引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科技的不斷進步，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)費率階梯水價的實施以及供水管理部門提高計量收費管理的需要，都要求對傳統(tǒng)的機械式水表進行變革。為適應(yīng)國家用水制度的改革，本設(shè)計在原有智能水表的基礎(chǔ)上，增加了階梯計費復(fù)費率核算功能，該智能水表能根據(jù)用水參數(shù)和當月內(nèi)的用水量實時地核算出水表內(nèi)的剩余金額，方便水表用戶和供水部門的管理。本文設(shè)計的Mifare1（簡稱M1）卡預(yù)付費智能水表可有效地解決上述問題，實現(xiàn)了“先購水后用水”的預(yù)付費消費，對節(jié)省國家資金和減少水資源浪費都有積極意義[1]。

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數(shù)轉(zhuǎn)盤上方附近，永磁鐵安裝在計數(shù)盤（本系統(tǒng)0.01 m3）位上，計數(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)生兩個計量脈沖。當接收到有效計量脈沖時，單片機由休眠模式轉(zhuǎn)為工作模式，由微處理器執(zhí)行相應(yīng)的計費程序。水表內(nèi)預(yù)先存儲階梯水價及相關(guān)用水參數(shù)，這是由“設(shè)置卡”完成的，智能水表能根據(jù)當月用水量實時地核算出水表內(nèi)的剩余金額。當用戶用水剩余量小于預(yù)設(shè)的報警量時（報警量由水表管理部門設(shè)定），水表自動報警，并提醒用戶盡快購水。當將已充值的M1卡貼近感應(yīng)區(qū)對水表內(nèi)進行充值時，水表內(nèi)單片機首先識別M1卡密碼并確認卡表匹配無誤后，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，實時計費、定期結(jié)算[2]。結(jié)算后當前用水量歸零，總用水量實時累計，并寫入M1卡水表內(nèi)存儲器，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。當遇到人為拆卸水表或剩余水量低于透支量時，水表自動關(guān)閥，同時將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部Flash中。

2 硬件設(shè)計

M1卡智能水表的硬件主要包括微處理器、脈沖采集電路、FM1702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、電源檢測及聲音報警電路等。

2.1 微處理器

本設(shè)計微處理器選用TI公司的MSP430F413單片機，該單片機是一種超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機[3]，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)計使用了雙干簧管傳感器，即當檢測到一個干簧管吸合時，先記錄下來，再檢測另一個干簧管，只有檢測到另一個干簧管吸合后才認為信號有效，也就是說單一的一個干簧管即使多次閉合也無效，從而有效地解決了臨界點顫動而誤發(fā)信號的問題[4]。同時，這種設(shè)計還可以有效防止人為附加磁鐵而造成的計數(shù)不準，因為當微機

2.3 FM1702基站芯片電路及M1卡感應(yīng)天線

讀卡芯片為FM1702SL，由復(fù)旦微電子股份有限公司設(shè)計，是基于ISO14443標準的非接觸卡讀卡機專用芯片，采用0.6 μm CMOS EEPROM工藝，支持ISO14443 typeA協(xié)議MIFARE標準的加密算法。其接口電路如圖3所示。

2.4 液晶顯示電路及顯示器

MSP430F413單片機內(nèi)置1個24×4段的液晶顯示驅(qū)動器。液晶顯示電路及顯示器如圖4所示。本設(shè)計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，漢字數(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（當余額顯示為負時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（階梯水價時每種水價水量的上限）顯示、單價（當前水價）顯示、當前日期及時刻之外，還具有提醒用戶及時充值及顯示錯誤信息的功能。如表示強磁干擾，閥門將會關(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)計采用小功率電機通過減速直接驅(qū)動球閥開閉。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)相對簡單，水阻小。缺點是球閥的球環(huán)加工精度要求高，使用一段時間后由于水垢或微顆粒等會使轉(zhuǎn)動阻力增大。設(shè)計中采用每月定時開關(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

M1卡智能水表軟件采用了模塊化設(shè)計，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、報警提示和功耗模式處理等，其中的關(guān)鍵是計費處理部分和看門狗的初始化。系統(tǒng)初始化包括對MSP430F413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，進入低功耗模式，直到有中斷源將其喚醒，再進入相應(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）、計費處理模塊（包括階梯水價段計費判斷及處理）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

靜態(tài)功耗：水表控制器，10 μW。

靜態(tài)電流≤25 μA，開關(guān)閥電流≤180 mA。

M1卡讀寫次數(shù)≥1萬次。

電機閥響應(yīng)時間≤4 s。

與基表顯示誤差： ±0.01 m3。

使用水溫： -4~42 ℃。

環(huán)境濕度≤96%。

5 系統(tǒng)主要功能

M1卡預(yù)付費智能水表，除集預(yù)付費、階梯水價計費、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。當電池電量低于2.7 V時，水表將自動關(guān)閥，以提醒用戶更換電池；同時將剩余水量和實際用水量的記錄數(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。在強磁干擾情況下，水表將自動關(guān)閥；同時水表將各種干擾狀態(tài)記錄在案。水表設(shè)有防拆裝置，當遇到自行拆裝的情況時，水表將進入鎖定狀態(tài)。

③ 查詢功能。為了便于用戶及時掌握用水情況，在使用過程中可隨時查看“累積用量”、“剩余量”、“單價”、“當月用量”。

④ 自動告警功能。當剩余水量小于設(shè)置的報警量時，水表將自動關(guān)閥，提醒用戶購水。

⑤ 透支功能。當剩余水量用至設(shè)置的透支量時，水表將自動關(guān)閥，切斷水源；此時，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。每個月的7號、14號、21號、28號凌晨3點左右會自動開關(guān)閥1次，且并未將閥門完全關(guān)死，防止閥門銹死的同時達到激活電池的目的。

結(jié)論

本文設(shè)計的智能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收。該智能水表集預(yù)付費、階梯水價計費、故障檢測等功能于一體，具有讀數(shù)清晰、計量準確、管理控制方便等特點，適合與智能樓宇系統(tǒng)配套，實現(xiàn)集中抄表和遠程控制，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)部具有用水的價格參數(shù)（如當前單價、階梯水價等）和準確的實時時鐘（用作復(fù)費率核算的時間標準），更重要的一點是充值是按金額為單位，而不是按水量來充的，避免了充值時存在互相轉(zhuǎn)換和找零的麻煩，有效地提高了居民用水計量收費管理的現(xiàn)代化水平，在實際應(yīng)用中取得了良好效果。