基于AT89C51单片机的智能水表设计.docx

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基于AT89C51单片机的智能水表设计

摘要

单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。

而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。

随着我国城镇建设的快速发展，有关城市的水、电、气、暖表的管理和抄表出现的问题也日益突出，根据自来水网的改造、智能小区的建设以及实施“一户一表”工程的需要，本文设计了一种基于AT89C5单片机的智能网络水表，智能网络IC卡水表通过集中器和上位机管理系统连接，将水表的数据传输给远方的上位机，同时上位机管理系统通过集中器对智能网络水表进行监测和管理。

本文采用AT89C51单片机作为主控芯片，开发一种基于IC卡技术的智能水表。

该智能水表可实现总水量累计、月水量统计、水费计算与管理（报警金额、基础水量、计划水量）,以及水阀控制等功能。

同时具有预存水费、欠费提示、欠费停水等功能。

关键词：

智能水表AT89C51IC卡技术

Abstract

Becauseofitsextremelyhighperformance-priceratio,thesingle-chipcomputer（SCC）hasbeenpaidgreatattentiontoeversinceitcameoutin1970sof20thCentury,andhasgainedanextensiveapplicablefieldandfastdevelopment.AmongallkindsofSCCs,51SCCisthemosttypicalandrepresentativeone.Moreandmoreprobelemsarearisingonthemanagementandrecord-readingofwatermeter,electricitymeter,andnaturalgasmatersystemsasthecommunitydevelopmentisgrowingfast.Aimingtoslovetheseproblems,thethesisdesignedaremotecentralmeterreadingsystemandintelligentwatersystem,developmentofintelligentresidentcommunityandthehighdemandofonemeterperfamilyproject.Thisintelligentwatermaterwillcollectthedataandtransferittotheremoteupper-levelmanagingsystemviaconcentratorandupper-levelmanagementsystem,whiletheupper-levelmanagementsystemisresponsibleformonitoringandmanagingintelligentwatermeternetwork.

Inthispaper,AT89C51SCMasamasterchip,thedevelopmentofICcardtechnologybasedontheintelligentmeter.Theintelligentmetercanrealizetheaccumulatedwater,water,statistics,computingandmanagementofwater（theamountofalarm,basicwater,thewaterplan）,andvalvecontrolfunctions.Atthesametimewithstoredwateranddelinquenttips,delinquentwater,andotherfunctions.

KEYWORDS:

IntelligentwatermeterAT89C51ICcardtechnology

第一章绪论

随着我国城镇建设的快速发展，有关城市的水、电、气、暖表的管理和抄表出现的问题也日益突出，根据自来水网的改造、智能小区的建设以及实施“一户一表”工程的需要，本文设计了一种基于AT89C51单片机的智能网络水表，智能网络IC卡水表通过集中器和上位机管理系统连接，将水表的数据传输给远方的上位机，同时上位机管理系统通过集中器对智能网络水表进行监测和管理。

针对传统旧式水表存在的各种缺陷，本文介绍了目前市场上出现的各种智能水表，在大量收集和查阅国内外有关资料的基础上，提出了一种低功耗的智能水表，这种智能水表以AT89C51单片机为核心，实现了用户用水量的采集、计量、处理、存储等，克服了传统旧时水表存在的偷水、漏水等缺陷。

同时本文对水表的远程集中抄表系统进行了全面的介绍，该系统有三层网络结构：

上位机管理系统、集中器和智能网络水表。

智能网络水表通过RS-480总线和集中器连接，集中器通过调制解调器MODEM和电话网连接，将数据通过电话网传输给上位机管理系统，降低成本的同时提高了数据传输的可靠性。

同时上位机管理系统还可以和银行联网,组成四级网络，为集中抄表系统的扩展奠定了基础。

这样的设计代替了人工入户抄表的抄表方式,大大方便了居民生活。

本文所设计完成的智能水表具有功能完善,计量准确的优点。

1.1研究背景　　　　

当今社会科学技术高度发展，现代的建筑不仅融合了传统的建筑特点，而且包括了高科技产品和现代科学技术，随着现代通信技术、控制技术、网络技术的发展，现在的智能建筑和智能小区很多已经实现了楼宇自动化，例如：

