丹東思凱電子發(fā)展有限責任公司 蘭玉明

 

關鍵詞：智能水表  邏輯加密卡  CPU卡  無線遠傳 有線遠傳

摘要：水表作為計量用水量的主要器具經(jīng)歷了普通機械水表到智能水表的發(fā)展，在智能水表的發(fā)展過程中由于所要解決問題的不斷變化，也使智能水表發(fā)生一代又一代的不斷的發(fā)展。

 

        水，做為日常生活不可或缺的一部分，關系著千家萬戶的民生問題。而對于計量用水的計量器具——水表，也隨著社會的不斷的發(fā)展，人們關注點的不斷變化，發(fā)生著日新月異的變化。

 

        早期國內(nèi)普通使用的是機械式的水表。使用比較普遍的自來水水表一般為速度式水表，速度式水表又分為旋翼式和螺翼式兩種。其基本原理是根據(jù)管道中的水流帶動表中的葉輪旋轉(zhuǎn)，并通過葉輪和齒輪帶動水表表面的指針進行計數(shù)，每月或每季由自來水公司的抄表人員入戶抄表收費。這種水表的好處是成本低、計量比較準確?？墒请S著社會的發(fā)展，人們隱私意識的不斷加強，對于入戶抄表的這個原來不是問題的問題卻日益突出。并且由于人們業(yè)余生活的豐富、家庭結構的變化，抄表人員經(jīng)常碰到家中無人，無法抄表的情況。由此引發(fā)的對于水費的爭議也逐漸成為了用戶和自來水公司間的主要矛盾。有些南方的自來水公司曾經(jīng)嘗試將水表移到戶外，希望能借此解決這些問題。但由于移到戶外后水表的外在環(huán)境發(fā)生了變化，對于水表安全問題就無法得到保證。經(jīng)常會有水泥、穢物等粘在水表的玻璃表面，甚至有打碎玻璃表面撥動指針的情況出現(xiàn)。破壞性最大的就是有些不法分子將水表偷走賣銅，而對于由用戶來賠償水表的這種方式則充滿了爭議。并且水表又不能向電表那樣集中保護，集中管理，即使保護起來又對抄表和維修帶來了困難。

 

        由于以上的種種原因，人們把目光轉(zhuǎn)向了智能水表。1994年思凱公司研制出了第一塊IC卡智能水表，為解決上述問題奠定了物質(zhì)基礎。IC卡智能水表是通過將普通機械水表機械信號轉(zhuǎn)換為電信號，并送予邏輯處理單元進行處理，根據(jù)表內(nèi)的狀態(tài)控制閥門的開關，通過IC卡作為介質(zhì)在自來水公司和用戶智能水表間傳遞數(shù)據(jù)，免去入戶抄表的諸多煩惱。智能水表也隨著技術的發(fā)展和科學的進步，不斷的演變、發(fā)展，逐步進入到成熟階段。

 

首先采集單元經(jīng)過了干簧管、韋根傳感器和無磁傳感器三種方式。

 

一、干簧管

        干簧管傳感器經(jīng)歷了單干簧管和雙干簧管兩個階段。

        單干簧管是由在葉輪上的一個磁鋼與一個固定在表盤下的干簧管共同組成。用水時由水流帶動葉輪上的磁鋼旋轉(zhuǎn)，而葉輪每旋轉(zhuǎn)一周磁鋼在經(jīng)過干簧管時由干簧管產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖，這樣就將機械信號轉(zhuǎn)換成了電信號，完成了一次的計數(shù)功能。但在實際的使用過程中經(jīng)常有普通的民用用戶電子部分計量的每月使用量達到100多立方米，這在不漏水的情況下根本是不可能的，并且該表的機械部分所計的用水量只是電子部分所計的用水量幾分之一甚至幾十分之一，究其原因是由于自來水管道中的水錘效應，使機械表的葉輪有時會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，如果此時磁鋼恰巧位于干簧管的下方，就會導致干簧管不斷產(chǎn)生虛假的計數(shù)脈沖，從而使電子部分所計數(shù)值與機械部分所計數(shù)值不符。

 

        雙干簧管技術就是為了解決抖動問題。在葉輪上磁鋼經(jīng)過的圓周上水平放置兩個干簧管，這樣葉輪旋轉(zhuǎn)一周，則兩個干簧管分別吸合一次。而邏輯處理單元在分別收到兩個干簧管發(fā)出的脈沖信號后計一個數(shù)，這樣就解決了抖動問題。同時如果邏輯處理單元還判斷兩個脈沖信號的先后順序，還可以檢測出水表是否被反裝，而對反裝的水表進行關閥等處理。并且通過判斷兩個干簧管是否同時吸合，對磁干擾的情況進行處理，可謂一舉三得。

 

二、韋根傳感器

        韋根流量傳感器是利用韋根德效應制成的，故名韋根傳感器。其工作原理是，傳感器中的雙穩(wěn)態(tài)功能合金材料在交變外磁場的激勵下，磁化方向瞬間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，而當外磁場撤離后，它又瞬間恢復到原有的磁化方向，由此在合金材料周圍的檢測線圈中會感生出電脈沖信號，實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換。

