CN101930638B - 自来水ic卡电子水表 - Google Patents

Abstract

一种自来水IC卡电子水表，包括：水表及控制装置，流量传感器与水表连接，水表控制装置的核心微控制单元信号输入端接有位置传感器、流量传感器及IC卡插座，其信号输入端还接有电池电压监测模块和电压传感器；微控制单元其信号输出端通过开阀/关阀驱动模块与“欠费断水”阀连接，其信号输出端还接有液晶显示模块；设位置传感器保证水表的水平放置，避免误差，保证了水表的精度；解决恶意断电问题，电池更换方便，避免因更换电池使陌生人入户的隐患。采用变周期的脉冲式供电降低霍尔元件功耗，节约用电。采用水压传感器和泄流微孔，可预防管路破裂和停水后无意打开水龙头造成的“跑水”。IC卡中使用了“滚动码”与DES加密算法相结合的密码体系。

Description

自来水IC卡电子水表

技术领域

本发明涉及自来水IC卡电子水表，特别是指一种防止断电失控、防止倾斜安装、防止盗窃IC卡密码的自来水IC卡电子水表。

背景技术

现在的自来水表，特别是IC卡电子水表的普及率提高了很多。IC卡电子水表的使用不仅给用户带来很多方便，这些年电子水表技术进步很大，出现了“防滴漏”，“欠费断水”等新技术，对提高自来水公司的供水管理水平产生了重大影响。但是现有IC卡电子水表在使用过程中也暴露出一些问题。

由于欠费断水阀的关断需要一定的能量和关断时间，因此在恶意断电的情况下，水表系统就没有机会来关断阀门，因此“欠费断水”技术就成了一种“摆设”而没有实际意义。

水表计量的依据是水流冲击水轮转动所发出的脉冲，而水轮转动的精度决定了水表计量的精度；水轮精度保障之一是它必须被垂直安装，这样上下两个“宝石眼”轴承才能使水轮转动摩擦力最小，确保水轮计量精度。当水表倾斜安装时，水轮在“宝石眼”轴承上摩擦阻力会大大增加，严重地影响精度，使自来水公司蒙受损失，这个损失比“滴漏”造成的损失要大得多；然而现有的水表还没有防止倾斜安装的技术措施。

IC卡的使用方便了用户购水，但也带来一些隐患，IC卡中虽然设置了一些密码。但是目前由于解破密码的设备在社会上非法流传，因此IC卡水表必须防止有人恶意盗码，现有的IC卡水表存在被盗码的危险。

此外，公知电子水表技术中在水轮转动到序列脉冲的转换过程中使用了干簧管继电器，静电驻极体传感器和霍尔元件传感器技术，其中干簧管引起的阻尼太大，静电驻极体传感器阻尼力小满足要求，但在潮湿的环境中长期工作的可靠性不高，虽然霍尔元件传感器的可靠性高，阻尼力微小，但功耗太大。

现有公知技术的电子水表的电池都是被密封在水表内部，如果需要换电池就必须有自来水公司专业技术人员到用户家里来拆机更换，这样做非但带来不少麻烦，还破坏了电子水表防止陌生人入户，确保家庭安全的初衷。

此外，国内屡见报道的因自来水“跑水”湮没楼下邻居引起的邻里纠纷，也给自家造成巨大损失。自来水“跑水”的原因主要有两类，一类是自来水停水(时有发生)时，打开龙头没有水，也就没闭龙头，恢复供水时，龙头大开，无人发现时，就造成了“跑水”。另一类是因管道失修或耐压质量问题爆裂后造成大量跑水。目前的水表还没有办法解决这一问题。

发明内容

为克服现有IC卡水表所存在的上述缺陷，本发明的目的提出一个可以防止断电失控、防止倾斜安装、防止盗窃IC卡密码、通过单次流量控制(用户可选)防止大量跑水的高安全性的自来水IC卡电子水表。

实现上述目的本发明采用的技术方案是：一种自来水IC卡电子水表，包括：水表及水表的控制装置，将水表设置于水路中，设流量传感器与水表连接，所述水表的控制装置以微控制单元为核心，所述微控制单元其信号输入端接有位置传感器、流量传感器及IC卡插座，其信号输入端还接有电池电压监测模块及电压、水压传感器；