宽带上网、防盗、防火联网报警等，同时耗能计量表出户集中抄表、自动收费、联网管理己成为现代智能建筑和智能小区的必备条件。

这里的耗能计量表是指用于居民住宅耗能计量的仪表，包括水、电、暖、煤气表等，但是现在仍有大量的智能建筑和智能小区的水、电、暖、煤气等耗能计量表采用传统计量技术和抄表方式，因此新的计量技术和抄表方式成为研发的热点。

　现在对于耗能计量表的抄表方式多为人工入户抄表，而且归各个管理部门收费，这种收费方式存在很多的弊端：

（1）抄表工作劳动强度大、效率低；

（2）管理费用高；

（3）入户抄表难度大，而且存在安全隐患等。

随着通信技术和网络技术的发展，远程自动抄表方式将逐步替代传统的抄表方式，这样可以将耗能计量表的管理统一到物业中心，大大节省人力、物力和财力，而且可以实时监控耗能表的使用情况，有利于管理部门的管理，同时将物业中心的计算机和银行的管理系统联网，由银行从业主的存款中扣除费用，真正实现了联网收费。

传统的计量技术和抄表方式所使用的仪器仪表多为旧式仪器仪表，这些仪器仪表已经无法满足社会的需要，它们存在着精度低、体积大、可靠性差等缺陷，针对旧式仪器仪表的缺陷，出现了智能化计量仪表。

智能化仪器仪表是计算机技术向仪器仪表移植的产物，含有微计算机或微处理器的仪器仪表，具有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能。

随着微电子技术、计算机技术、软件技术的高速发展，智能化计量仪表朝着微型化、数字化和网络化方向发展，并逐步取代旧式的计量仪表。

　水表是记录流经封闭满管道中水流量的一种仪表，它是一种积算式速度流量计，原理上是利用活动壁的容积室的机械作用或水流推动涡轮等活动元件，使之旋转以连续确定水流量。

水表性能的好坏直接影响着人们的日常生活以及水资源管理工作的效率和科学化水平。

而旧式水表存在着偷水、漏水等严重问题，用先进的智能化水表取代旧式水表已经成为一种发展趋势[1]。

1.2选题意义和经济效益

1.2.1远程集中抄表系统及智能网络水表的推广应用前景　　　　

随着我国城镇建设步伐的加快，城市水、电、气等建设规模日益庞大，管理工作越来越复杂，而且越来越繁重，在这种情况下传统的管理模式已经暴露出各种弊端，与城镇的现代化建设不相适应。

对于水表计量计费而言，实现水表的远程集中抄表有以下优点：

（1）可以有效地解决入户抄表效率低的问题，提高自来水公司的用水管理水平和管理效率，杜绝水费的拖欠；　　　　

（2）避免干扰居民生活，杜绝安全隐患；　　　　

（3）远程集中抄表可以使管理部门随时了解居民的用水情况，而且使抄表工作不受时间的限制。

长期以来，我国城镇居民使用的水表普遍是普通机械旋翼湿式水表，这种水表价格低廉、性能比较稳定，但是存在着偷水、漏水等现象。

智能网络水表的使用相对于传统的水表有以下优点：

（1）可以杜绝普通水表的偷水、漏水现象；　　　　　　

（2）其智能化的设计可以使居民随时了解用水量和单价水费，大大方便了居民生活；

（3）这种水表配备有数据通信的接口，可以方便与集中器进行连接；　　　　　　

（4）这种水表可以防止强磁干扰、拆卸等所造成的计量不准确，上位机管理系统可以监控水表的状态和运行。

我国传统的水表水量计量和抄表管理模式己经不适应社会和经济的发展，在这种情况下，远程集中抄表系统及智能网络水表的推广使用，符合国内外水表和抄表管理模式的发展状况以及未来趋势，具有很好的推广前景。

