智能水量表检测系统设计与研究.docx
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智能水量表检测系统设计与研究
摘要
为适应国家用水制度的改革，减轻供水部门因“先供水后收费”造成的资金压力，减少因抄表、收费所带来的麻烦纠纷，用现代化科学技术手段改变自来水供水管理体制落后的现状势在必行。
基于智能卡的智能水表不仅解决了这些问题，又为节约用水、合理用水创造了条件，所以其得到了越来越广泛的应用。
本论文以基于智能卡的智能水表为研究对象，重点探讨了基于低功耗单片机在智能水表上的应用和开发，针对现有IC卡预付费水表在实际应用中存在的问题，研究了一个基于智能卡的预付费智能水表的设计方案，该方案采用微功耗的ATmega16单片机，完成了基于智能卡的水表的设计，具有稳定性、安全性和低功耗的特点。
关键词：
智能卡IC卡ATmega16单片机低功耗智能水表
ABSTRACT
Inordertoadaptthereformofthenationalwatersupplysystem,lighteningthefundspressureof"supplybeforecharge”ofthedepartment,saveresourcesandmoney,usingthemodernsciencetechniquechangethecurrentadministrationstructureofwatersupplyindustryisimperativeunderthesituation.Theapplicationofintelligentwatermeternotonlysolvethoseproblem，butalsocreatesaconditionforusingwaterfrugallyandrationally.So,itobtainedmoreandmorewidespreadapplication.
Thispapertakesintelligentwater-metersystembasedonICcardastheresearchobject,applicationandthedevelopmentofthelowpowermicrocontrollerintheintelligenceinstrumentisdiscussedindetail,inviewoftheexistingproblemofIntelligentwatermeter,adesignthatbasedonintelligentwatermeterwasresearchtosolveit.ThisdesignusesthelowpowerATmega16microcontroller,Ithascharacteristicofstable,secureandlowpower.
KEYWORDS：
IntelligentCardSLE4428CardAtmega16Microcontrollerlowpowerintelligentwater-meter
第一章绪论
1.1课题背景及意义
随着社会科学技术的高速发展，资源短缺现象日益严重，尤其是与人类生存息息相关的水资源。
水是宝贵的环境资源，也是我国可持续发展战略的重要物质基础。
但是，我国是世界上人均水资源拥有量十分贫乏的国家之一，节约和保护水资源是我国当前一项十分重要的战略措施。
节约水资源包括两个方面的措施，一是大力推广应用节水新技术；二是加强用水的科学管理，在某种意义上来说，加强用水科学管理是当前的首要任务。
因此，研制一种低功耗、计量精确、方便的智能水表显得极为重要[1]。
长期以来，我国城镇居民所使用的水表普遍是普通机械水表，这种水表价格低廉，性能比较稳定，但是还采用人工抄表、按户收费的模式。
此方式存在着工作量大，收费周期长，收费困难，效率低下等缺点。
随着我国信息产业的飞速发展，金卡工程的全面实施，实现自来水收费管理的电子化、信息化及网络化己成为可能。
水表系统的智能化可以大大提高供水管理部门的工作效率、节约费用，用以改善供水设施，提高居民饮用水质量，同时还能为加强自来水使用的监督管理提供手段，从而在技术上为节约用水合理用水创造条了件[2]。
微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机（单片机）为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，智能化仪表在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比，取得了巨大进展。
