隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步,，人們生活條件逐步提高，對(duì)住宅智能化的要求也越來(lái)越多,。一戶一表的推行,，復(fù)費(fèi)率階梯水價(jià)的實(shí)施以及供水管理部門(mén)提高計(jì)量收費(fèi)管理的需要，都要求對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械式水表進(jìn)行變革,。為適應(yīng)國(guó)家用水制度的改革,，本設(shè)計(jì)在原有智能水表的基礎(chǔ)上，增加了階梯計(jì)費(fèi)復(fù)費(fèi)率核算功能,，該智能水表能根據(jù)用水參數(shù)和當(dāng)月內(nèi)的用水量實(shí)時(shí)地核算出水表內(nèi)的剩余金額,，方便水表用戶和供水部門(mén)的管理。本文設(shè)計(jì)的Mifarel(簡(jiǎn)稱M1)卡預(yù)付費(fèi)智能水表可有效地解決上述問(wèn)題,，實(shí)現(xiàn)了“先購(gòu)水后用水”的預(yù)付費(fèi)消費(fèi),，對(duì)節(jié)省國(guó)家資金和減少水資源浪費(fèi)都有積極意義。
1 水表組成及工作原理
基于MSP430F413的M1卡智能水表系統(tǒng)組成原理如圖1所示,。
M1卡智能水表的工作原理是,，在普通轉(zhuǎn)盤(pán)計(jì)數(shù)的水表中加裝干簧管和永磁鐵，雙干簧管固定安裝在計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)盤(pán)上方附近,，永磁鐵安裝在計(jì)數(shù)盤(pán)(本系統(tǒng)O．01 m3)位上,，計(jì)數(shù)盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈,，永磁鐵經(jīng)過(guò)雙干簧管各一次，在信號(hào)端產(chǎn)生兩個(gè)計(jì)量脈沖,。當(dāng)接收到有效計(jì)量脈沖時(shí),，單片機(jī)由休眠模式轉(zhuǎn)為工作模式，由微處理器執(zhí)行相應(yīng)的計(jì)費(fèi)程序,。水表內(nèi)預(yù)先存儲(chǔ)階梯水價(jià)及相關(guān)用水參數(shù),，這是由“設(shè)置卡”完成的，智能水表能根據(jù)當(dāng)月用水量實(shí)時(shí)地核算出水表內(nèi)的剩余金額,。當(dāng)用戶用水剩余量小于預(yù)設(shè)的報(bào)警量時(shí)(報(bào)警量由水表管理部門(mén)設(shè)定),，水表自動(dòng)報(bào)警，并提醒用戶盡快購(gòu)水,。當(dāng)將已充值的M1卡貼近感應(yīng)區(qū)對(duì)水表內(nèi)進(jìn)行充值時(shí),，水表內(nèi)單片機(jī)首先識(shí)別M1卡密碼并確認(rèn)卡表匹配無(wú)誤后，讀入所購(gòu)水金額并與水表內(nèi)剩余金額累加,，水表根據(jù)售水部門(mén)的階梯水價(jià),，實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)、定期結(jié)算,。結(jié)算后當(dāng)前用水量歸零,，總用水量實(shí)時(shí)累計(jì)，并寫(xiě)入M1卡水表內(nèi)存儲(chǔ)器,，充值完成后水表的工作狀態(tài)和充值金額顯示在液晶顯示器上,。當(dāng)遇到人為拆卸水表或剩余水量低于透支量時(shí)，水表自動(dòng)關(guān)閥,，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部FIash中,。
2 硬件設(shè)計(jì)
M1卡智能水表的硬件主要包括微處理器、脈沖采集電路,、FMl702基站芯片電路及M1卡感應(yīng)天線,、液晶顯示電路、閥門(mén)控制電路,、水表檢測(cè),、電源檢測(cè)及聲音報(bào)警電路等。
2．1 微處理器
本設(shè)計(jì)微處理器選用TI公司的MSP430F413單片機(jī),，該單片機(jī)是一種超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機(jī),，具有豐富的片內(nèi)外圍，工作電壓為1．8～3．6 V,，內(nèi)置LCD驅(qū)動(dòng)器24×4段,，可以縮小體積、降低成本，特別適合應(yīng)用在各種要求低功耗的場(chǎng)所,。
