一,、智能IC卡預(yù)付費(fèi)水表

1,、智能IC卡水表

智能IC卡水表是一種利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù),、智能IC卡技術(shù)對(duì)用水量進(jìn)行計(jì)量并進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表,。這與傳統(tǒng)水表一般只具有流量采集和機(jī)械指針顯示用水量的功能相比，是一個(gè)很大的進(jìn)步,。智能IC卡水表除了可對(duì)用水量進(jìn)行記錄和電子顯示外,，還可以按照約定對(duì)用水量自動(dòng)進(jìn)行控制，并且自動(dòng)完成階梯水價(jià)的水費(fèi) 計(jì)算,，同時(shí)可以進(jìn)行用水?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能,。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算通過(guò)IC卡進(jìn)行，因而可以實(shí)現(xiàn)由工作人員上門(mén)操表收費(fèi)到用戶自己去營(yíng)業(yè)所交費(fèi)的轉(zhuǎn)變,。IC卡交易系統(tǒng)還具有交易方便,，計(jì)算準(zhǔn)確，可利用銀行進(jìn)行結(jié)算的特點(diǎn),。

2、基本結(jié)構(gòu)原理

IC卡水表的外觀與一般水表的外觀基本相似,，其安裝過(guò)程也基本相同,。IC卡水表的使用很簡(jiǎn)單，從用戶的角度看,，就時(shí)把IC卡卡片向水表里插一下,。 IC 卡水表的工作過(guò)程一般如下：將含有金額的IC卡片插入水表中的IC卡讀寫(xiě)器，經(jīng)微機(jī)模塊識(shí)別和下載金額后,，閥門(mén)開(kāi)啟,，用戶可以正常用水。當(dāng)用戶用水時(shí)，水量采集裝置開(kāi)始對(duì)用水量進(jìn)行采集,，并轉(zhuǎn)換成所需的電子信號(hào)供給微機(jī)模塊進(jìn)行計(jì)量,，并在LCD顯示模塊上顯示出來(lái)。當(dāng)用戶的用水金額下降到一定數(shù)值時(shí),，微機(jī)模塊進(jìn)行聲音報(bào)警,，提示用戶應(yīng)該去持卡交費(fèi)購(gòu)水。如超過(guò)用水金額,，則微機(jī)模塊會(huì)自動(dòng)將電控閥門(mén)關(guān)閉,，切斷供水。直至用戶插入已經(jīng)交費(fèi)的IC卡片重新開(kāi)始開(kāi)啟閥門(mén)進(jìn)行供水,。

3,、功能用途

智能IC卡預(yù)付費(fèi)水表采用低功耗、高性能單片微機(jī)處理器,，配以家用冷水基表,，采用于簧管脈沖計(jì)數(shù)方式自動(dòng)計(jì)量用戶用水量，實(shí)現(xiàn)“先付費(fèi),、后用水”的預(yù)付費(fèi)控制功能,。該儀表采用一戶一表一卡，憑卡用水,，卡中數(shù)據(jù)輸人表中,，水表自動(dòng)開(kāi)閥供水，用完后自動(dòng)關(guān)閥斷水,，必須重新購(gòu)水,，方能重新用水。智能水表可以提高管理效率,，有效防止欠費(fèi),，避免上門(mén)抄表，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水,。

二,、智能卡水表的工作原理

采用內(nèi)部存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存功能，即使在掉電的情況下,，上電后數(shù)據(jù)也能自動(dòng)恢復(fù),；采用電池管理功能：當(dāng)電源欠壓時(shí)、提示報(bào)警,，更換電池,，當(dāng)電壓更低時(shí)閥門(mén)關(guān)斷，直到系統(tǒng)電源恢復(fù)正常后自動(dòng)打開(kāi)閥門(mén),。