智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。
随着科学技术的进一步发展，仪表的智能化程度将越来越高[3]。
我国目前智能水表新产品开发基本上是借鉴国外先进模式，因为国外在此方面的研究设计起步较早。
例如ABB公司的KENT水表采用充电电池，具有按键读数、可以显示日期时间及各户用水量，兼有机械式与电子式读数功能，而且还配有IBMPC兼容机接口，可以进行电话通信。
国内的一些企业也对多种智能化水表系统作了研究，但在微功耗、可靠性等方面效果并不理想，因此并未投入大批量生产。
从国内外水表行业的目前情况以及水资源的可持续性发展口标来看，我国的传统水表必须进行改进，才能适应社会和经济的发展。
本课题就是在综合了国内外水表的发展现况和趋势的情况下提出的[4][5]。
1.2国内外智能水表的发展现状及发展趋势
目前，国内企业与研究机构主要致力于智能网络远传水表和智能卡式水表系统方面的研究开发，如宁波水表厂、上海自来水公司水表厂等都在相继开发远传水表，由于智能网络远传水表系统需要配套远传通信网络支持，其初期投资大，因此只适用于在一些新建住宅小区组成相对独立的小网，所以目前尚未大量投入市场；而后者采用先付费后用水的管理模式，在当前收费困难、人工抄表效率低下的情况下，更能获得供水管理部门的青睐[6]。
1、智能网络远传水表系统[7]
就目前来讲，智能网络远传水表又可分为分线制集中抄表方式和总线制智能抄表方式。
（1）分线制集中抄表方式
各种分线制集中抄表方式的基本原理大致相同，即由采集器定时顺序采集来自多路分户线的水表信号，并进行数据处理、存储。
各采集器之间采用总线制连接，最后连接到计算机。
（2）总线制智能抄表方式
总线制智能水表由于采集、计数工作单元均安装在智能水表内并密封，水表的数据采集、处理、存贮等基础工作全由智能水表本身完成，手抄器或电脑不参与底层数据采集，仅进行通讯联系，消除了外界因素对计量的影响。
2、智能卡式水表系统[8]
智能卡水表是在当今智能卡技术与市场迅猛发展、单个智能卡及刷卡机性能价格比日益提高的特定时期应运而生的。
主要由智能卡式水表、智能卡、读卡器、收费管理信息系统等组成。
用户须在供水部门指定售卡点顶购水后刷卡方能使用。
它具有限量用水、解决用水收费纠纷的功能，这是其它抄表方式及普通水表上门抄表方式所不能比拟的，并且智能卡水表如同普通水表，无需铺设管线及线路维护，安装方便、维护简单；另外，智能卡水表自带数据采集模块、电源部分、电磁阀（电动阀）控制，由智能卡读入预购水量等信息，使用简单，动作可靠；并且它的前期投资费用低，因此正日益受到供水管理部门的青睐。
1.3课题的研究容和内预期目标
1.3.1课题的研究内容
本文主要研究的内容包括智能水表的发展历程、IC卡的分类、基于智能卡的智能水表的设计及应用分析。
本文针对智能水表的特点和技术要求，指出了现有IC卡水表系统在实际应用中存在的问题，提出了基于智能卡的水表应用系统的设计。
本系统主要由智能卡，控制器及销售管理系统组成。
由于采用了基于智能卡的设计方案，极大提高了系统的稳定性和安全性，具有显著的技术优势和较好的发展前景。
本设计方案还采用了微功耗单片机设计技术。
在单片机的选型上，采用了ATmega16单片机。
ATmega16系列单片机在超低功耗和功能集成等方面有明显的特点，具有处理能力强、运行速度快、功率低等优点，除具备适合应用在自动信号采集系统、电池供电便携式装置、超长时间连续工作的设备等领域的特点外，更具有开发方便、可以现场编程等优点。
采用这样的设计方案可以使本系统具有较低的集成度，极大地提高了系统的可靠性和抗干扰能力，同时，对于其他领域中采用IC卡技术的应用更具有一定的借鉴意义。
在这样的框架结构和设计思想的指导下，本文主要的研究内容如下：
ATmega16系列单片机特点。
控制器的工作原理。
智能水表硬件电路设计。
智能水表软件设计思想。
智能卡密钥存储和安全性分析。
1.3.2课题的预期目标
本次设计的智能水表预期实现的功能有如下几点:
水量计量和累积功能。
水量统计功能。
用水控制功能。
数据保持和恢复功能。
水表状态检测功能。
水表状态、事件、功能卡操作记录功能。
水量数据和表状态的查询功能。
阀门维护及管理功能。
数据检错及纠错功能。
电池欠压保护功能。
传感器干扰保护。
第二章IC卡的结构及特点
IC卡又称集成电路卡，是随着半导体技术和存储容量的要求日益提高应运而生的。