所述微控制单元通过电压传感器采集高压储能电路模块的储能高压信号；

所述微控制单元其信号输出端通过开/关阀驱动模块与欠费断水阀连接；欠费断水阀通过流量传感器与微控制单元连接，微控制单元信号输出端还接有液晶显示模块。

所述位置传感器输出水平位置信号至微控制单元。

所述电池电压监测模块输出电池电压信号至微控制单元，微控制单元输出欠压信号至显示模块。

所述电压传感器输出高压储能电路模块的储能电压信号至微控制单元，微控制单元根据储能电压信号控制高压储能电路模块开始或停止提升电压并向储能电容充电。

所述控制装置与设于水表面板上的电池盒连接。

所述欠费断水阀是单脉冲驱动电磁先导控制阀。

所述流量传感器采集变周期脉冲式供电的霍尔元件产生的电脉冲信号。

所述欠费断水阀关闭后，预留了一个泄流通路，在水表工作压力范围内泄流量为每分钟2.25ml-14.4ml。

设水压开关于欠费断水阀的泄压孔内，并一端与管道连接，另一端与水龙头连接。

本发明的优点：

1.本发明设有位置传感器，通过位置传感器保证水表的水平放置，避免了误差，保证了水表的精度。

2.本发明设有高压储能关阀电路及电池电压监测模块，当电池电压低或遭遇恶意断电时，及时利用高压储能电熔中的能量关闭欠费断水阀，解决恶意断电问题，保证了水表的正常工作。

3.设电池盒于水表面板上供电，电池更换方便，避免陌生人入户的隐患。

4.本发明流量传感器的霍尔元件产生采用变周期的脉冲式供电方式，比现有的霍尔元件功耗低，节约用电。

5.本发明在欠费断水阀上预留一微孔，阀体内设置一水压传感器。利用水表后的所有水龙头关闭时，阀腔内的水压将上升至水源水压，而停水或龙头出水时，该水压开关将失压。利用水表控制单元的流量计量功能，记录单次龙头开启的流量。可在单次流量超限时关闭水阀。直至龙头关闭后水压开关感知水压恢复时，再将阀门打开，进而防止了“跑水”。

6.本发明再IC卡的密码中采用了“滚动码”与DES加密算法相结合的密码体系，做到了一卡一码，一次一码。有效地抵挡了解破软件的攻击。

附图说明

图1是本发明的实施例的电气原理框图。

图2是本发明的软件流程图。

图3是本发明的电气图。

图4-1是本发明的剖面图。

图4-2是本发明的水压传感器局部放大图。

图4-3是本发明的阀上泄流微孔局部放大图。

具体实施方式

如附图和实施例解释，它仅是为说明本发明的意图，技术上熟练的人将很容易地从下面叙述和这里的插图说明中指出的结构方法进行实施，并可能在没有脱离在此说明的本发明的原理来利用这一技术。下面，本发明将结合首选实施例作说明，但应该理解到，它并不想把本发明限制到实施例上。恰恰相反，本发明企图涵盖可供选择的、修正的和等价的技术措施，它可能包括由权利要求书定义的本发明的精神和范围。

如图1所示，一种防止倾斜安装、防止恶意断电、带有欠费断水功能的自来水IC卡电子水表，包括：水表及水表的控制装置，水表设置于自来水管道中，水表壳内有两个腔，计量腔和控制阀腔，流量传感器6设置在计量腔内，欠费断水阀11和水压开关13设置在控制阀腔内。该水表控制装置以微控制单元1为核心，微控制单元1带有固化程序(MCU由CPU、RomRam内存、IO接口、A/D转换器、Flash内存、时钟电路、看门狗电路集成同一电路之内)，所述微控制单元1其信号输入端接有位置传感器4、流量传感器6及IC卡插座5，其信号输入端还接有电池电压监测模块3和储能电压传感器9，输入端信号还连接到水压开关13；所述微控制单元1通过电压传感器9接收高压储能电路模块8的储能高压信号；所述微控制单元1其信号输出端通过开/关阀驱动模块12与欠费断水阀11连接，其信号输出端还接有液晶显示模块2；开/关阀驱动模块12包括开阀驱动电路7和关阀驱动电路10，所述高压储能电路模块8通过开/关阀驱动模块12控制欠费断水阀11打开/关闭。所述位置传感器4发送水平位置信号到微控制单元1，微控制单元1根据水平位置信号通过开/关阀驱动模块12来控制欠费断水阀11关闭和开启。

所述电池电压监测模块3发送电池电压信号到微控制单元1，微控制单元1根据电池电压监测模块3的欠压信号通过液晶显示模块显2示欠压标志，微控制单元1根据电池电压监测模块3的欠压或断电信号通过关阀驱动电路模块10控制欠费断水阀11关闭。所述欠费断水阀11是单脉冲驱动电磁先导控制阀。

所述电压传感器9发送高压储能电路模块8的储能电压信号到微控制单元1，微控制单元1根据储能电压信号控制高压储能电路模块8开始或停止提升电压并向储能电容充电。所述流量传感器6采集水轮上的双磁极磁块与霍尔元件产生的电脉冲信号，该霍尔元件采用变周期的脉冲式供电方式。

