智慧型水錶

智慧型水錶是一種利用現代微電子技術、現代感測技術、智慧型IC卡技術對用水量進行計量並進行用水數據傳遞及結算交易的新型水錶。與傳統水錶一般只具有流量採集和機械指針顯示用水量的功能相比，是很大的進步。

智慧型水錶除了可對用水量進行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量進行控制，並且自動完成階梯水價的水費計算，同時可以進行用水數據存儲的功能。

基本介紹

• 中文名：智慧型水錶
• 技術：代微電子技術、現代感測技術等
• 優勢：可以按照約定對用水量進行控制
• 使用條件：水溫0.1～30℃

簡介

智慧型水錶是一種利用現代微電子技術、現代感測技術、智慧型IC卡技術對用水量進行計量並進行用水數據傳遞及結算交易的新型水錶與傳統水錶一般只具有流量採集和機械指針顯示用水量的功能相比，是很大的進步。智慧型水錶除了可對用水量進行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量進行控制。

智慧型水錶

優勢

1、可對用水量進行記錄和電子顯示；

2、可以按照約定對用水量進行控制，並且自動完成階梯水價的水費計算，同時可以進行用水數據存儲的功能；

3、數據傳遞和交易結算通過IC卡進行，具有交易方便，計算準確，可利用銀行進行結算的特點。

水錶安裝

1、選擇水錶的正確口徑；

2、水平安裝，表面朝上，表殼上箭頭方向與水流方向相同。安裝位置應避免曝曬、水淹、冰凍和污染，方便拆裝、抄表。新裝管道務必把管道內的砂石，麻絲等雜物沖洗乾淨後再裝水錶，以免造成水錶故障；

3、水錶上下游應安裝閥門，使用時應確保全部打開；

4、水錶上下游要安裝必要的直管段或其等效的整流器，要求上游直管段的長度不小於10D，下游直管段的長度不小於5D（D為水錶公稱口徑）。對於由彎管或離心泵所引起的渦流現象，必須在直管段前加裝整流器；

5、水錶安裝時，應注意水錶下游管道出水口高於水錶0.5m以上，以防水錶因管道內水流不足而引發計量不正確；

6、該水錶防堵塞性能優良，但對管道內淤留泥沙及雜草反映敏感，在使用過程中應儘量避免。如果管道內有淤留泥沙及雜草應及時清理，否則將影響水錶正常計量。

注意事項

1、 更換電池後必須蓋好防潮蓋，上緊螺絲，否則表不工作且刷卡顯示E--5。

2、 定期檢查智慧型水錶運行情況，冬季注意防凍。

3、 已安裝於管道但未交付使用的或長期（一周以上）不用水的請關閉智慧型水錶前後閥門，本公司不承擔由此造成的後果。

4、 若智慧型水錶出現電子顯示與字輪不相符或智慧型水錶故障，以字輪計量為準。

冬日防護要點

第一：用水類產品一定要做好防潮、防凍工作。雖然是智慧型水錶有先進的智慧型技術，但並不表示智慧型水錶“水火不侵”，為了確保水錶的正常運行，最好定期給水錶做檢查，冬季溫度低，做好保暖同時要注意蓋好防潮蓋。

二：避免接觸腐蝕性物質。腐蝕性物質對智慧型水錶精密儀器的傷害是致命的，一定不能接觸。此外，強烈的碰撞與衝擊也會對智慧型水錶造成損傷。

三：不要用磁性強烈或者其他具有強烈干擾功能的器具接近智慧型水錶，否則會引起智慧型水錶的功能混亂，甚至直接“罷工”。

計量特性

1.使用條件：水溫0.1～30℃2.水壓等級：MAP10

3.氣候和機械環境安全等級：C類

4.電磁兼容等級：E2

5.流動剖面敏感度等級：U10 D5

6.壓力損失等級：△P25

7.最大允許誤差。

一、主要技術性能

1、 工作環境溫度：0-60℃

2、 相對濕度：≤85%

3、 被測水溫：冷水錶0-50℃；熱水錶0-90℃；純淨水錶0-35℃

4、 工作壓力：0.02MPa~1MPa

5、 技術參數：

精度等級及流量範圍（見下表）

公稱口徑(DN)mm	計量; 等級	最大; 流量Qmax	公稱; 流量Qn	分界流量Qt	最小流量Qmin	始動流量; Qs≤	最小讀數	最大; 讀數
m/h	m
15	A	3	1.5	0.150	0.045	0.014	0.1	99999.9
B	0.120	0.030	0.010
20	A	5	2.5	0.250	0.075	0.019
B	0.200	0.050	0.014
25	A	7	3.5	0.350	0.105	0.023
B	0.280	0.070	0.017