管理部門(mén)可根據(jù)卡來(lái)管理用戶小區(qū)的水表日常維護(hù),，如更換表,、解除故障、設(shè)置表內(nèi)參數(shù)（脈沖常數(shù),、最低用量,、最大用量）預(yù)裝水量用于調(diào)試水量等。具有當(dāng)閥門(mén)異常時(shí)（如內(nèi)漏）仍能計(jì)量,，并在用戶購(gòu)水充值時(shí)扣除這部分用量,。采用故障自檢功能：并用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)、故障等報(bào)警提示功能,，如插卡,、故障報(bào)警等。用硬件密碼或特定的清除卡來(lái)清除表中數(shù)據(jù),。

智能卡水表是一種內(nèi)嵌預(yù)收費(fèi)系統(tǒng)的智能型水表,，它以Ic卡安全技術(shù)為核心，配以自動(dòng)保護(hù)及信息加密功能,。Ic卡水表采用電池供電,，水表的水量等重要參數(shù)均存儲(chǔ)在EPROM芯片內(nèi)，其數(shù)據(jù)可保存10年以上,。此外,，對(duì)IC卡及卡表內(nèi)的信息進(jìn)行加密，使系統(tǒng)不易被仿制和非法使用,，Ic智能卡預(yù)付費(fèi)水表系統(tǒng)主要有以下部分組成：CPU單元,、LCD顯示、干簧管流量雙脈沖,、閥門(mén)控制電路,、IC卡電路、電源檢測(cè)電路,、故障報(bào)警,。

用IC卡實(shí)現(xiàn)表內(nèi)數(shù)據(jù)與管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向交換，當(dāng)用戶購(gòu)水后,，IC卡能夠自動(dòng)將水表結(jié)余水量與本次購(gòu)水量進(jìn)行累計(jì)并液晶顯示,、水費(fèi)計(jì)算與管理（報(bào)警金額、基礎(chǔ)水量,、計(jì)劃水量）,，實(shí)現(xiàn)供、停水的控制功能,、也進(jìn)行價(jià)格充值。當(dāng)用戶將購(gòu)得的水卡（IC卡）刷入水表時(shí),，表內(nèi)系統(tǒng)在確認(rèn)該卡有效后,，自動(dòng)打開(kāi)閥門(mén)，進(jìn)行正常供水。若允許用戶透支,，則刷卡恢復(fù)用水直至使用完透支水量后才關(guān)閥,。用戶每次將購(gòu)水刷卡入表后，水表LCD顯示剩余水量,，并將剩余水量等用水信息以及水表的狀態(tài)信息返寫(xiě)到購(gòu)水卡中,，以供售水管理系統(tǒng)入庫(kù)、查詢,。

三,、IC卡智能水表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1、電源管理

采用3.6 V標(biāo)稱容量：1.9 Ah（放電電流：1 mA,終止電壓：2.0 V）,；最大恒向電流：1 A;最大脈沖電流：1.5A的電池對(duì)系統(tǒng)供電,，當(dāng)電池電壓<3 V使得系統(tǒng)處于靜態(tài)時(shí)，其電流<5A時(shí),，利用MCU內(nèi)的比較器,，以中斷方式喚醒單片機(jī)，及時(shí)關(guān)閉水表閥門(mén)并保存相應(yīng)數(shù)據(jù),，提示用戶更換電池,，低于2.7V關(guān)閥。并以LCD顯示,，Ic卡接口電路等的供電在需要操作時(shí)才打開(kāi),，以減小不必要的電流損失。

2,、流量檢測(cè)

將用水量轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào),，采用兩個(gè)脈沖傳感器進(jìn)行接收，以防止抖動(dòng)產(chǎn)生的多計(jì)數(shù)現(xiàn)象,。通過(guò)程序設(shè)計(jì),，判斷兩個(gè)傳感器是否正常工作，若不正常,，則認(rèn)為是外界強(qiáng)磁干擾,，關(guān)閉閥門(mén)。