其特點是：

1 傳感器工作時無須使用外加電源，適用于作為微功耗儀表，的前端脈沖傳感器應用。

2 N、S磁極交替觸發(fā)的工作方式，觸發(fā)磁場極性變化一周，傳感器輸出一對正負雙向脈沖電信號，幅值大于1伏，信號周期為磁場交變周期。

3 觸發(fā)磁感應強度在50-80毫特斯拉左右。

4 輸出信號幅值與磁場的變化速度無關，可實現(xiàn)真正的“零速”傳感。

5 無觸點、耐腐蝕、防水,使用壽命在20億次以上。

6 利用電話線、同軸線可實現(xiàn)電信號遠傳。

韋根傳感器早在80年代在美國韋根德公司研制生產(chǎn)，后我國某研究所也開發(fā)出類似產(chǎn)品，目前這兩種產(chǎn)品應用中有兩大問題。美國韋根德產(chǎn)的傳感器存在磁阻大的致命缺點，極易吸附住葉輪增加始動流量，但由此帶來的更大問題是由于熱水管道雜質(zhì)多，過大的磁性吸附力容易吸附住流體中的鐵質(zhì)，最終使得葉輪無法運轉(zhuǎn)，另一種國內(nèi)韋根傳感器存在“磁崩潰”的致命缺點，一旦被磁干擾將無法正常工作。

 

三、無磁傳感器

        不管是單干簧管技術還是雙干簧管技術，它們都是利用磁場作用，將采集的機械信號轉(zhuǎn)換為電信號，我們統(tǒng)稱為磁傳水表。但將這種磁傳水表用于熱水計量時就會出現(xiàn)高溫失步的問題，也就是說在超過85℃的高溫情況下，計量精度下降，經(jīng)常出現(xiàn)丟轉(zhuǎn)情況，導致機械部分計量數(shù)值與電子部分計量數(shù)值不符，但溫度降低后，計量精度又恢復到正常狀態(tài)，剖悉問題原因主要是由于葉輪上的磁鋼在高溫情況下磁性降低所造成的。解決該問題最有效的方法就是取消磁傳方式，采用可以在高溫情況下有效工作的信號采集技術。這種技術的主要原理是把一個諧振回路中的電感置于葉輪的上方，葉輪的一半敷有帶阻尼性的金屬，由電感在葉輪上方的位置決定諧振回路的阻尼系數(shù)，通過測量諧振回路的不同阻尼系數(shù)，可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動的測量。水表的邏輯處理單元通過對葉輪轉(zhuǎn)動測量進行計數(shù)，從而完成對水用量的計量。使用這種技術的水表與傳統(tǒng)的磁傳水表相比，具有的明顯優(yōu)點是抗干擾能力強、耐高溫、功耗低、易實現(xiàn)自動化校驗，并可有效提高生產(chǎn)的效率。

 

       其次對于智能水表與自來水公司間的數(shù)據(jù)信息交換方式又有IC卡、有線遠傳和無線遠傳三種方式。

 

一、IC卡方式

        最初在智能水表與自來水公司之間傳遞數(shù)據(jù)的介質(zhì)是IC卡，也就是說智能水表從IC卡中讀取自來水公司傳遞給智能表的數(shù)據(jù)，并將其保存到智能水表中，更新表內(nèi)的各種狀態(tài)，并將用水量等經(jīng)過邏輯單元處理的數(shù)據(jù)寫入IC卡中，由IC卡返回給自來水公司。

 

        最先投入使用的是無保護存儲卡，這種卡的優(yōu)點就是技術簡單易于實現(xiàn)，但由于它沒有任何電路上的保護機制，最多也就是通過數(shù)據(jù)的加密算法保護數(shù)據(jù)不被非法篡改，但是還是無法對數(shù)據(jù)進行有效的保護，防止非法用戶對數(shù)據(jù)的破壞。

 

        由于技術手段和人們意識程度的發(fā)展，沒有保護的卡內(nèi)信息成為最易受到攻擊的部分，因此人們對存儲卡進行改進，在卡中加入的邏輯判斷電路，由此保證寫卡操作的合法性，也就是說在沒有經(jīng)過密碼校對的情況下是無法向卡內(nèi)寫入數(shù)據(jù)的。從而解決了數(shù)據(jù)保護的問題，提高了數(shù)據(jù)的安全性。這種IC卡被稱為邏輯加密存儲卡，簡稱邏輯加密卡。使用比較廣泛的是西門子的4442、4428等。

 

        后來由于水表使用環(huán)境比較惡劣，為保證表的密封性所以采用了非接觸的邏輯加密卡。非接觸的邏輯加密卡又叫射頻卡，它的工作原理是射頻讀寫器向IC卡發(fā)一組固定頻率的電磁波，卡片內(nèi)有一個IC串聯(lián)協(xié)振電路，其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同，這樣在電磁波激勵下，LC協(xié)振電路產(chǎn)生共振，從而使電容內(nèi)有了電荷；在這個電荷的另一端，接有一個單向?qū)ǖ碾娮颖?，將電容?nèi)的電荷送到另一個電容內(nèi)存儲，當所積累的電荷達到2V時，此電容可作為電源為其它電路提供工作電壓，將卡內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)射出去或接受讀寫器的數(shù)據(jù)，通過這種方式在不直接接觸的情況下完成數(shù)據(jù)的交換。由于不需要卡片和水表讀寫卡單元的直接接觸，從而保證了智能表的完全密封。

