 cpu eeprom 随机存储器 ram 及固化在只读存储器 rom 中的卡内操作系统 cos 存储容量大 处理 能力强 卡的安全性通过公开的算法实现 卡内无密码 利用可选的密钥对随机数进 行加密产生随机密码并校验 数据传输是密文的 不可跟踪破解 广泛用于信息安全 性特别高的场合 同时 这种卡具有统一的国际标准 满足金融系统的 pboc 规范 容易实现与金融卡的兼容 也利于实现一卡多表应用 cpu 卡水表就采用了 cpu 智能 卡和嵌入式安全模块 esam 作为数据 信息存储和传递的介质 具有很高的安全性和 抗攻击性 tm 卡是美国 dallas 公司的专利产品 它的工作原理与上述几种卡没有区别 只 是外形和读卡机具的不同 由于世界上只有美国达拉斯公司生产这种产品 目前没有 国际通用标准 在通用性上有较大局限性 我国的金融机构尚未对 tm 卡进行认证 目前应用在 ic 卡水表领域较多的是逻辑加密卡和 cpu 卡 cpu 卡成本相对逻辑 加密卡高 但安全性好 使用范围在逐步扩大 本文从安全性上考虑 采用 cpu 卡 cpu 卡及 esam 卡的 cos 由北京握奇公司生 产的 timecos 卡 该公司的规模在国内属前列 具有卡式电表的多年应用经验 也是 较早将 cpu 卡引入水表行业的卡商 timecos 卡支持 3des 加密算法 具有良好的开 发工具及技术支持 符合 中国金融集成电路 ic 卡 规范及 iso7816 标准 适合 于 ic 卡水表应用 12 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 总体方案设计 2 3 5 微处理器 智能 ic 卡水表的微处理器一般为单片机 它是智能 ic 卡水表的核心 处理来自 各个元器件送来的信息 每个厂家的单片机芯片型号不同 有 89c205l aduc812 at90 231 picl6f84 picl6c72 ht491150a 等不同型号 软件有采用 mcs 51 汇编 语言编制 也有 c 语言编写的 一般都是由脉冲采样 ic 卡读写 电控阀控制 外 部中断服务模块组成 微处理器的选型 以及软件编写质量的高低直接影响整表的功耗和可靠性 从低 功耗和可靠性角度考虑 本系统微处理器采用低功耗芯片 msp430f413 该单片机在 超低功耗方面有着世界领先的优势 其同系列机型在 tm 卡水表模块中经过 1 年多的 使用 效果非常理想 msp430f413 具有丰富的片内资源 片内集成了 lcd 驱动器 高精度模拟比较器 多个时钟源 io 可设为与内部时钟同步输出等等 大大简化了 外围电路的设计 降低功耗 2 3 6 电源 ic 卡水表的电源一般有三种 交 直两用电源 干电池 锂锰电池两用电源 功 率型锂电池 交 直两用电源是平时水表由交流电通过表内的小型变压器输出供电 而备用电池处于充电状态 一旦停电 水表就由内部备用电池供电 缺点是一般水表 的安装使用环境比较潮湿 很难采用市电供应 干电池 锂锰电池两用电源是平时水 表由干电池供电 而备用电池处于充电状态 当 ic 卡水表欠电更换干电池时 水表 就由内部备用锂锰电池供电 但更换干电池会给用户带来不便 目前众多厂家均采用 功率型锂电池 该种电池使用时间长 如果整表功耗低的话就可以保证 6 年以上的水 表生命周期 因此设计制造一款低功耗水表是 ic 卡水表厂家的主要目标之一 本系统采用三洋 cr17450e r 型锂电池 是目前市面上较易采购的符合设计容量 要求的名牌产品 该电池质量可靠 在 250ma 放电电流下 能放出 1 1ah 的能量 截 止 2 5v 在 4ma 电流放电时 能提供 2 2ah 能量 2 3 7 水表应用系统 水表管理系统软件可以实现对用户信息 购水信息和水价信息的记录和统计 并 实现对售水过程 补卡换表 对帐和系统日志的综合管理 软件可单独安装在售水网 点 也可以与银行系统联网 委托银行收费 系统实现目标是 结合 cpu 卡式水表为城市供水提供一个安全 可靠的数字化计量 控制 管 理及收费平台 实现客户管理 销售 换表 补卡 退费等业务功能 实现卡的密钥体系的 架构与管理 13 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 总体方案设计 在立足基本业务功能的同时 系统扩充成多种业务处理的方式 可通过 web 访问的方式进行业务操作 也可通过 pos 机方式实现自助售水 通过对管理系统所收集到的各类信息统计分析 为高层决策提供数据依据 满足客户的具体要求 软件一般 用户管理 水管理 业务管理 系统维护 等主要功能 2 4 控制电路硬件部分的设计 智能 ic 卡水表的硬件由两部分组成 一部分是水表的电子单元 由 ti 公司 的超低功耗 16 位微处理器 msp430f413 及其外围电路组成 包括电源管理 流 量检测电路 电机驱动电路 lcd 显示电路和 cpu 卡接口电路 另一部分是机械 单元为机械旋翼式水表 系统通过旋翼式水表 将水量转换为脉冲信号 实现对 用户用水量的计数 整个系统的硬件结构如图 3 所示 图 3 硬件设计总体框图 fig 3 the composition of the hardware design 2 4 1 单片机 目前市场上单片机比较常用的是 mcs 51 系列的 8 位单片机 其性能完善 技术 也较成熟 但功耗较大 不适合用于低功耗要求较高的智能水表 因此本课题单片机选用美国德州仪器公司生产的 msp430f413 该单片机在超低 功耗方面有着世界领先的优势 其主要特点是 1 超低功耗 2 强大的处理能力 3 丰富的外围模块 4 嵌入式 flash 存储器 5 方便高效的开发调试环境 其同系列单片机在 tm 卡水表模块中经过 1 年多的使用 效果非常理想 msp430f413 具有丰富的片内资源 片内集成了 lcd 驱动器 高精度模拟比较器 多个时钟源 io 可设为与内部时钟同步输出等等 大大简化了外围电路的设计 降 14 上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 总体方案设计 低功耗 2 4 2 水表计量电路 水表计量接口电路原理图如图 4 这部分电路实现与基表远传发讯装置的接 口 单片机 p1 6 p1 7 口是片内高精度模拟比较器的输入端口 结合片内产生 的 1 2v