3,、閥門(mén)控制電路

特殊情況下控制水表閥門(mén)的開(kāi)關(guān),，選用飽和壓降為0.2V的三極管8550和8050對(duì)管構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，既可以保證電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流又可在故障時(shí)限制最大電流<500 mA.接通3.6 V電源,，電機(jī)空載電流25mA±2mA,帶載電流<60 mA;用手指觸摸球閥無(wú)竄動(dòng)感,；閥門(mén)電機(jī)組件上磨合試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行電控閥門(mén)開(kāi)關(guān)1000次磨合試驗(yàn)；觀察組件運(yùn)轉(zhuǎn)性能正常（閥門(mén)開(kāi)關(guān)正常,、無(wú)異常聲音）,。

四,、驅(qū)動(dòng)管理系統(tǒng)模塊

驅(qū)動(dòng)采用MCU內(nèi)置液晶驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其管理系統(tǒng)具體分以下模塊：

1,、用戶管理模塊

此模塊包括用戶開(kāi)戶發(fā)卡,、補(bǔ)卡、換表,、過(guò)戶,、銷(xiāo)戶以及用戶信息的查詢及修改等。

2,、售水業(yè)務(wù)管理模塊

此模塊包括購(gòu)水交易,、買(mǎi)水統(tǒng)計(jì)查詢每日結(jié)帳等功能。售水時(shí),，系統(tǒng)首先通過(guò)密鑰管理體系檢查該卡是否為合法卡,，并與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)信息核對(duì)，當(dāng)檢查通過(guò)后,，將用戶的購(gòu)水量（或購(gòu)水金額）寫(xiě)入卡中,，更新數(shù)據(jù)庫(kù)，并將用戶卡帶回的水表信息一同寫(xiě)人數(shù)據(jù)庫(kù)中,。此模塊要求可以對(duì)單個(gè)用戶的一定時(shí)間的購(gòu)水及用水狀況進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì),，通過(guò)輸入姓名和水表號(hào)等用戶個(gè)人信息可查詢?cè)撚脩舻馁?gòu)水、用水情況及水表運(yùn)行狀況,。

 3,、操作員信息管理模塊

該模塊包括增加操作員功能、操作員授權(quán)功能,、口令修改功能,。系統(tǒng)記錄操作員的每次登錄及操作，操作員分級(jí)別進(jìn)行操作,，不同的操作員有不同的口令和安全級(jí)別,，并且只能接觸和崗位相關(guān)的數(shù)據(jù)。

4,、各工具卡制作模塊

此模塊包括制作用戶使用的用戶卡,、應(yīng)急購(gòu)水卡以及工作人員用于認(rèn)證卡、生產(chǎn)數(shù)據(jù)設(shè)置卡,、修改密鑰卡,、回收轉(zhuǎn)移卡等設(shè)置卡,、恢復(fù)卡,、充值卡、換表卡,、管理卡,、測(cè)試卡,、用戶卡、限量卡,。 
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5、系統(tǒng)維護(hù)模塊

包括密鑰更新,、水價(jià)維護(hù),、水表參數(shù)維護(hù)、數(shù)據(jù)庫(kù)備份及恢復(fù)功能,。

6,、報(bào)表打印模塊

每次操作員進(jìn)行開(kāi)戶、售水,、補(bǔ)卡等操作時(shí),，系統(tǒng)將自動(dòng)打印出交易明細(xì)，另外,，操作員也可以自行進(jìn)行單一或綜合統(tǒng)計(jì)查詢后,，打印出查詢后的生成報(bào)表。

五,、LSD4F8108 MCU敘述

MCU具有高速度,，充分利用了內(nèi)部的硬件資源：8K的Flash、16位RISC指令集,、l6位定時(shí)器,、24×4段的液晶驅(qū)動(dòng)模塊和比較器模塊。并具有以下一些特點(diǎn)：

1,、超低功耗

在2.2 V,1 MHz時(shí)鐘條件下,，其工作電流根據(jù)工作模式的不同在0.1 A~300 A之間，其工作電壓范圍為1.8 V~3.6V.