根据对各大城市自来水公司的实际调查，相对于传统水表和抄表模式，远程集中抄表系统和智能水表有很好的经济效益：

（1）降低人工费用；　　　　

（2）降低偷水、漏水费用；　　　　

（3）降低水表的管理费用：

如果使用智能网络水表，自来水公司每月用于用水监控和管理的费用将大大降低。

1.2.2社会效益　　　　

远程集中抄表系统和智能网络水表的推广使用不仅具有很好的经济效益，而且具有很好的社会效益：

（1）智能网络水表系统为实现国家建设部在小康住宅标准中提出的推广应用户外计量（含水、电、暖、燃气表）技术提供了有利的保障；　　　　

（2）智能网络水表系统能够避免水表计量和收费过程中的各种错计、漏计用水量和拖欠水费等现象；

（3）远程集中抄表系统有利于促进科技进步和新材料的研制。

1.2.3设计的技术指标　　　　

本次设计的智能网络水表的主要技术指标有：

（1）工作电压：

3.6士0.6V；　　　　　　

（2）静态电流：

（30MA）；　　　　　　

（3）阀门正常工作次数：

>100次；　　　　　　

1.2.4采用的控制芯片　　　　

控制芯片是智能网络水表系统和智能网络水表的核心部分，采用何种控制芯片要从它的功耗和性能方面结合考虑，单独考虑芯片的功耗而忽略其性能是不合适的，要做到采用的芯片功耗尽可能低，同时也要满足智能网络水表系统和智能网络水表的各项功能。

1.2.5采用的抄表方式　　　

　现在远程集中抄表系统有很多种抄表方式，结合实际情况，采用合适的抄表方式是保证数据可靠传输，进行实时监控的关键。

本次设计采用的抄表方式适合大容量的水表数据采集，同时上位机管理系统可以通过集中器对水表进行实时监控。

在国外集中抄表系统的技术发展起步较早，对集中抄表技术的研究起步也较早，且比较深入，从标准的制定到抄表专用芯片的生产都比较成熟，多种集中抄表技术得到了相对广泛的、成功的应用，在发达国家基本上都实现了远程集中抄表。

对于适合于远程集中抄表的智能水表而言，国外几家大水表公司，如瑞典ABB公司、德国MEILEK公司及以色列ARAD公司推出的总线制智能水表，这些公司定做了一体化芯片（将采集、存储、传输电路集成于一体的专用芯片），固件到表体上。

这种水表由于采集计数工作单元均装配在智能水表内并密封，水表的数据采集、处理、存储等基础工作全由水表本身完成，上位机不参与底层数据采集，仅进行通信联系，消除了外界因素对计量的影响。

另外因智能水表引出的总线通、断不影响单表数据采集和保存，也不影响其它水表数据的读出，即使本次读数时该表总线出现故障，只需重新挂接好总线，无需重新置数，水表的真实读数仍可继续读出，其安全性、稳定性是比较可靠的。

但是成本较高，推广普及较慢。

通过电力线载波技术进行远程集中抄表的智能水表，国外的很多大公司和研究所已经开发出了相对应用于电力线载波技术的器件和元件，电力线载波技术的关键是电力线载波专用芯片，国外很多公司生产出这种专用芯片，使远程集中抄表和控制变得可靠。

瑞典ABB公司开发的无线发射式水表，除安装常规数据采集、处理、存储模块外，另设置无线发射装置，通过远程接收装置接收信号，此种水表不需敷设线路和线路维护、安装方便。

但是种无线发射式水表占用频率点需长期交付一定的租用金和管理费。

国内发展现状相对于国外远程集中抄表和智能化水表的发展，我国在这方面的技术起步较晚，但是发展十分迅速。

RS-85总线传输方式已经广泛应用在集中抄表系统中，在我国些大中城市，无线传输抄表方式也广泛使用，经过技术的改进，这种抄表方式已经取得了明显的效果；电力线载波技术更是发展迅速，尤其在电能表自动抄表方面使用最多。