2．2 脈沖采集電路
本設(shè)計(jì)使用了雙干簧管傳感器,，即當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)干簧管吸合時(shí)，先記錄下來(lái),，再檢測(cè)另一個(gè)干簧管，只有檢測(cè)到另一個(gè)干簧管吸合后才認(rèn)為信號(hào)有效,，也就是說(shuō)單一的一個(gè)干簧管即使多次閉合也無(wú)效,，從而有效地解決了臨界點(diǎn)顫動(dòng)而誤發(fā)信號(hào)的問(wèn)題。同時(shí),，這種設(shè)計(jì)還可以有效防止人為附加磁鐵而造成的計(jì)數(shù)不準(zhǔn),，因?yàn)楫?dāng)微機(jī)檢測(cè)到兩管同時(shí)閉合時(shí)，便認(rèn)為有外磁干擾,，停止計(jì)數(shù)并同時(shí)報(bào)警,。2個(gè)容量為0．01μF的電容用來(lái)消除雙干簧管閉合時(shí)產(chǎn)生的抖動(dòng)。接線原理圖如圖2所示,。
2．3 FMl702基站芯片電路及M1卡感應(yīng)天線
讀卡芯片為FMl702SL,，由復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計(jì)，是基于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡讀卡機(jī)專用芯片,，采用O．6μm CMOS EEPROM工藝,，支持IS014443 typeA協(xié)議MI—FARE：標(biāo)準(zhǔn)的加密算法。其接口電路如圖3所示,。
2．4 液晶顯示電路及顯示器
MSP430F413單片機(jī)內(nèi)置1個(gè)24×4段的液晶顯示驅(qū)動(dòng)器,。液晶顯示電路及顯示器如圖4所示。本設(shè)計(jì)中選用的液晶顯示器是定制生產(chǎn)的字符式液晶顯示器,，其視屏尺寸是65 mm×40 mm液晶顯示,，漢字?jǐn)?shù)字協(xié)調(diào)美觀。液晶顯示器作為水表的輸出接口,，除了顯示電磁閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài),、表內(nèi)剩余金額(當(dāng)余額顯示為負(fù)時(shí)表示水表處于透支狀態(tài))、累積用水量,、電池狀態(tài),、本月累積用水量、分段(階梯水價(jià)時(shí)每種水價(jià)水量的上限)顯示,、單價(jià)(當(dāng)前水價(jià))顯示,、當(dāng)前日期及時(shí)刻之外，還具有提醒用戶及時(shí)充值及顯示錯(cuò)誤信息的功能,。如
表示強(qiáng)磁干擾,，閥門(mén)將會(huì)關(guān)閉；
表示欠壓狀態(tài)，提醒更換電池,。
2．5 閥門(mén)控制電路
本設(shè)計(jì)采用小功率電機(jī)通過(guò)減速直接驅(qū)動(dòng)球閥開(kāi)閉,。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，水阻小,。缺點(diǎn)是球閥的球環(huán)加工精度要求高,，使用一段時(shí)間后由于水垢或微顆粒等會(huì)使轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增大。設(shè)計(jì)中采用每月定時(shí)開(kāi)關(guān)閥門(mén)幾次來(lái)解決這一問(wèn)題,。閥門(mén)控制電路圖5所示,。
3 軟件設(shè)計(jì)
M1卡智能水表軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)，主控程序包括系統(tǒng)初始化,、狀態(tài)判斷,、流量脈沖和用水量處理、報(bào)警提示和功耗模式處理等,，其中的關(guān)鍵是計(jì)費(fèi)處理部分和看門(mén)狗的初始化,。系統(tǒng)初始化包括對(duì)MSP430F4l3的堆棧、端口,、中斷、LCD控制寄存器的設(shè)置,，系統(tǒng)初始化以后,，進(jìn)入低功耗模式，直到有中斷源將其喚醒,，再進(jìn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序,。功能子程序包括：M1卡的讀寫(xiě)模塊(包括M1卡有效性判斷讀／寫(xiě)及M1卡的解密與加密)、計(jì)費(fèi)處理模塊(包括階梯水價(jià)段計(jì)費(fèi)判斷及處理)及閥門(mén)控制模塊等,。系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示,。(由于篇幅有限，程序代碼略——編者注)