2,、處理能力強(qiáng)大

采用RISC指令集,，核心指令27條，并具有豐富的尋址方式（源操作數(shù)7種,，目的操作數(shù)4種）,。片內(nèi)寄存器數(shù)量多，有高效的查表處理方法,。

3,、片上外圍模塊豐富

它具有FIJIJ+（頻率鎖相環(huán)）時(shí)鐘系統(tǒng)，看門(mén)狗,，帶有三個(gè)捕獲/比較寄存器的l6位定時(shí)器（TimerA）,，片內(nèi)比較器，96段LCD驅(qū)動(dòng)器,，48個(gè)通用I/O引腳,，并且端口P1和P2具有中斷能力,，每個(gè)引腳都可以單獨(dú)選擇中斷觸沿、單獨(dú)允許中斷,。

4,、節(jié)省功耗

采用了FLASH存儲(chǔ)器，低功耗設(shè)計(jì),，使得當(dāng)系統(tǒng)處于靜態(tài)時(shí)其電流<5A.MCU在智能卡水表中的應(yīng)用采用邏輯加密卡作為預(yù)付費(fèi)卡片,、保密性好；具有強(qiáng)大的電源管理系統(tǒng),，工作在3.6 V（鋰電池）時(shí),，靜態(tài)工作電流<3 A.具有5種節(jié)電模式，掉電電流（RAM數(shù)據(jù)保持）最低可為0.1 A,提供從待機(jī)模式中快速喚醒功能,，喚醒時(shí)間<6s.平時(shí)MCU處于低功耗模式3,流量檢測(cè),，Ic卡數(shù)據(jù)操作等都以中斷方式喚醒，以節(jié)省功耗,。

正因MCU的這些優(yōu)勢(shì),，在選擇對(duì)Ic卡通信和開(kāi)發(fā)時(shí)，則選用該款芯片,。著眼于安全性和降低功耗方面,，MCU性能特點(diǎn)如下：低工作電壓（1.8 V~3.6V）；超低功耗（工作模式4下耗電僅為0.1 IxA）,；16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)（RISC）,；150ns指令周期；片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口和FLASH型存儲(chǔ)器,，可在線串行編程,；支持c語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。本系統(tǒng)以MCU為核心,，內(nèi)置LCD驅(qū)動(dòng)器24×4段,，可減小體積、降低成本,，在休眠模式下典型電流僅0.7IxA;電源監(jiān)控采用理光R3111E（可根據(jù)設(shè)定的門(mén)限電壓選擇相應(yīng)的型號(hào)）,；水表閥門(mén)采用2.5 V~6V直流電機(jī)，當(dāng)人為破壞水表或所購(gòu)買(mǎi)水量低于設(shè)定值時(shí),，水表報(bào)警并及時(shí)關(guān)掉閥門(mén),，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部FLASH中；采用MFRC522讀寫(xiě)芯片讀寫(xiě)Mifare1$50卡片實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能,。

本設(shè)計(jì)利用RC522 UART模式與MCU通信,，由于MCU沒(méi)有硬件串口，故需使用TIMERA模擬串口。對(duì)于MCU而言,，P1.0口（TimerA捕獲/比較輸出口）是UART的TX,P1.1（TimerA捕獲/比較輸出口）是UART的RX.智能卡水表的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì),，包括計(jì)量功能模塊、電機(jī)控制模塊,、防磁干擾模塊,、Ic卡處理模塊、Ic卡和ESAM通信模塊,、報(bào)警模塊,、電源掉電模塊、閥門(mén)控制模塊和顯示模塊等,。

由于涉及的功能較多，要分配好CPU內(nèi)部的各種資源,，各功能模塊問(wèn)的時(shí)序關(guān)系,。本系統(tǒng)的主程序除了用到MCU提供的兩個(gè)中斷資源，主要是用查詢方式,，查詢從各個(gè)口線上來(lái)的狀態(tài)標(biāo)志,，如電源電壓是否降到允許值以下，有無(wú)磁干擾發(fā)生,，計(jì)數(shù)脈沖是否到來(lái),，是否有卡插入等等，再根據(jù)得到的標(biāo)志位做出相應(yīng)的處理,。

