2021年03月02日 | 非接触式Mifare1卡预付费智能水表设计

引言

随着社会经济的发展和科技的不断进步，人们生活条件逐步提高，对住宅智能化的要求也越来越多。一户一表的推行，复费率阶梯水价的实施以及供水管理部门提高计量收费管理的需要，都要求对传统的机械式水表进行变革。为适应国家用水制度的改革，本设计在原有智能水表的基础上，增加了阶梯计费复费率核算功能，该智能水表能根据用水参数和当月内的用水量实时地核算出水表内的剩余金额，方便水表用户和供水部门的管理。本文设计的Mifare1（简称M1）卡预付费智能水表可有效地解决上述问题，实现了“先购水后用水”的预付费消费，对节省国家资金和减少水资源浪费都有积极意义[1]。

1 水表组成及工作原理

基于MSP430F413的M1卡智能水表系统组成原理如图1所示。

M1卡智能水表的工作原理是，在普通转盘计数的水表中加装干簧管和永磁铁，双干簧管固定安装在计数转盘上方附近，永磁铁安装在计数盘（本系统0.01 m3）位上，计数盘每转一圈，永磁铁经过双干簧管各一次，在信号端产生两个计量脉冲。当接收到有效计量脉冲时，单片机由休眠模式转为工作模式，由微处理器执行相应的计费程序。水表内预先存储阶梯水价及相关用水参数，这是由“设置卡”完成的，智能水表能根据当月用水量实时地核算出水表内的剩余金额。当用户用水剩余量小于预设的报警量时（报警量由水表管理部门设定），水表自动报警，并提醒用户尽快购水。当将已充值的M1卡贴近感应区对水表内进行充值时，水表内单片机首先识别M1卡密码并确认卡表匹配无误后，读入所购水金额并与水表内剩余金额累加，水表根据售水部门的阶梯水价，实时计费、定期结算[2]。结算后当前用水量归零，总用水量实时累计，并写入M1卡水表内存储器，充值完成后水表的工作状态和充值金额显示在液晶显示器上。当遇到人为拆卸水表或剩余水量低于透支量时，水表自动关阀，同时将数据保存在内部Flash中。

2 硬件设计

M1卡智能水表的硬件主要包括微处理器、脉冲采集电路、FM1702基站芯片电路及M1卡感应天线、液晶显示电路、阀门控制电路、水表检测、电源检测及声音报警电路等。

2.1 微处理器

本设计微处理器选用TI公司的MSP430F413单片机，该单片机是一种超低功耗Flash型16位RISC指令集单片机[3]，具有丰富的片内外围，工作电压为1.8～3.6 V，内置LCD驱动器24×4段，可以缩小体积、降低成本，特别适合应用在各种要求低功耗的场所。

2.2 脉冲采集电路

本设计使用了双干簧管传感器，即当检测到一个干簧管吸合时，先记录下来，再检测另一个干簧管，只有检测到另一个干簧管吸合后才认为信号有效，也就是说单一的一个干簧管即使多次闭合也无效，从而有效地解决了临界点颤动而误发信号的问题[4]。同时，这种设计还可以有效防止人为附加磁铁而造成的计数不准，因为当微机

2.3 FM1702基站芯片电路及M1卡感应天线

读卡芯片为FM1702SL，由复旦微电子股份有限公司设计，是基于ISO14443标准的非接触卡读卡机专用芯片，采用0.6 μm CMOS EEPROM工艺，支持ISO14443 typeA协议MIFARE标准的加密算法。其接口电路如图3所示。

2.4 液晶显示电路及显示器

MSP430F413单片机内置1个24×4段的液晶显示驱动器。液晶显示电路及显示器如图4所示。本设计中选用的液晶显示器是定制生产的字符式液晶显示器，其视屏尺寸是65 mm×40 mm液晶显示，汉字数字协调美观。