它将具有加密、存储、处理能力的集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，并封装成卡的形式[9][10]。
根据所镶嵌集成电路的不同，可以将IC卡分成存储卡、逻辑加密卡、CPU卡等，它们各自具有不同的数据保护安全级别。
2.1存储卡
存储卡是直接将EEPROM芯片封装在卡片上，外部设备可以直接访问到EEPROM中的任何一个单元，如图2-1所示：
图2-1存储卡结构
由于存储卡中只有EEPROM一个芯片，因此IC卡的对外接口实际上就是EEPROM的对外接口，这样外部读写设备就可以十分方便地对EEPROM进行数据读写操作，所以，无法对合法或非法的读写设备进行判断和识别，非常容易进行攻击，因此存储卡数据安全级别很低[11]。
2.2逻辑加密卡
逻辑加密卡主要由EEPROM和逻辑电路构成，逻辑加密卡是在将EEPROM芯片封装在卡片上的同时，将一组硬件逻辑电路也封装在卡片上，外部读写设备必须通过硬件逻辑电路的判断后才能访问到EEPROM中的任何一个单元，如图2-2所示：
图2-2逻辑加密卡结构
由于在IC卡中存在一组硬件逻辑加密电路，EEPROM芯片的接口并不直接对外，在初始状态，IC卡芯片中的数据开关处于断开状态。
外部读写设备在访问IC卡芯片中的EEPROM单元之前，必须首先发一组数据给硬件逻辑电路，硬件逻辑电路在判断数据的合法性后，才决定是否将IC卡内的开关闭合。
通过这种方式，逻辑加密卡对内部EEPROM中的数据进行了安全性保护，但逻辑加密卡的安全性级别并不是很高，具备一定的手段仍然是可以攻破的[12][13]。
2.3CPU卡
CPU卡内的集成电路包括CPU、EEPROM、RAM、ROM及逻辑电路。
CPU卡中的CPU有计算功能，能进行加密/解密运算，一切操作由芯片内的操作系统控制，用户数据存放在被加密逻辑保护的EEPROM中，COS（片内操作系统）掩膜在ROM中，RAM用于存放COS运行时的中间变量，从芯片结构上保证了CPU卡的高安全性。
外部读写设备只能通过CPU与IC卡内的EEPROM进行数据交换，在任何情况下都不能直接访问到EEPROM中的任何一个单元，如图2-3所示：
图2-3智能卡结构
由于在CPU卡中封装了微处理器芯片（CPU），这样EEPROM的数据接口在任何情况下都不会与IC卡的对外数据线相连接。
外部读写设备在与CPU卡进行数据交换时，首先必须发指令给CPU，由CPU根据其内部ROM中存储的芯片操作系统（COS）对指令进行解释，并进行分析判断，之后的数据操作仍然要由外部读写设备发出相应的指令，并且CPU对指令进行正确解释后，允许外部读写设备和CPU卡中的数据存储区（RAM）进行数据交换，数据交换成功后，在CPU的控制下，利用CPU卡中的内部数据总线，再将内部RAM中的数据与EEPROM中的数据进行交换，因此CPU卡也具备数据安全性保护措施[14][15]。
2.4传输介质的比较
存储卡、逻辑加密卡、CPU卡三种介质特性比较如表2-l所示：
表2-1介质特性比较
名称
硬件可实现性
成本
安全性
可扩展性
适应范围
存储卡
容易
价格较低
较低
差
小范围
逻辑加密卡
普遍使用
5元
较强
较好
住宅小区
CPU卡
比较复杂
40元
非常好
良好
大范围、城市
IC卡水表中采用IC卡存储用户所购买的用水量，要求具有安全性，所以没有加密功能的一般存储器卡是不适用于该系统的[16]。
作为预付费使用的IC卡是一种储值卡，而且一次储值较小，因而有必要选择能防伪造、防复制且价格较低并能重复使用的IC卡。
逻辑加密卡具有很好的安全性和方便携带性，得到了认可，成为当今市场的主流。
目前，具有更加安全可靠，可扩展性能的CPU卡，开始在表计行业兴起。
但使用CPU卡的项目中，均遇到了开发周期长、管理难度大、推广实施受到了阻碍等困难[17]。
作为小区级综合预付费系统，首先应该从使用的方便性上着重考虑、必须保证系统的绝对可靠，易用。
宜采用安全性较高的逻辑加密卡作为预付费的介质，CPU卡虽然是一种趋势，近几年内其成本也难以大副度降低。
所以我们选用性价比高的逻辑加密卡—SLE4428卡。
2.5SLE4428卡技术说明
SLE4428卡以其优良的性能价格比，近年来在中国被广泛应用于商业预收费等领域中。
SLE4428是由SIMENSE公司设计的逻辑加密芯片，它支持ISO/IEC7816同步协议，在制造中使用的是NMOS技术，它含有260字节，其中提供给用户256字节的用户区，能满足水表的要求，此外，它还具有内部的自升压电路，使芯片只须+5V的电压支持，不需外部提供进行EEPROM单元擦除所需高电压[18]。
SLE4428卡的主要技术特点有[19]。
