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智能水表技术的发展

发布时间:2010/07/16

  随着智能水表行业的发展,智能水表的技术也在不断发展成熟。智能水表系统是一个包括IC卡水表及销售管理软件的系统,这个系统主要由:IC卡水表、智能卡、读写器、销售管理软件组成。IC卡水表是整个系统的核心部件,它安装在用户的用水管路中,主要起用水计量、显示和控制的作用。IC卡,主要功能是记录用户从银行或用水管理单位购买的水量信息,传给IC卡水表。读写器主要是完成IC卡的读写操作及与计算机的通信功能。销售管理软件是记录用户购水信息,完成计算机与读写器的通信等功能的软件。智能水表一般由:电控板、基表、电控阀门、电池、液晶显示屏、及其计量传感器等部件组成。它又可划分为:计量基表、控制器和电控阀三大部分组成。
  1.智能卡在水表中的发展情况
  智能卡作为智能水表中的信息传媒,决定了智能水表的数据传输形式,在智能水表技术中取重要作用。目前智能卡常有磁卡、IC卡、RF卡及TM卡等。
  磁卡: 是通过磁条记录信息量的智能卡,由于受电源、潮湿、卡口等因素影响,磁卡技术一直没有应用于智能水表的收费控制中。
  接触式IC卡:从其功能上分为三种,