对于传统水表出现的缺陷，我国市场上出现了很多种智能化水表，具体分类如图1-1所示。

图1-1智能水表分类图

（1）最早出现的是磁卡式水表，这种水表是IC卡智能水表的雏形，但是由于存在磁卡失磁的问题，这种水表很快被淘汰。

（2）九十年代初期，IC卡智能水表成为研究的重点，但是当时水表中电路的主控芯片功耗大、数据采集精度、水表阀门的质量和缺乏国家行业的统一标准等问题使早期的IC卡智能水表发展和推广比较缓慢。

随着计算机技术、信息技术、微电子技术、传感器技术的进步和2001年国家建设部颁布了《IC卡冷水水表》的行业标准，这样促使了IC卡智能水表迅速发展。

现在的IC卡智能水表主要有：

接触式IC卡智能水表、阶梯式IC卡预付费智能水表、非接触式IC卡（射频卡）智能水表等

（1）接触式IC卡智能水表：

可以显示用水量、现行水价、剩余金额等数据；欠压报警；防盗水等功能。

接触式IC卡智能水表的缺点是：

有外露电极，电路只能部分密封，防潮性能差，在潮湿环境下，IC卡会出现数据失误，长期使用触点生锈、腐蚀。

（2）阶梯式IC卡预付费水表（又名分量计费水表和复费率计费水表）：

具有水量定额平价、超额高价的自动阶梯式计费功能。

这种水表可以根据阶梯水价的划分和水表应用软件的修改，扩展这种阶梯式水表的功能，例如二段式、三段式以及多段式收费功能。

二段式收费是第一段定额水量平价，超额水量高价；三段式收费是在二段式的基础上增加了一段鼓励水量，这段鼓励水量低价，这样可以鼓励居民节约用水；多段式收费具有二段和三段收费的功能，而且具有阶梯上行和阶梯下行的收费功能。

具有这种功能的水表不仅可以运用在用户用水量计量中，还可以运用在某些工业流体的计量上。

（3）非接触式IC卡水表：

采用射频识别技术和IC卡技术，通过无线电磁波传递技术进行信息的读写。

非接触式IC卡水表的优点是：

第一，没有任何机械触点，因此没有磨损和腐蚀问题。

第二，电路全树脂密封，彻底解决了防潮、防水的问题。

第三，与接触式IC卡相比，非接触式IC卡无任何外露电极，因此有效地抗击外部的强电干扰。

使用非接触式IC卡完全密封无裸露芯片，不怕划伤、不怕磨损更不怕水洗，无需担心芯片脱落、静电击穿、弯曲损坏等问题。

但是这种水表的主要缺点是：

虽然非接触IC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，但是里面的冷凝水却出不来，长期腐蚀线路板。

而且非接触式卡本身没有电池，需要设备首先产生电磁辐射，通过感应电为卡提供能源，持卡工作后，通过高频电波与设备交换信息，因此数据交换不可靠，产品成本也较高。

（3）远传水表是将用户用水量数据远传给上位机管理系统，现在我国出现了几种远传水表，包括无线远传水表、电力线载波水表和摄像直读式远传水表等。

其中：

无线远传水表：

这种水表除安装常规数据采集、处理、存储模块外，另设置无线发射装置，通过远程接收装置接收信号，此种水表不需敷设线路和线路维护、安装方便。

这种无线远传水表利用无线通信设备将数据传输给楼下的集中器，集中器通过有线方式与上位机相连，进行自动抄表。

这样减少了单表的成本，不必为占用频率点需交付一定的租用金和管理费。

在我国的天津无线远传水表成为自来水表改造的重点，在2003年天津安装了25万块远传水表，当时由于技术和管理的原因，这其中很多水表没有正常运行，但现在经过技术改进和管理的到位，这些水表己经能够正常运行。