檢驗方法

智慧型水錶的檢驗是按各生產企業的技術條件和GB/T778進行的。檢驗項目：外觀檢查(包括外形尺寸等)、水壓試驗、示值誤差、流量測定和加速磨損試驗。被試水錶的數量最少為3隻,有必要增加被試水錶的數量時,最多可為10隻。

包裝儲運

每個智慧型水錶應有單獨小包裝,且能防止運輸和搬運中的衝撞,水錶應水平放置。水錶是一種儀器,外包裝上應有明顯的“向上”,“輕放”標記。水錶應存放在環境溫度為5-40℃,空氣中不含有腐蝕性介質的乾燥場所。

技術指標

1、型號：FS

2、規格（公稱口徑）：DN15∽DN3003、精確度等級：2.0級

水錶

4、執行標準：GB/T778-2007

5、執行檢定規程：JJG162-2009

6、電源電壓：3.6V鋰電池

7、靜態電流：≦ 10uA

8、示值誤差限

A、從包括最小流量（Qmin）到不包括分界流量（Qt）的低區：±5%

B、從包括分界流量（Qt）至包括過截流量（Qs）的高區：±2%

9、額定工作壓力：≦1.6Mpa

10、使用環境溫度：（0.1∽+50）℃

11、相對濕度：（30%∽95%）RH 12、壓力損失：≤0.063MPa

13、流動剖面敏感度等級：U10,D5

14、氣候和機械環境安全等級：B類

15、電磁兼容性等級：E1

發展方向

遠傳、自動抄讀系統技術是智慧型水錶發展的一個方向

智慧卡式水錶預付費功能“先付費後用水”在社會文明發展到一定高度後，不可能成為水費收取唯一的制約手段，同時在工業已開發國家的現階段他們套用在企業內部為節約用水控制額定計畫指標與實際用水計量，也有大專院校內部為節約用水，在校住宿學生宿舍房內憑卡用水也採用智慧型水錶來控制，很少使用在社會上直接對居民供水實施預付費後用水的智慧型水錶，也不主張推行先收費後用水，對他們來說這個問題是關係到對喝水人的“人權”問題，沒有錢的人，喝水仍然是他們生存的權利，所以不推行這種措施。我國自建國以來對居民家庭有供水、供電、供氣的那一天開始，就實行先用後付費的程式規律。改變先付費後用水，本身是對居民心裡的一種牴觸。況且，供電、供氣仍然保持先用後付費的規律，經濟發達了，居民生活水平高了，人們的思想境界也提升了，先用水後付費的規律，也不會造成水費拖欠的社會問題，所以說社會文明進步了，這種預付費的措施不是理想的措施。所以智慧卡式水錶的預付費形式逐步轉向遠傳、自動抄讀系統的方向發展。

再由於卡式水錶在使用過程中，除了由用戶主動報修或再次進行購水充值時可以將該水錶的運行信息傳遞給系統信息中心外，管理人員必須到達安裝水錶的現場才能知道該水錶的運行情況。如水錶倒轉、充值的水量用完後水錶不能自動關閉閥門、甚至有用戶拆除水錶直接用水等情況，只有管理人員到達安裝水錶的現場才能知道。所以，各種卡式水錶在使用過程中，管理部門不能隨時掌握水錶的運行情況，必須配備一定的人員定期到安裝水錶的現場輪迴巡查，否則，水錶的故障、以及缺失的水量是無法知道的。所以，遠傳、自動抄讀系統技術是智慧型水錶發展的一個方向。

我們曾經對多個工業已開發國家的預付費水錶使用情況調研，如美、德、法、意、澳大利亞等，他們在水錶智慧型化數據採集方面有很多自動抄表系統，有遠傳、遙感、採集和集中採集不等，智慧型水錶自動抄讀功能在工業已開發國家特別是美國套用得較多，如德克薩斯州、維基尼亞州、科羅拉多州、威斯康星州等已經很普及。智慧型水錶自動抄讀功能已大量的套用在企業內部為節約用水控制額定計畫指標與實際用水計量，也有大專院校內部為節約用水，在校住宿學生宿舍房也採用智慧型水錶自動抄讀系統來控制。

設計

引言

智慧型水錶因其從根本上改變了傳統的抄表方式，實行買卡用水的收費模式，在節省大量人力的基礎上，同時解決了長期困擾供水行業的水費拖欠問題，因而將直接給供水行業帶來巨大的經濟效益。所以，它的可實施性正被日益看好。而如何對水錶在技術上、性能上、價格上實行最佳化設計，將是問題的關鍵所在。