 

        隨著人們對卡內(nèi)數(shù)據(jù)安全的重視程度的不斷提高，邏輯加密卡已經(jīng)不能滿足要求，為保證卡內(nèi)數(shù)據(jù)的足夠安全，IC卡智能水表逐漸采用了安全級別更高的CPU卡來存儲、傳遞數(shù)據(jù)。CPU卡又叫智能卡，卡內(nèi)具有中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（EEPROM）以及片內(nèi)操作系統(tǒng)（COS）。CPU卡能夠支持中國人民銀行認可的Single DES、Triple DES算法，能夠快速完成RSA算法的簽名、認證、加密、解密運算，進行各種對稱和非對稱的加密、解密操作，保證線上數(shù)據(jù)傳送的安全以及卡內(nèi)數(shù)據(jù)的安全，從而解決了人們對高安全數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)的要求。同時還有非接觸的CPU卡，解決了密封和安全兩方面的問題。

 

        IC卡方式最大問題是它的實時性差，通過IC卡返回的表內(nèi)數(shù)據(jù)是用戶上次插卡時由智能水表返回的數(shù)據(jù)，具有一定的延遲性。并且如果要修改表內(nèi)數(shù)據(jù)（如：單價等），用戶不來買水，就無法將數(shù)據(jù)寫入卡中，也就不能設置到智能表內(nèi)。這種延遲性常常會損害自來水公司的利益。但這個問題是由于IC卡方式本身的使用方式所決定的，是無法解決的。

 

二、有線遠傳方式

        有線遠傳的智能水表，通過有線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)信息傳遞到采集終端上，再通過人工或其它方式傳遞到自來水公司的采集系統(tǒng)上?？梢园凑誐－BUS／RS485／RS232／TTL等方式將智能表中的數(shù)據(jù)傳遞到采集終端甚至是自來水公司的采集系統(tǒng)上。這種方式也很好的解決了入戶抄表所帶來的諸多問題，并可以避免IC卡方式的延遲性問題。智能水表可以通過有線網(wǎng)絡實時的將數(shù)據(jù)傳遞給采集終端或自來水公司的采集系統(tǒng)上，自來水公司的采集系統(tǒng)或采集終端也可以實時將控制命令發(fā)送給智能水表，更新智能水表內(nèi)的數(shù)據(jù)及狀態(tài)。

 

        但時由于這種方式的布線建網(wǎng)的成本很高，并且墻體內(nèi)的線路一但出現(xiàn)故障將導致不易查找故障點，不易修復的問題。

 

三、無線遠傳方式

        無線遠傳是采用短距離微功率無線方式進行數(shù)據(jù)傳遞，從而降低有線遠傳建網(wǎng)布線的成本。這種方式一般采用國際通用開放（ISM）頻段433MHz (/868MHz)或儀表專用頻段470MHz。通過相鄰無線智能表的接力傳遞，可以將多個無線智能水表的數(shù)據(jù)傳遞到一個采集器上，并由采集器通過GPRS網(wǎng)絡傳遞到自來水公司的采集系統(tǒng)上，完成真正的實時無線雙向數(shù)據(jù)傳遞。也可以不使用采集器，改由人工通過POS表的方式在戶外采集無線智能水表的數(shù)據(jù)和將命令設置到表內(nèi)。并最終由POS表將數(shù)據(jù)上傳到自來水公司的采集系統(tǒng)中。雖然GPRS數(shù)據(jù)傳遞的成本相對來說已經(jīng)很低，但與IC卡的數(shù)據(jù)傳遞幾乎為0的成本相比還是較高的，因此IC卡加無線遠傳相結合的方式將成為未來的主要解決方式。因為這種方案在一般情況下的數(shù)據(jù)通信可由IC卡來完成，費用幾乎為零解決了無線遠傳的成本問題，并在特殊情況下還具有實時通訊的能力，解決了IC卡的延遲問題。但是這種方式由于復雜的電子處理部分而導致單表的制造成本大大的增加從而導致單表的價格較高，還有一個問題就是由于房屋的結構不同以及表具安裝位置的不同，使無線表的抄收率有時受到影響。在實際的安裝中最初的由于未考慮安裝位置和戶型的影響，天線的增益不是很高，所以7層的以下的抄收率只能達到50%左右。發(fā)現(xiàn)該問題后通過提高天線的增益使7層以下的抄收率達到了85%，4層以下的一次抄收率達到了95%以上，二次抄收達到100%。

 

        由此可見水表的發(fā)展也是隨著技術的發(fā)展，隨著主要矛盾的不斷變化而不斷的發(fā)展。只要能找到當前的主要問題，就可以針對這些問題采取相應的解決方案。智能水表也會隨著人們關注問題的變化和技術水平的提高，而不斷涌現(xiàn)新一代的智能水表。