天津市计划在2005年有63万用户使用无线远传水表，北京市同样有这样的举措。

电力线载波水表：

随着我国的低压载波技术的进步发展，出现了利用低压电力线作为通信载体的智能远传水表出现了，但是作为低压电力线载波技术关键的电力线载波专用芯片大都由国外的公司生产。

但是我国电网干扰较大，所以这些芯片的可靠使用还存在问题，利用电力线作为通信载体的智能远传水表的广泛应用还需要一些时日。

摄像直读式远传水表：

这种水表是在智能水表上安装针孔摄像头，这种摄像头本身有发光二极管，可以全天候拍照，使用寿命长，电流很小，布线方便，使用这种智能水表可以拍摄下水表用水量的图片，通过手持机或者通过有线方式传输给远方的控制室。

但是这种远传水表成本较大，在上海等市有一定规模的使用[2]。

1.3智能水表市场

智能水表市场如同电表市场一样，同样具有极大的潜力。

从1998年开始，国内电表行业进行了大规模IC卡电表改造工程。

短短的3年内，全国完成了500万只IC卡电表改造，加上新建楼房的安装数量，IC卡电表总的需求量已经超过了1100万只。

从当前的种种迹象来看，水表大规模更新换代的机会也即将来临。

其主要原因：

一是原国家计委、水利部等5部委联合决定，全国所有城市要在2005年年底以前全部实行居民生活用水阶梯式计量水价的政策。

二是目前IC卡智能水表的技术已经成熟，具备了大面积推广应用产品基础。

三是水资源的短缺使得政府和自来水公司不得不加快阶梯水价的实施步伐。

水资源短缺是我国的基本国情，缺水给中国经济发展和社会生活带来巨大的负面影响。

水资源的短缺推动了水行业的水价改革，这些价格改革有效地提高了公民的节水意识。

为了更有效缓解我国水资源短缺的问题，原国家计委、水利部等5部委联合决定，全国所有城市要在2005年年底以前全部实行居民生活用水阶梯式计量水价的政策。

阶梯式水价是指对居民用水有上限规定，如果用水超过一定的标准，同样1立方米的水，将收取更多的水费，用水越多，每立方米单价便越高，用价格杠杆节约水资源。

天津、哈尔滨、银川等14个城市已经率先开展了城市供水价格改革试点工作，实行了阶梯式计量水价。

阶梯水价是保证水资源的供给与需求达到平衡的基本手段。

但是水计量手段落后却是制约阶梯水价的最大障碍。

长期以来供水企业只抄总表，住在住宅单元内的居民从来就没有与供水企业发生供用水的经济关系。

如果自来水公司不能准确地知道用户每月的用水量，如何实施阶梯水价？

正因如此，一些城市提出阶梯水价短期内不会实行。

除了受到“抄表到户”的条件制约外，还受到“抄表的及时性和准确性及水表出户”等因素制约。

据介绍，居民阶梯水价实施的前提条件是“一户一表，抄表到户”。

但目前我国不少老房子不适宜改造，有的地区还有不少高层建筑住户享受趸售政策等问题，制约着阶梯水价的推进。

现状是，有的几个月抄一次或自报水量。

这说明人工入户抄表已不符合当前的需要，同时由于生活质量的提高，人们对私密性、安全性等问题开始重视，这就需要采取技术手段来解决。

实现阶梯水价在当前面临的最大困难就是水计量手段的落后。

IC卡智能水表是实现阶梯水价的最现实选择。

IC卡智能水表是一种利用现代微电子技术、现代传感技术、I卡技术对用水量进行计量并进行用水数据传递及结算交易的新型水表。

它除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量进行自动控制，并且自动完成阶梯水价的水费计算，同时可以进行用水数据存储的功能。