4 技術(shù)指標(biāo)
電源：DC3．6 V ER一18505鋰電池,，壽命≥6年,。
靜態(tài)功耗：水表控制器，10μW,。
靜態(tài)電流≤25μA,，開(kāi)關(guān)閥電流≤180 mA。
M1卡讀寫(xiě)次數(shù)≥1萬(wàn)次,。
電機(jī)閥響應(yīng)時(shí)間≤4 s,。
與基表顯示誤差：±0．01 m3。
使用水溫：一4～42℃,。
環(huán)境濕度≤96％,。
5 系統(tǒng)主要功能
M1卡預(yù)付費(fèi)智能水表,，除集預(yù)付費(fèi)、階梯水價(jià)計(jì)費(fèi),、故障檢測(cè)等功能于一體外,，還兼具以下特殊功能：
①電池欠壓提示功能。當(dāng)電池電量低于2．7 V時(shí),，水表將自動(dòng)關(guān)閥,，以提醒用戶更換電池；同時(shí)將剩余水量和實(shí)際用水量的記錄數(shù)據(jù)鎖定,，刷“用戶卡”后仍可開(kāi)閥使用,，十天后關(guān)閥且不可再用卡開(kāi)閥。更換新電池后,，原用水信息數(shù)據(jù)不變。
②防非法竊水功能,。在強(qiáng)磁干擾情況下,，水表將自動(dòng)關(guān)閥；同時(shí)水表將各種干擾狀態(tài)記錄在案,。水表設(shè)有防拆裝置,，當(dāng)遇到自行拆裝的情況時(shí)，水表將進(jìn)入鎖定狀態(tài),。
③查詢功能,。為了便于用戶及時(shí)掌握用水情況，在使用過(guò)程中可隨時(shí)查看“累積用量”,、“剩余量”,、“單價(jià)”、“當(dāng)月用量”,。
④自動(dòng)告警功能,。當(dāng)剩余水量小于設(shè)置的報(bào)警量時(shí)，水表將自動(dòng)關(guān)閥,，提醒用戶購(gòu)水。
⑤透支功能,。當(dāng)剩余水量用至設(shè)置的透支量時(shí),，水表將自動(dòng)關(guān)閥，切斷水源,；此時(shí),，只有將“用戶卡”重新充值購(gòu)水,，才可使水表閥門(mén)開(kāi)啟,。
⑥閥門(mén)防銹設(shè)計(jì)。每個(gè)月的7號(hào)、14號(hào),、21號(hào),、28號(hào)凌晨3點(diǎn)左右會(huì)自動(dòng)開(kāi)關(guān)閥1次，且并未將閥門(mén)完全關(guān)死,，防止閥門(mén)銹死的同時(shí)達(dá)到激活電池的目的。
結(jié) 論
本文設(shè)計(jì)的智能M1卡水表已經(jīng)研制成功并應(yīng)用于華中科技大學(xué)喻圓小區(qū)新建一期工程且通過(guò)驗(yàn)收,。該智能水表集預(yù)付費(fèi),、階梯水價(jià)計(jì)費(fèi),、故障檢測(cè)等功能于一體,，具有讀數(shù)清晰、計(jì)量準(zhǔn)確,、管理控制方便等特點(diǎn),，適合與智能樓宇系統(tǒng)配套，實(shí)現(xiàn)集中抄表和遠(yuǎn)程控制,，可廣泛應(yīng)用于住宅小區(qū),、學(xué)校,、工廠等水表集抄場(chǎng)所,。此外水表內(nèi)部具有用水的價(jià)格參數(shù)(如當(dāng)前單價(jià)、階梯水價(jià)等)和準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(用作復(fù)費(fèi)率核算的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)),，更重要的一點(diǎn)是充值是按金額為單位,，而不是按水量來(lái)充的，避免了充值時(shí)存在互相轉(zhuǎn)換和找零的麻煩,，有效地提高了居民用水計(jì)量收費(fèi)管理的現(xiàn)代化水平，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果,。