所述的水表控制器中，设置供电给控制装置的电池盒于水表面板上，用户可自行更换电池。更换电池时，欠费断水阀11自动关断。更换电池后，再水表状态正常，水量值不为零的前提下，欠费断水阀11再次自动接通，恢复正常供水。改变了现有IC卡水表更换电池时，必须由自来水公司专业人员将水表拆卸开进行更换电池作业，用户不能自行更换。这样就破坏了IC卡水表防止陌生人入户的初衷。

如图4所示，所述水压传感器13置于欠费断水阀11腔一侧，其信号线与微控制单元1相连接。微控制单元1根据水压传感器13失压和流量为零，判断为“停水”状态。单次流量超限为“疑似跑水”状态，出现这两种状态时，微控制单元1将关闭欠费断水阀11。直至流量降为零(或很小)，且微控制器1感知到水压传感器13“有压”即判断水龙头已经可靠关闭后，在水费余额大于零的前提下，微控制单元1将再次开启欠费断水阀11。

所述的泄流微孔15在欠费断水阀11阀体的中心，或阀体的其他部位，或是其他致使阀门在关闭后不能100％的断流的技术措施。使微小的水流在阀关闭时渗过阀门流出。控制泄漏的孔径，使其在本发明水表使用的压力范围内，闭阀后的泄漏流量在2.25ml/分～14.4ml/分钟，相当于每分钟15滴至96滴之间。该泄漏措施的作用是在阀门关闭后可自动恢复欠费断水阀11开通状态。

如图2所示，工作过程：上电后开始工作，首先微控制单元1将启动高压储能电路模块8将关阀储能电容储存到指定电压(本例为30V)。然后检测IC卡插座中是否插有IC卡，如果没插有IC卡，则欠费断水阀11保持关阀。如果插有IC卡，则读取IC卡插座5中的IC卡信息，在通过密码校验后，将IC卡中的币值转换成水量值存入到微控制单元1的水量存储器中，当水量存储器的值不为零时，通过开/关阀驱动电路模块12将欠费断水阀11打开，当用户打开水龙头用水，水流流动使水轮转动，流量传感器6通过霍尔元件采集水轮上磁铁的转速，将其换算成与水轮转速成正比的电脉冲信号，并发送到水表控制装置中的微控制单元1进行计量；所述流量传感器6，是将水轮上配有的双磁极磁块，该磁块在旋转过程中掠过固定的霍尔元件，在霍尔元件中产生电脉冲，该霍尔元件使用了变周期的脉冲式供电方式，既保证的传感器的可靠性，又大幅度地降低了能耗。解决了现有IC卡水表因能耗不能使用霍尔元件的问题。水量的计量：反映水表中水轮转速与流量关系的非线性函数表(由标定试验测试得到)被存储到微控制单元1的Flash内存储器中，流量传感器6发出的电脉冲信号的周期与流速有单调对应关系，因此程序使用该周期来查一个数据表，就得到了一个脉冲当量流量，程序就累计脉冲当量流量。并从水量存储器中不断地扣除。随着微控制单元1不断将水量存储器作相应的减少，当水量存储器被减至零时，微控制单元1启动关阀指令将欠费断水阀11关断。当另有IC卡插入时，微控制单元1经密码检验后再度将IC卡内的币值经转换成水量值后，加入到水量存储器中，接着重复上述的过程。

电池电压监测模块3在水表控制装置中微控制单元1的片内定时器控制下，每隔10ms检测一次电池电压，并传送给微控制单元1，当电池电压低于给定值，不能正常工作并影响计量精度时，微控制单元1在专用液晶显示模块2上显示电池欠压标志，同时启动开/关阀驱动电路模块12将欠费断水阀11关闭。另外，当遇到用户更换电池或恶意断电时，电池电压监测模块3可以在10ms之内感知，并通过微控制单元1实现欠费断水阀11的关闭。

电压传感器9在微控制单元1的片内定时器的控制下，每隔10ms检测一次高压储能电路模块8的储能电压，当微控制单元1感知储能电容的电压发生泄漏时，则启动高压储能电路模块8向储能电容泵送电荷，以提高储能电容的电压。在高压储能电路模块8工作期间，电压传感器9同样是每隔10ms检测一次储能电容电压值，当发现电能储满时，微控制单元1将停止高压储能电路模块8的工作。确保在任何情况下微控制单元1都能可靠地关断欠费断水阀11。为了使高压储能电路模块8在电池没有电或被恶意断电时能可靠地关断欠费断水阀11，必须先将高压储能电路模块8内储存足够的电能之后才能开启欠费断水阀11；所述高压储能电路模块8是一种利用低压电池(3.6V)以及电感、电容和高速电子开关构成的电荷泵电路，将电池电压提升到30V储存到电容内，作为开/关阀驱动电路模块12的欠费断水阀11电源。