液晶显示器作为水表的输出接口，除了显示电磁阀门的开关状态、表内剩余金额（当余额显示为负时表示水表处于透支状态）、累积用水量、电池状态、本月累积用水量、分段（阶梯水价时每种水价水量的上限）显示、单价（当前水价）显示、当前日期及时刻之外，还具有提醒用户及时充值及显示错误信息的功能。如表示强磁干扰，阀门将会关闭；表示欠压状态，提醒更换电池。

2.5 阀门控制电路

本设计采用小功率电机通过减速直接驱动球阀开闭。其优点是结构相对简单，水阻小。缺点是球阀的球环加工精度要求高，使用一段时间后由于水垢或微颗粒等会使转动阻力增大。设计中采用每月定时开关阀门几次来解决这一问题。阀门控制电路图5所示。

3 软件设计

M1卡智能水表软件采用了模块化设计，主控程序包括系统初始化、状态判断、流量脉冲和用水量处理、报警提示和功耗模式处理等，其中的关键是计费处理部分和看门狗的初始化。系统初始化包括对MSP430F413的堆栈、端口、中断、LCD控制寄存器的设置，系统初始化以后，进入低功耗模式，直到有中断源将其唤醒，再进入相应中断服务程序。功能子程序包括：M1卡的读写模块（包括M1卡有效性判断读/写及M1卡的解密与加密）、计费处理模块（包括阶梯水价段计费判断及处理）及阀门控制模块等。系统程序流程图如图6所示。（由于篇幅有限，程序代码略——编者注）

4 技术指标

静态功耗：水表控制器，10 μW。

静态电流≤25 μA，开关阀电流≤180 mA。

M1卡读写次数≥1万次。

电机阀响应时间≤4 s。

与基表显示误差： ±0.01 m3。

使用水温： -4~42 ℃。

环境湿度≤96%。

5 系统主要功能

M1卡预付费智能水表，除集预付费、阶梯水价计费、故障检测等功能于一体外，还兼具以下特殊功能：

① 电池欠压提示功能。当电池电量低于2.7 V时，水表将自动关阀，以提醒用户更换电池；同时将剩余水量和实际用水量的记录数据锁定，刷“用户卡”后仍可开阀使用，十天后关阀且不可再用卡开阀。更换新电池后，原用水信息数据不变。

② 防非法窃水功能。在强磁干扰情况下，水表将自动关阀；同时水表将各种干扰状态记录在案。水表设有防拆装置，当遇到自行拆装的情况时，水表将进入锁定状态。

③ 查询功能。为了便于用户及时掌握用水情况，在使用过程中可随时查看“累积用量”、“剩余量”、“单价”、“当月用量”。

④ 自动告警功能。当剩余水量小于设置的报警量时，水表将自动关阀，提醒用户购水。

⑤ 透支功能。当剩余水量用至设置的透支量时，水表将自动关阀，切断水源；此时，只有将“用户卡”重新充值购水，才可使水表阀门开启。

⑥ 阀门防锈设计。每个月的7号、14号、21号、28号凌晨3点左右会自动开关阀1次，且并未将阀门完全关死，防止阀门锈死的同时达到激活电池的目的。

结论

本文设计的智能M1卡水表已经研制成功并应用于华中科技大学喻圆小区新建一期工程且通过验收。该智能水表集预付费、阶梯水价计费、故障检测等功能于一体，具有读数清晰、计量准确、管理控制方便等特点，适合与智能楼宇系统配套，实现集中抄表和远程控制，可广泛应用于住宅小区、学校、工厂等水表集抄场所。此外水表内部具有用水的价格参数（如当前单价、阶梯水价等）和准确的实时时钟（用作复费率核算的时间标准），更重要的一点是充值是按金额为单位，而不是按水量来充的，避免了充值时存在互相转换和找零的麻烦，有效地提高了居民用水计量收费管理的现代化水平，在实际应用中取得了良好效果。