5,、開(kāi)發(fā)方式簡(jiǎn)便高效

MCU具有JTAG接口，可方便的通過(guò)JTAG控制器實(shí)現(xiàn)程序的下載和調(diào)試,；系統(tǒng)初始化,、磁干擾測(cè)試、計(jì)量處理,。這里系統(tǒng)初始化包括對(duì)MCU的堆棧,、各端口、中斷,、LCD控制寄存器的設(shè)置,，使CPU能正常工作；系統(tǒng)中的SAM模塊用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息及各級(jí)密鑰,，對(duì)SAM模塊初始化是把其中的內(nèi)容讀到MCU內(nèi)存,；各測(cè)試模塊是測(cè)試MCU相應(yīng)的口線狀態(tài)，并置上相應(yīng)的標(biāo)志,，為各處理模塊提供判斷的依據(jù),；當(dāng)有計(jì)量脈沖到來(lái)時(shí)，計(jì)量處理模塊會(huì)對(duì)它進(jìn)行計(jì)數(shù)處理,，該模塊還具有軟件抗干擾功能,，以防止對(duì)計(jì)量脈沖的誤計(jì),；卡處理模塊實(shí)現(xiàn)CPU卡和SAM模塊的通信，只有當(dāng)它們之間的認(rèn)證通過(guò)時(shí)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,，對(duì)非法刷卡,，將禁止操作并給出提示；報(bào)警處理模塊用來(lái)監(jiān)測(cè)電源電壓,，一旦電壓降到某一規(guī)定值,，就會(huì)啟用備用電源，并報(bào)警顯示,，以提示用戶更換電池,。

單片機(jī)接口設(shè)計(jì)用125ns指令周期，大部分指令在一個(gè)指令周期內(nèi)完成,，16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器,，發(fā)揮了最高的代碼效率，而且片內(nèi)含有硬件乘法器,，大大節(jié)省運(yùn)算時(shí)間,。該芯片采用低功耗設(shè)計(jì)，具有五種低功耗模式,，供電電壓范圍為1.8V~3.6 V,在工作模式下：2.2 V工作電壓1 MHz工作頻率時(shí)電流為225A;在待機(jī)模式電流為0.7 IxA;掉電模式（RAM數(shù)據(jù)保持不變）電流為0.1A.所以特別適用長(zhǎng)期使用電池工作的場(chǎng)合,。它采用數(shù)字控制振蕩器（DCO），使得從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于6 Ixs.該芯片具有8KB+256BFlash Memory,256B RAM,采用串行在線編程方式,，為用戶編譯程序和控制參數(shù)提供靈活的空間,，內(nèi)部的安全保密熔絲可使程序不能非法復(fù)制。

由于考慮到本設(shè)計(jì)低功耗,，小體積,，液晶顯示，按鍵編址等要求,，所以選用了單片機(jī)芯片,，該單片機(jī)芯片在在線系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出與其它單片機(jī)非常明顯的優(yōu)勢(shì),。

六,、智能水表發(fā)展方向分析

智能卡式水表預(yù)付費(fèi)功能“先付費(fèi)后用水”在社會(huì)文明發(fā)展到一定高度后，不可能成為水費(fèi)收取唯一的制約手段,，同時(shí)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)階段他們應(yīng)用在企業(yè)內(nèi)部為節(jié)約用水控制額定計(jì)劃指標(biāo)與實(shí)際用水計(jì)量,，也有大專(zhuān)院校內(nèi)部為節(jié)約用水，在校住宿學(xué)生宿舍房?jī)?nèi)憑卡用水也采用智能水表來(lái)控制,，很少使用在社會(huì)上直接對(duì)居民供水實(shí)施預(yù)付費(fèi)后用水的智能水表,，也不主張推行先收費(fèi)后用水，對(duì)他們來(lái)說(shuō)這個(gè)問(wèn)題是關(guān)系到對(duì)喝水人的“人權(quán)”問(wèn)題，沒(méi)有錢(qián)的人,，喝水仍然是他們生存的權(quán)利,，所以不推行這種措施。我國(guó)自建國(guó)以來(lái)對(duì)居民家庭有供水,、供電,、供氣的那一天開(kāi)始，就實(shí)行先用后付費(fèi)的程序規(guī)律,。