具有1024X8位的EEPROM存储器；
以字节为编址单位；
具有1024X1位保护存储器，保护存储器设置后不可撤消；
三线串行总线；
可进行10万次擦写操作；
数据保存10年；
卡内具有2个字节的PSC程序加密位，数据仅在密码检验正确后，方可进行写操作。
SLE4428IC卡通过三线串行总线与芯片接口进行信息交换。
数据在程序控制器的统一协议下，进行数据序列转换与安全逻辑校验。
引脚配置如图2-4所示：
图2-4IC卡引脚
IC卡在上电时，芯片进入到上电复位状态，此状态由一个复位操作（Reset）终止。
复位时，将终止所有当前的操作命令。
SLE4428共有5条控制命令和3条密码操作命令，如表2-3所列：
表2-3SLE4428卡IC卡操作命令
字节1
字节2
字节3
操作内容
S0S1
S2S3S4S5
A8A9
A0～A7
D0～D7
10
0011
地址高位
地址低位
输入数据
带保护位写与删除
11
0011
输入数据
不带保护位写与删除
00
0011
比较数据
带信号位写（校验）
00
1111
忽略
带保护位数（读9位）
01
1100
忽略
不带保护位读（读8位）
01
0011
11
253
位掩码
写错误计数器
10
1100
11
254
PSC字节1
校验第一个PSC字节
10
1100
11
255
PSC字节2
校验地二个PSC字节
第三章智能水表的硬件设计
本章主要介绍基于智能卡的预付费水表应用系统的硬件设计指导思想、硬件的主要构成部分和设计过程中遇到的问题及解决方案。
由于本课题的应用需求和研究目的十分明确，所以整个硬件方案设计和研制过程中始终贯穿了研究课题的应用主线，并最终使研究成果—基于智能卡的预付费水表应用系统实现了预期的设计目标。
3.1需求分析
根据项目背景和应用需求，本研究课题硬件的设计目标是：
研发一套技术先进、结构合理、安全可靠、成本较低，能大量生产并投入实际应用的基于智能卡的预付费水表应用系统。
本课题在单片机选型设计上选用了美国ATMEL公司的ATmega16系列单片机。
采用的智能卡是SLE4428逻辑加密卡。
本项目研究的基于智能卡的预付费水表应用系统应具有较大的灵活性，以满足日益增加的应用需求。
本项目硬件设计时还需要考虑的两大因素是现场环境和操作人员技术水平。
在实际应用时，现场环境与实验室环境条件相比差异很大，而且不同地区的现场情况又有所不同，所以在硬件设计时要充分考虑系统的可靠性。
基于智能卡的预付费水表应用系统在使用时面向的用户是千差万别的，大多数的用户也不是专业技术人员，在设计时操作步骤应简捷方便、提示信息直观明确。
在接口电路的设计上应有保护装置，在一定程度上允许有误操作，并给出误操作提示。
在系统设计上应充分考虑可靠性和易用性兼顾的原则[20]。
3.2基于ATmega16单片机的低功耗系统设计
美国ATMEL公司的ATmega16系列单片机，高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具有处理能力强、运行速度快、功耗低等优点，因此性能价格比高，在欧洲己得到了非常厂一泛的应用[21]。
它的特性如下：
ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，数据吞吐率高达1MIPS/MHz从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与算数逻辑单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
ATmega16有如下特点：
16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C）,片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
智能水表充分发挥了Atmega16的低功耗特性，令CPU工作在突发状态，通常情况下使用软件将CPU设定到低功耗模式（LPM），只有在需要时，如计数、插卡、报警、低电压等情况时才使用中断将CPU从休眠状态中唤醒，完成中断处理后又进入休眠状态。
在具体程序编制过程中，考虑到低功耗要求，采取了以下几种措施：
在保证系统工作正常情况下，正确设定系统的掉电模式，程序结构保证系统大部分时间处于掉电状态，如总体上采用休眠唤醒方式[22]。
3.3智能水表工作原理