組成部分

2.1發訊基表

發訊基表就是在普通的機械式水錶中安裝發訊裝置以提供計量信號給水錶電子主控電路以實現用水自動計量。水錶的發訊裝置由一小磁鋼與一磁敏元件以一定的位置關係構成，當一個計量單位(一般是0.01m3或0.1m3)的水流經過後，磁敏元件就發出一脈衝信號給主控電路用以計數。普遍採用的磁敏元件有乾簧管和霍爾元件兩種。乾簧管因其靜態時的零功耗性能在電池供電的微功耗智慧型水錶中占有明顯的優勢，而優質乾簧管100萬次以上的工作壽命也完全能滿足水錶的使用周期。霍爾元件的功耗普遍在mA級，雖然也出現了微功耗的新品，(如Allegro公司的開關型霍爾元件A3210，它的靜態功耗只有1μA。)但是其價格相對比較昂貴。

2.2控制閥門

智慧型水錶通過主控電路對水錶進水閥門進行開關控制，從而達到控制用戶用水的目的。因而，可靠性應是閥門的設計要點。在智慧型水錶設計的前期，應該說電磁閥是一種普遍的選擇，因為它結構簡單，並且功耗較低。但是經反覆試驗後，其缺點也不可避免地暴露出來。 簡要地說，首先，電磁閥的抗震性較差，這也是最為致命的一個弱點;其次，電磁閥內的塑膠部件在長期的水浸泡環境中容易變形、受腐蝕，從而影響閥的開關性能。於是，電動閥的設計趨勢應運而生，雖然，與電磁閥相比，它的結構較為複雜，功耗也較大，但是，在可靠性這個大前提下，電動閥應該比較具有套用前景，當然，在結構上需作進一步的調整。雙穩態電動閥是一種設計思路，此類閥門旨在利用電磁傳導驅動電動閥，達到降低能耗的目的。

2.3主控電路

2.3.1結構框圖

結構框圖

圖 1

2.3.2 CPU選型

智慧型水錶是一個小型的電池供電系統，因此，CPU的選型應著重從低電壓、低功耗、高帶載能力考慮。Microchip公司的PIC系列單片機在這方面的整體優勢比較明顯。並且它特有的精簡指令集(RISC)結構和匯流排的哈佛結構與同類單片機相比程式代碼可節省一半，指令速度可提高五倍左右，所以不失為一個理想的選擇。再從性價比考慮，PIC16C57和PIC16C62為兩款不錯的選擇，它們片內都自帶Watchdog定時器，前者為2K*12位EPROM，80*8位RAM，20個I/O口;後者有2K*14位EPROM，128 RAM，20個I/O口，以及7級中斷。當然，PIC16C57更為低價，但因其無中斷功能，在軟體設計時只能採用查詢方式，相比於中斷方式，在節省功耗方面稍遜一籌，但影響不大。

2.3.3數據存儲器

數據存儲器用於存儲來自於經CPU計算、處理後的有關水錶的各種信息，如購水量、用水量、用戶編碼等等。ATMEL公司的256*8位E2PROM通用存儲器AT24LC01簡單易用，而且價格十分低廉，完全能滿足使用要求。雖然有許多性能上更勝一籌的可程式監控類、加密類存儲器，但在象智慧型水錶這樣的產品中卻無必要，因為電路板是密封在水錶中的，而CPU與存儲器之間的數據交換無外部接口，所以無所謂數鋸失竊。

2.3.4 IC卡的讀寫

IC卡讀寫模組為主控電路與IC卡的邏輯接口電路，它首先應能實現對IC卡的供電，並滿足不帶電插拔的要求(若帶電插拔，有可能會給IC卡帶來損傷，甚至損壞IC卡)，這可以通過硬體和軟體兩方面來實現。如圖2所示，當CPU通過IC卡座的IC卡檢測開關檢測到IC卡插入時，IC-PWR連線埠經過適當延時(10ms左右)發出一低電平，通過小功率三極體9012控制系統的+5V電源切入，相同地，在軟體設計時，當對IC卡的讀寫完成後，及時讓IC-PWR連線埠發出高電平，切斷IC卡的供電電源，以便IC卡拔出。

此外，所有的IC卡接口部分都應加入箝位保護二極體，這些二極體可以使各引腳上的電壓嚴格控制在-VD~VCC+VD之間，(VD是二極體的正向壓降，通常為0.6V左右)。這樣，可以抑制由於線路干擾和邏輯電平變化的邊沿產生抖動所帶來的瞬間過壓，為IC卡提供了進一步的保護措施。