由于其数据传递和交易结算通过IC卡进行，因而可以实现由工作人员上门抄表收费到用户自己去营业所交费的转变。

IC卡交易系统还具有交易方便、计算准确、可利用银行进行结算等特点。

虽然各个厂家提出实现阶梯水价的技术手段很多，但从实际应用情况来看，IC卡智能水表还是最现实的选择。

一方面有了电表行业IC卡智能电表成功应用的先例，证明在技术上是成熟的，另一方面，城市居民大部分已经接受了IC卡智能电表的用电习惯，面对IC卡智能水表时，更容易适应。

第三，IC卡智能水表不仅能实现阶梯水价，而且可以帮助自来水公司用最简单的方式收费，解决拖欠水费的难题。

尽管对阶梯水价的技术实现手段仍然有争议，但IC卡智能水表已经成为应用最广的产品。

从近期的情况看，许多城市如北京、重庆、天津、南京、银川、哈尔滨、沈阳、库尔勒、石家庄等城市都已经开始实施IC卡水表改造工程。

不仅如此，随着定额用水的实施，大型企事业单位，如学校、部队、工厂、医院、矿山等，为了降低成本，节约用水，都在进行IC卡水表改造。

如此巨大的需求量，吸引了大量厂家投身其中。

IC卡智能水表经过8年的发展，技术上也已经成熟，具备了大面积推广应用的条件。

IC卡智能水表大规模更新换代的时代已经到来，纷纷抢占区域市场成为水表企业竞争的焦点，机会是平等的，只要努力，相信水表业将迎来盛夏[3]！

1.4智能卡表的安全性内容

随着“一户一表”工程的实施，利用IC卡作为传输介质，采用预付费的收费方式对公用事业仪表进行抄表收费管理的模式得到了迅速的发展，并且逐渐从物业小区管理方式发展到行业或城市管理方式。

由于用户的结算信息和公用仪表的计量信息都是通过用户手中的IC卡进行传输的，用户的分布又是一个十分复杂、分散的群体，因此如何保证用户卡中传递信息的安全性已经变成一个十分重要的问题。

这个问题解决的好坏，将直接影响IC卡表以及预付费管理系统的推广使用。

　在智能卡表和预付费管理系统之间，信息的传递是通过IC卡作为传输介质进行的，安全性的主要内容是如何保证IC卡中信息的安全性，与此相关，还要保证不能用非法的手段获得或者修改智能卡表中的数据信息。

　对IC卡和智能卡表中的信息安全性保护主要体现在对数据信息进行非法攻击的防护上，常用的攻击行为有以下几种：

　1、截取信道中的信息：

通过非法设备以及相关技术手段读取IC卡中存储的数据信息以及在IC卡与智能卡表进行操作时截取数据交换信息。

　2、破译IC卡中的信息：

攻击者在采用上述两种方式截获数据信息后，根据IC卡中数据信息的变化情况以及数据交换过程中数据流的变化，对数据进行分析，从而确认IC卡中所有数据的含义以及数据流的变化规则，完成对IC卡以及智能卡表中数据信息的破译，进而达到非法改变数据信息的目的。

　3、复现IC卡中的数据信息：

攻击者在截获数据信息后，并不对数据进行分析破译，而是记录在特定操作中数据流的变化情况，在需要时，将记录的数据流直接复制发送到IC卡或智能卡表，从而达到非法改变数据信息的目的。

这种情况经常发生在当IC卡与智能卡表之间进行数据交换采用加密处理的时候。

　在上述所描述的攻击方法中，第一种方式是手段，由于IC卡和智能卡表全部由用户掌握和使用，管理方无法做到实现实时跟踪，因此在现实中是无法阻止攻击者进行这种尝试的。

第二、三种方式是数据分析处理，是攻击的目的所在。

如果对IC卡与智能卡表之间的数据进行安全保护处理或者采用较为简单的安全保护，攻击是非常容易达到效果的。

为此在设计智能卡表及其相关管理系统时，必须对数据的安全性给予高度的重视，从某种角度来说，一个智能卡表及系