传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入单片机；由单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理（如非线性校正等）；同时单片机把运算结果与存储于片内的设定参数进行运算比较后，根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号（如报警装置触发等）[23]。
智能水表与PC机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过IC卡传输给PC机，由PC机进行全局管理。
智能水表工作的原理图如图3-l所示：
图3-1智能水表工作原理图
3.4智能水表硬件结构设计
智能水表硬件部分主要包括电源电路、电源检测和电路、水量检测电路、IC卡读写电路、阀门驱动电路、阀门检测电路和MCU最小系统电路。
智能水表控制系统结构图如图3-2所示：
图3-2智能水表控制系统结构图
说明：
图中采用双卡机制，一个称为用户卡，一个称为ESAM模块。
利用ATmega16的P3.3给智能卡提供时钟，用P3.0，P2.1分别控制用户卡及ESAM模块的上电。
模块描述如下：
·基表：
水表经过改造并加装流量检测传感器，为预付费控制器提供水表计量信号。
·阀门：
智能卡预付费水表控制阀门要求采用微功耗设计，阀门开启及关闭应保证动作可靠，阀门可以根据需要设计成内置式或外置式两种形式，设计中采用的是电动球阀。
·传感器：
主要完成机电转换，将机械信号转换成电信号，并传送给预付费控制器，本次设计采用干簧管作为发信传感器。
·IC卡卡座：
通过IC卡卡座接口，在ESAM模块的安全认证保护下对智能卡进行安全读写。
·数据保存单元：
保存表内工作数据及运行状态。
·窃用输入：
检测用户是否存在开启预付费控制器上盖，破坏阀门等行为，如检测到此种行为发生，预付费控制器将首先记录这种行为，保存当前表内运行数据和状态标志，并关闭阀门。
·计量干扰识别：
由于某些传感器会对某些材料敏感，比如干簧管会对磁性材料敏感，为此要有一套计量干扰识别电路，当检测到干扰信号时将记录下干扰行为，保存当前表内运行数据和状态标志，并关闭阀门。
·电源及检测电路：
为预付费控制器提供电源，由于采用电池供电，要实时检测电池电压，当检测到电池电压不足时，保存当前表内运行数据和状态标志，并关闭阀门，同时在液晶上显示欠压提示符号，提示用户及时加入电池。
·水泄漏报警：
通过外加水泄漏报警器，当检测到水泄漏时，预付费控制器能给出报警信号，同时关闭阀门。
这样，可以有效地减少由于水泄漏所带来的损失。
智能卡预付费水表还具有自检功能。
当插入检表功能卡时，智能卡预付费水表将按照已设定的程序自动检测各部分功能模块工作是否正常并在液晶上给出相应的提示信息。
3.4.1电源电路
为了使水表的工作时间更长，电源部分采用了自供电设计，即用水流带动发电机进行发电，把输出的电能输入到蓄电池中，这样充分的利用了资源。
对发出的交流电进行整流，再对其进行稳压、放大、然后对蓄电池进行充电。
所用发电机为3相交流，经过整流后变为直流，这样可以充分利用水能。
升压部分由MC34063芯片完成，34063是一单片双极型线性集成电路专用于直流直流变换器控制部分片内包含有温度补偿带隙基准源一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关能输出1.5A的开关电流它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器降压式变换器和电源反向器，其特点是能在3.0～40V的输入电压下工作、短路电流限制低、静态电流输出开关电流可达1.5A（无外接三极管）、输出电压可调工作振荡频率从100HZ至100KHZ可构成升压降压或反向电源变换器，其输入输出特性如图3-3所示：
图3-3MC34063输入与输出电压关系图
系统自供电部分如3-4所示，电压经34063放大后对蓄电池进行充电，经
LM7805调整后，为系统进行供电，可以满足系统需求。
图3-4自供电电路图
电源电路提供系统正常供电，在非正常状态（内部电池亏电、内部电池大电流释放不出），提供最后的关阀能源，在最坏情况下（电机堵转或短路），保障MCU供电1至2秒，保证MCU可以及时动作解除危机。
提供IC读写电路受控电源，保证受控电源的压降低于0.2V。
尽可能的减少能耗，提供必要的防干扰措施，防止从外部电池接口引入干扰。
提供蓄电池维护手段，防止蓄电池反向充电。
外部电池、内部电池、法拉电容相当于系统同时由3个电源供
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