圖2

圖2

2.3.5　開關閥控制

水錶閥門的開關是CPU依據一定的開關條件定時導通開關電器迴路來實現的，對開關閥控制的設計要掌握兩個要點：一是在軟體上控制好對開關閥電路的電流輸出時間，也即迴路導通時間，時間過長，電池耗能太多;時間過短，不能可靠開關閥門。二是在硬體電路上要有一個針對關閥的儲能電路，當電源失電時，該電路能及時釋放電能，關閉閥門。

2.3.6　低電壓檢測

低電壓檢測對單片機系統來講是個十分重要的問題，它在某種程度上起到了保障系統可靠運行，避免數據出錯的作用，智慧型水錶的設計中同樣如此。具體地講，應該在系統掉電到一個門限電壓(該門限電壓應高於CPU的最低運行電壓)時，通過相應的電壓檢測電路把信號傳遞給CPU，CPU及時對系統進行軟體復位。電壓檢測器可以選用合泰公司的HT70系列產品，此產品價位較低，而且規格十分齊全。

2.3.7　顯示

智慧型水錶的信息(水存量、開關閥狀態、電池狀態等)顯示可通過串列液晶模組來完成，串列液晶模組與CPU的接口簡單，只占用DATA、WR、CS三條接口線，與並行液晶模組相比大大節省CPU的I/O口資源。另外，為了儘量滿足低功耗的要求，可讓液晶平時處於休眠狀態，用插卡喚醒的方式使其顯示。

2.3.8　脈衝信號處理

對來自於發訊基表的脈衝信號，在軟體設計時應作"防抖動"處理。因為在實際生活中 我們經常會遇見這樣的情況：當自來水管中進入一定量的空氣後，打開籠頭用水，水管會瞬間不停震動，如果此時磁鋼與乾簧管的位置剛好處於臨界狀態，就會不停地將脈衝信號發給 CPU，使CPU無法正確計數。相應的措施是當CPU接收到一脈衝信號後經適當延時(該延 時只要小於水錶過載流量時磁鋼與乾簧管的最大吸合時間即可)。再來檢測該信號是否依然存在，如果沒有，則認為是假信號。

2.3.9　抗攻擊模組

抗攻擊模組是針對採用高壓、靜電等手段對卡口進行惡意攻擊從而引起系統癱瘓而設定的保護電路。象北京握奇公司，富根公司等國內廠家有成型產品可以提供，性能上都比較可靠。

2.4　卡的選擇

IC卡究其功能劃分可分為普通存儲卡、邏輯加密卡、CPU卡三大類。卡片作為用戶和供水部門之間傳遞信息的載體，更作為一種電子貨幣，可靠性之外，安全性當是首要考慮的問題。

普通存儲卡晶片無安全邏輯，設計人員一般通過對數據進行一定的加密算法和滾動存儲相結合的方法對數據安全性加以考慮，但由於普通存儲卡內容可通過讀卡設備直接讀出，數據能被隨意篡改，並且真實數據極有可能經過多次反覆比較得出，因而安全性較差，不提倡使用。

邏輯加密卡提供電路的邏輯硬體密碼較對功能，一般情況下，只有通過用戶密碼和套用區密碼才能對卡內套用區數據進行訪問，卡內設定密碼計數器，一旦輸入錯誤密碼次數超過密碼計數器設定次數，卡將自鎖。但是數據在卡的I/O口上是以明碼方式傳輸的，如果通過儀器"竊聽"獲得數據，就能達到製作偽卡的目的。通常的做法是對卡上重要數據進行DES、RSA等國際通行的密碼算法進行加密，以作為反"竊聽"的有效手段。邏輯加密卡價格比較低廉，如果智慧型水錶的收費不納入"城市一卡通"系統，那么，它將是一種不錯的選擇。像西門子公司的SLE4442內含256*8位E2PROM數據存儲器，32*1位保護存儲器，和一個可程式安全碼(PSC)邏輯，比較符合水錶用卡的要求。

CPU卡晶片內本身集成有微處理器，並且有自己的片內作業系統(COS)。與邏輯加密卡相比，CPU卡最主要的優點體現在兩個方面：一是安全機制上更為嚴密，它的片內作業系統(COS)能對密鑰進行有效管理，並使數據在卡內進行加密運算、比較，從而對卡、持卡人、讀卡設備的合法性進行相互鑑別;二是在"一卡多用"上有較強的靈活性，可以同時兼容幾種不同的套用，卡與系統的互相操作受存放在卡中與系統中的軟體控制。尤其是第二點，對"一卡通"的意義不容置疑。但具體到水錶用卡，還應視情況而定，因為畢竟CPU卡的價格仍然較高。

2.5 軟體流程圖

圖3是根據查詢方式設計的軟體流程：

軟體流程

圖3