引言

當(dāng)前水資源缺乏是世界性的難題，水資源短缺將會(huì)成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素,。目前我國(guó)水資源形勢(shì)是資源性的短缺與使用上的浪費(fèi)并存,，而價(jià)格是資源優(yōu)化配置的調(diào)節(jié)杠桿，因此合理的水價(jià)是節(jié)約用水的關(guān)鍵,。

為適應(yīng)國(guó)家用水制度的改革,，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。水表接收階梯水價(jià)的相關(guān)用水參數(shù),，根據(jù)水表當(dāng)月用水量的變化,，實(shí)時(shí)調(diào)整水表內(nèi)部的當(dāng)前(階梯)單價(jià)，并根據(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的管理。減輕供水部門因“先供水后收費(fèi)”造成的資金壓力和社會(huì)存在的水資源浪費(fèi),，本文研制的IC卡智能水表系統(tǒng)可有效地解決上述問題,。

1系統(tǒng)組成及工作原理

基于MSP430F413的IC卡式智能水表組成如圖： 

IC卡智能水表是通過計(jì)量及控制流經(jīng)自來水管道水的體積總量來工作的。當(dāng)有計(jì)量脈沖到來時(shí),，單片機(jī)由睡眠轉(zhuǎn)為工作狀態(tài),，通過微處理器進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)費(fèi)處理：既當(dāng)用戶在單位時(shí)問段(一般按月計(jì)算)用水達(dá)到一定噸限時(shí)，隨著用水量的增加水價(jià)格呈階梯狀上升變化,，用水量越多,，所使用的水價(jià)就越高。水表接收階梯水價(jià)的相關(guān)用水參數(shù),，實(shí)時(shí)調(diào)整水表內(nèi)部的當(dāng)前(階梯)單價(jià),，并根據(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)的剩余金額等用水?dāng)?shù)據(jù)。當(dāng)用戶用水的剩余量達(dá)到預(yù)設(shè)的告警量時(shí)(告警量由水表管理部門設(shè)定),，水表會(huì)自動(dòng)關(guān)閥告警,，從而提醒用戶盡快購(gòu)水。當(dāng)將已充值的IC卡插入水表內(nèi)進(jìn)行充值時(shí),，IC卡水表內(nèi)單片機(jī)首先識(shí)別IC卡密碼并確認(rèn)無誤后,，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),，并寫入IC卡水表內(nèi)存儲(chǔ)器，進(jìn)而控制電磁閥開啟,，充值完畢水表的工作狀態(tài)和充值金額會(huì)在液晶顯示器上顯示,，當(dāng)人為拆卸水表或剩余水量低于設(shè)定值時(shí)，水表報(bào)警并及時(shí)關(guān)掉閥門,，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部Flash中,。

2硬件設(shè)計(jì)

IC卡智能水表的硬件系統(tǒng)主要包括以下電路：微處理器、IC卡接口,、液晶顯示器,、水表檢測(cè),、電源檢測(cè)、電控閥控制接口及聲音報(bào)警電路等,。

(1)微處理器,。微處理器是整個(gè)智能水表的核心，它擔(dān)負(fù)著信息判斷,、識(shí)別,、運(yùn)算、處理等工作,。經(jīng)過性能,、質(zhì)量、價(jià)格的多方對(duì)比,，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1．8V～3．6V,，內(nèi)置LCD驅(qū)動(dòng)器24×4段，可以縮小體積,、降低成本,，它特別適合應(yīng)用在各種要求低功耗的場(chǎng)所，如應(yīng)用在電池或手持設(shè)備上,。
(2)IC卡接口,。從節(jié)約成本的角度出發(fā)，IC卡接口采用的是復(fù)旦微電子股份有限公司出品的FM4442存儲(chǔ)卡,。它采用0．6微米CMOS EEPROM工藝,，內(nèi)部有256字節(jié)用戶存儲(chǔ)器，32字節(jié)寫保護(hù)區(qū)及3字節(jié)編程安全認(rèn)證碼,。外圍接口遵循IS07816協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(同步傳輸),。充分利用其內(nèi)外部資源，用戶存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用戶水量,；保護(hù)存儲(chǔ)區(qū)和加密存儲(chǔ)器的編程可實(shí)現(xiàn)IC的個(gè)性化設(shè)計(jì),，提高使用的安全陛。它與單片機(jī)的接口電路如圖2所示： 

(3)液晶顯示器,。液晶顯示器作為水表的輸出接口,，主要作用是輸出水表的各種運(yùn)行狀態(tài)，及相關(guān)數(shù)據(jù),；此外還具有用戶提示的功能,。為了降低功耗、節(jié)約成本，在設(shè)計(jì)時(shí)采用的是專門定制的液晶顯示器,。其界面如圖3： 

液晶顯示器作為水表的輸出接口,，除了顯示電磁閥門的開關(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)水量的噸限)顯示、單價(jià)(當(dāng)前水價(jià))顯示,、當(dāng)前日期及當(dāng)前時(shí)間之外,，還兼具了提醒用戶及時(shí)充值的信息及出錯(cuò)信息。

圖4主程序流程圖

系統(tǒng)初始化包括對(duì)MSP430F413的堆棧,、各端口,、中斷、LCD控制寄存器的設(shè)置,，從而使CPU能正常工作,；系統(tǒng)初始化以后，進(jìn)入低功耗模式,，直到有各種中斷情況將其喚醒,，再進(jìn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序。

4系統(tǒng)功能

設(shè)計(jì)和研制出的IC卡式智能水表,，除了集預(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)自動(dòng)告警功能：當(dāng)剩余水量用至設(shè)置的告警量時(shí),，水表將自動(dòng)關(guān)閥，切斷水源，提醒用戶購(gòu)水,。
(2)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，才可使水表閥門開啟,。
(3)自動(dòng)保護(hù)功能：當(dāng)水表遭遇磁干擾,，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),，將進(jìn)入鎖定狀態(tài),。
(4)電池欠壓提示功能：當(dāng)電池電量低時(shí)，控制器將自動(dòng)關(guān)閥,，切斷水源,，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)予以鎖定,，更換新電池后,，原用水信息數(shù)據(jù)不變。
(5)可隨時(shí)提供累計(jì)用水量,、本月用水量及可用水量,。為了便于用戶及時(shí)掌握用水情況，在使用過程中隨時(shí)可插“用戶卡”查看“累積用量”,、“剩余量”,、“單價(jià)”、“當(dāng)月用量”,。

5結(jié)論

本文研制的智能IC卡式水表已經(jīng)研制成功并投入生產(chǎn),，該水表集預(yù)付費(fèi)、階梯水價(jià)計(jì)費(fèi),、故障檢測(cè),、告警功能等功能于一體，具有讀數(shù)清晰,、計(jì)量準(zhǔn)確,、管理控制方便等特點(diǎn)。并且水表內(nèi)部具有用水的價(jià)格參數(shù)使口當(dāng)前單價(jià),、階梯水價(jià)等)和準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘傭作復(fù)費(fèi)率核算的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)),，更重要的一點(diǎn)是充值時(shí)是按金額為單位進(jìn)行充值，而不是按水量來充的，避免了充值時(shí)存在互相轉(zhuǎn)換和找零的麻煩,，有效的提高了居民用水計(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。本文創(chuàng)薪點(diǎn)：在原有智能水表基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了階梯式水價(jià)計(jì)費(fèi)和故障檢測(cè)等功能,。有效解決當(dāng)前收費(fèi)和節(jié)約用水等問題,。