目前改變先付費(fèi)后用水,，本身是對(duì)居民心里的一種抵觸。況且,，目前的供電,、供氣仍然保持先用后付費(fèi)的規(guī)律，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)了,，居民生活水平高了,，人們的思想境界也提升了，先用水后付費(fèi)的規(guī)律,，也不會(huì)造成水費(fèi)拖欠的社會(huì)問(wèn)題，所以說(shuō)社會(huì)文明進(jìn)步了,，這種預(yù)付費(fèi)的措施不是理想的措施,。所以目前智能卡式水表的預(yù)付費(fèi)形式逐步轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)傳、自動(dòng)抄讀系統(tǒng)的方向發(fā)展,。

再由于卡式水表在使用過(guò)程中,，除了由用戶主動(dòng)報(bào)修或再次進(jìn)行購(gòu)水充值時(shí)可以將該水表的運(yùn)行信息傳遞給系統(tǒng)信息中心外，管理人員必須到達(dá)安裝水表的現(xiàn)場(chǎng)才能知道該水表的運(yùn)行情況,。如水表倒轉(zhuǎn),、充值的水量用完后水表不能自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)、甚至有用戶拆除水表直接用水等情況,，只有管理人員到達(dá)安裝水表的現(xiàn)場(chǎng)才能知道,。所以，各種卡式水表在使用過(guò)程中,，管理部門(mén)不能隨時(shí)掌握水表的運(yùn)行情況,，必須配備一定的人員定期到安裝水表的現(xiàn)場(chǎng)輪回巡查，否則,，水表的故障,、以及缺失的水量是無(wú)法知道的。所以,，遠(yuǎn)傳,、自動(dòng)抄讀系統(tǒng)技術(shù)是智能水表發(fā)展的一個(gè)方向。

我們?cè)?jīng)對(duì)多個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的預(yù)付費(fèi)水表使用情況調(diào)研，如美,、德,、法、意,、澳大利亞等,，他們?cè)谒碇悄芑瘮?shù)據(jù)采集方面有很多自動(dòng)抄表系統(tǒng)，有遠(yuǎn)傳,、遙感,、采集和集中采集不等，智能水表自動(dòng)抄讀功能在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家特別是美國(guó)應(yīng)用得較多,，如德克薩斯州,、維基尼亞州、科羅拉多州,、威斯康星州等已經(jīng)很普及,。智能水表自動(dòng)抄讀功能已大量的應(yīng)用在企業(yè)內(nèi)部為節(jié)約用水控制額定計(jì)劃指標(biāo)與實(shí)際用水計(jì)量，也有大專(zhuān)院校內(nèi)部為節(jié)約用水,，在校住宿學(xué)生宿舍房也采用智能水表自動(dòng)抄讀系統(tǒng)來(lái)控制,。

七、總結(jié)

由于開(kāi)發(fā)的體積小,、高度集成的表閥一體化IC卡智能水表,，以達(dá)到可以精確測(cè)量水量和控制用水的目的，開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以看出FLASH單片機(jī)功能全面,，使用方便,，MCU低功耗、低電壓,、高速度等特性,，很適合用于采用電池供電的工作，用LSD4F8108MCU來(lái)開(kāi)發(fā)智能卡表的程序,，在Ic卡水,、氣、暖表的應(yīng)用上具有廣闊前景,。本文介紹的軟硬件設(shè)計(jì)已通過(guò)實(shí)際運(yùn)行,，效果良好。