引言

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，對住宅智能化的要求也越來越多。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提高計(jì)量收費(fèi)管理的需要，都要求對傳統(tǒng)的機(jī)械式水表進(jìn)行變革。為適應(yīng)國家用水制度的改革，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的管理。本文設(shè)計(jì)的Mifarel（簡稱M1）卡預(yù)付費(fèi)智能水表可有效地解決上述問題，實(shí)現(xiàn)了“先購水后用水”的預(yù)付費(fèi)消費(fèi)，對節(jié)省國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)盤上方附近，永磁鐵安裝在計(jì)數(shù)盤（本系統(tǒng)O．01 m3）位上，計(jì)數(shù)盤每轉(zhuǎn)一圈，永磁鐵經(jīng)過雙干簧管各一次，在信號端產(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設(shè)定），水表自動(dòng)報(bào)警，并提醒用戶盡快購水。當(dāng)將已充值的M1卡貼近感應(yīng)區(qū)對水表內(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)卡表匹配無誤后，讀入所購水金額并與水表內(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、閥門控制電路、水表檢測、電源檢測及聲音報(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)檢測到一個(gè)干簧管吸合時(shí)，先記錄下來，再檢測另一個(gè)干簧管，只有檢測到另一個(gè)干簧管吸合后才認(rèn)為信號有效，也就是說單一的一個(gè)干簧管即使多次閉合也無效，從而有效地解決了臨界點(diǎn)顫動(dòng)而誤發(fā)信號的問題。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，閥門將會(huì)關(guān)閉； 表示欠壓狀態(tài)，提醒更換電池。

2．5 閥門控制電路

本設(shè)計(jì)采用小功率電機(jī)通過減速直接驅(qū)動(dòng)球閥開閉。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對簡單，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)開關(guān)閥門幾次來解決這一問題。閥門控制電路圖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)處理部分和看門狗的初始化。系統(tǒng)初始化包括對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卡的讀寫模塊（包括M1卡有效性判斷讀／寫及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，開關(guān)閥電流≤180 mA。

M1卡讀寫次數(shù)≥1萬次。

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”后仍可開閥使用，十天后關(guān)閥且不可再用卡開閥。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”重新充值購水，才可使水表閥門開啟。

⑥閥門防銹設(shè)計(jì)。每個(gè)月的7號、14號、21號、28號凌晨3點(diǎn)左右會(huì)自動(dòng)開關(guān)閥1次，且并未將閥門完全關(guān)死，防止閥門銹死的同時(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。

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