  (1) 存储器卡。

  (2) 带加密逻辑存储器卡:内有安全逻辑的一种存储器卡。

  (3) CPU智能卡:内有CPU(中央处理单元)的一种存储器卡。存储器卡采用存储器芯片作为卡芯,只有"硬件"组成,包括数据存储器和安全逻辑控制等;智能卡采用微处理器芯片作为卡芯,由硬件和软件共同组成,包括硬件单片机(微处理器)、RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器),软件IC卡监控程序或操作系统COS(IC Card Operating System)等。存储器卡在技术上又可以分成两类,分别是普通存储器卡和逻辑加密存储器卡。作为普通存储器卡的卡芯芯片只含有数据存储器,通常简称为"存储卡";逻辑加密存储器卡则采用带有安全逻辑的芯片作为卡芯,可对数据存取用密码保护,通常简称为"加密卡"。
  TM卡: 实际上也是一种IC(集成电路)卡,只不过一般IC卡是五线卡或六线卡,并且是标准封装,而TM卡是一线卡,特殊封装方式。这种卡与设备直接接触,所以读写端口一般是暴露的,比IC卡的卡口更容易遭到外界施加电压的干扰,因此说TM卡虽然携带方便(可以做成钥匙状),但其安全性能(数据安全和设备安全)要比IC卡产品安全性能更差。
  RF卡: 实际也是IC卡的一种,简称射频卡。是采用无线电波进行数据交换的,因此水表电子控制系统可以进行完全密封,防水性能最好。但是射频卡本身没有电池,需要设备首先产生电磁辐射,通过感应电为RF卡提供能源,待RF工作后,通过高频电波与设备交换信息,因此数据交换不可靠,抗外界干扰能力差,产品成本也较高。
  在智能水表的发展中,最先在90年代初推出了接触式IC卡,那时的IC卡卡口较宽、是加密性较差的存储器卡,其抗攻击能力较差。特别是受到当时舆论的攻击后,其应用一度受阻。97年第一个代码预付水表产生了。98年第一个RF卡水表研究成功。99年新一代的接触式IC卡水表(采用的是逻辑加密卡)及CPU卡水表被研制出。2000年TM卡水表产生了。2001年具有防水功能的接触式IC卡水表被研制生产。目前水表的生产行业有一百多家,但真正能生产智能水表的企业不到20家。在这些厂家中有1家是采用代码付费水表,有2家采用TM卡水表,有3家是采用RF卡水表,其余的都是采用接触式逻辑加密IC卡水表,在行业中占大多数。
  2.智能水表的数据采集技术的发展情况
  智能水表数据采集是在计量基表上加装传感元件而进行流量信号采集的。水表的基表常有:旋翼式水表、容积式水表和螺翼式水表三种形式。旋翼式水表是一种速度式水表,它是利用水流推动它的旋翼,带动提示盘转动以记录用水量;它的特点是结构简单,测量范围宽,灵敏度高,外形尺寸小,精确度已被广大用户接受,是目前普遍使用的一种水表。容积式水表是一种计量较精确的水表,它的计算单位为升,一般的水表计量单位为0.01吨,相当于10升,可见容积式水表的精确度较高;工作时每当水灌满它的计量容器后,阀门打开让水流过,计量指示转过一个刻度,然后重复前一过程,对后面的水再进行计量;它对水质的要求较高,一般用于纯净水计量。螺翼式水表也是一种速度式水表,它的螺翼与水流成轴流式结构,它适用于大口径工业上的用水计量。旋翼式水表又分为干式水表和湿式水表,干式水表是工作叶轮与指示机构分开,通过强力磁铁传递扭矩。湿式水表是通过工作叶轮轴直接带动指示机构,所以在它的指示面板种常有水进入。湿式水表:湿式水表稳定可靠,价格低廉,但用于预收费控制作为计量基表必须解决数据采集过程中的防水问题。干式水表:采用磁铁隔离方式,因此计量信号采集非常容易,比较适合作为预付费控制计量基表。但是,水表内的磁体容易受到外界强磁场的干扰,所以必须选用带防磁罩的干式水表。
  智能水表数据采集传感器的常用种类有:
  光电传感器:光电传感器属于非接触传感器,可以进行隔离和密封,但是光电器件的电流消耗大,不适合以电池为动力的预付费水表作为计量信号的采集。
  霍尔传感器:霍尔传感器属于磁性传感器,其原理是磁铁与磁敏半导体器件相互作用产生脉冲输出的。为抵抗干扰,半导体输出端增加比较器,因此消耗电流较大,一般不宜作为预付费水表计量信号的数据采集。
干簧传感器:是比较常用的计量信号采集方法。是干簧管与磁铁相互作用的原理,因此会受到外界磁场干扰。目前众多厂家都是采用双干簧管结构来防强磁攻击。
  机械传感器:机械传感器可以抵抗外界磁场、电场、外力的人为干扰,还不消耗能量,但防水问题及机械结构的疲劳寿命难解决。
  最初的智能水表是采用霍尔传感器采集信号的但由于其体积及功耗较大而被干簧管传感器取代。直到98年智能水表才有性能比较稳定的双干簧管加磁钢的发讯装置产生。目前IC卡水表生产厂家中普遍采用的就是这种装置,只有一家采用机械传感器结构。大多数厂家采用干式水表,少数采用湿式水表。
  3.智能水表的阀门发展情况
智能水表的阀门无疑是智能水表部件中最为重要的一个部件,阀门的好块直接关系统到预收费能否实现。智能水表要求阀门压力损失小、体积小、功耗低。在90年代初由于人们对阀门认识不深,很多厂家采用结构复杂的电磁阀。但此类阀门抗外界敲击能力较差,且压损大,虽然功率消耗小、体积小,但一次驱动电流需要很大,不采用电荷泵技术就不能使用锂离子电池,并且这种阀门的长期工作的可靠性差,常常用不多久就损坏,给厂家带来很大损失。现电磁阀已普遍被电动阀代替。
  目前市场上的水表采用的控制阀主要分为三类:电控球阀、电动陶瓷阀、电动先导阀。
  电控球阀:采用小功率电机通过减速直接驱动的球阀开闭。它的优点是结构相对简单,水阻小,只是球阀的球环加工精度要求高。但它存在的缺点是,使用一段时间后存在由于水垢或微颗粒等使转动阻力增大的可能。目前众多厂家是采用每月定时开关阀门几次来解决此问题。
  电控陶瓷阀:它的工作原理与球阀类似,只是阀门是平面结构。
  电动先导阀:它是通过小功率电机带动磁柱运动先打开先导孔,通过有压力的水进行进入先导孔,利用水压打开阀门,所以一般来说它的功耗要小一些。但目前它的结构比较复杂,加工成本要高一些。
  目前一种浮动式球阀,由于开关阀的功耗较小,球阀无预紧力,压力转移到了聚四氟乙烯阀垫上,从而达到了既保证密封又能轻松开关阀的目的,这种球阀被普遍采用。在现有水表厂家中采用电动陶瓷阀的有2家,采用电动先导阀有4家,其它的厂家都是采用电动球阀。
  4.智能卡水表的控制器的发展情况
智能水表的电路是由:微控制器(单片机)、LED/LCD显示模块、IC卡接口、计量模块、负荷控制开关、电源模块等组成。对于接触式IC卡水表和非接触式IC卡水表,控制电路主要不同在IC卡接口上,接触式IC卡水表采用卡座,非接触式IC卡水表采用接收线圈加专用接收模块,TM卡采用专用解码模块。
  计量模块:机电式,从机械式仪表的计度器圆盘采样,将计度器圆盘的转动转换为电脉冲信号,送入单片机。
LED/LCD显示模块:用来显示IC卡表的计量数据和工作状态。现一般采用LCD液晶显示。
  实时时钟:用来记录时钟和日历,协助微控制器完成多种费率的计量以及按日、周、 月的数据统计。
  IC卡接口:用于IC卡表与IC卡片进行数据交换和安全认证工作。
  ESAM模块:用于存放IC卡表内的计量和状态数据并与IC卡进行系统的密钥安全 认证工作,是IC卡表一种数据密码交换的器件。
  负荷控制开关:用于控制用户的水、电、气、热供应的开关,可由IC卡表输出控制信号对其进行闭合或断开操作。一般微处理器输出的控制信号很弱,不能真接驱动电动阀门,需由阀门驱动电路将微处理器输出的控制信号放大,并驱动电动阀门。
  电源模块:用于向IC卡表提供电源供应。
  目前智能水表的电路板向着小型化、低功耗、抗干扰、低成本、实用功能方向发展。在电路板上由贴面件取代插接件,采用机器自动焊接取代手工焊,使部件更小、性能更稳定、成本更低。在对单片机的选择趋向于容量适中、功能丰富、性能可靠、价格低的元件。在电路板的设计上淘汰了电光、蜂鸣报警而采用了更实用的关阀报警。智能水的显示一般采用LCD显示而不用LED,这是因为LCD功耗小,更加精巧美观。智能水表的电池,正逐渐采用高容量的锂锰电池,其特点是容量大,可以密封在产品中,并且不产生晶阻。
 

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