位置传感器4使用的两个在水平方向正交的两个位置开关(本实施例为水银开关)可以感知任意方向的倾斜，可以保证垂直轴水轮的计量精度；位置传感器4在微控制单元1片内定时器的控制下，每隔10ms检测一次水表位置，并传送给微控制单元1，如表体发生任何方向的倾斜，或受到剧烈震动，可能致使水表不能正常工作而影响计量精度时，微控制单元1将启动开/关阀驱动电路模块12将欠费断水阀11关闭。当表体恢复静态水平的状态，且在其他开阀条件都满足时，微控制单元1将启动开/关阀驱动电路模块12打开欠费断水阀11。

如果自来水系统出现停水，安置在本发明IC卡水表中的水压传感器13由于失压，输出信号为低，微控制单元1检测到此低信号后，在检查流量计的瞬时流量，若瞬时流量也为零，则微控制单元1确认进入了“停水”状态。此时，微控制单元1将启动开/关阀驱动电路模块12将欠费断水阀11关闭，防止来水时，出现因水龙头未关而发生“跑水”的可能性。由于水压传感器13的感知水压的入口设置在欠费断水阀11的泄压通路中，其与水表后的管路和水龙头相联通。恢复供水时，若水龙头忘记关闭，则图4中泄流微孔15泄出的水流被龙头放出，管道内不能积累起水压，水压传感器13就一直失压，微控制单元1监测到水压传感器13失压，就一直维持水压传感器13的关闭状态。当水龙头关闭后，通过泄流微孔15泄出的水在管道中逐渐积累，由于液态水是不可压缩的，水压传感器13就感知到水压，水压传感器13输出高信号到微控制单元1，在水量值不为零的前提下，微控制单元1将启动开/关阀驱动电路模块12将欠费断水阀11开启。

目前的家庭装修中使用了许多软连接管，他们的耐压和使用寿命与“硬管”相比有很大差别。时有报道因水道“跑水”淹没了邻居而引起邻里纠纷和巨额赔偿。为减少用户的后顾之忧，本发明IC卡水表中设置了单次流量上限(用户可选)，若单次流量大于设定值，微控制单元1将启动开/关阀驱动电路模块12将欠费断水阀11关闭。若在正常使用中因单次流量超限被断水时，只要关闭一下水龙头系统即可自动恢复，再打开水龙头可再次供水。

如图3所示，本发明的电路连接关系，微控制单元1的单片机1通过ADO管脚和RC2管脚与高压储能电路8连接，高压储能电路8通过Vgg与开/关阀电路12连接；单片机1通过RC1管脚与电压传感电路9连接，电压传感电路9通过Vee与开/关阀电路12连接；单片机1通过RCO管脚和RC3管脚与开/关阀电路12连接；单片机1通过AD2，RA5和RBO管脚与EEPROM接口电路14连接；单片机1通过RB1、RB7和RB2管脚与液晶显示电路2连接；单片机1通过Vref管脚和RB6管脚与电池电压监测电路3连接；单片机1通过RB5管脚和RC7管脚与位置传感电路4连接；单片机1通过RB3管脚和RB4与流量传感电路6连接。

本发明中，霍尔流量传感器6间歇供电的方式是这样实验的，供电脉冲宽度为25微秒，间歇时间可变。开始时，微控制单元1每隔2.8毫秒向霍尔元件供电25微秒，在25微秒的供电中监测有无电脉冲，来发现计量水轮是否开始转动，若没有脉冲，维持2.8毫秒的供电周期。若有，说明计量水轮开始转动，则转入700微秒供电周期继续供电；缩短采样周期，去检测高频脉冲，若在700微秒供电周期中，连续100个周期没有发现电脉冲，则判断为水龙头关闭，计量水轮停转，则自动转回2.8毫秒供电周期。这样就有效地将霍尔元件的功耗降低由原来的1毫安降到6微安以下，解决了将霍尔元件应用到电子水表功耗太高的难题。

现行公知技术的IC卡电子水表中使用都是有加密功能的IC卡，然而这种加密功能中的密码都是固定的，很容易被市面上非法流行的解密装置破解，那将会使自来水公司蒙受巨大损失。本发明中采用了无线控制器中的滚动码和IC卡中的密码相结合进行DES加密，使IC卡在使用中形成了一卡一码，一次一码。即使IC卡密码被非法解破了，违法者得到的密码也没有任何意义。

上面的讨论只不过解释和描述了本发明的一个典型方法和实施例。凡他人将本发明用其他的材料，以其他的形式具体化，然而没有脱离本发明的精神和实质的属于本发明的技术范畴。相应的本发明的公开确定了一个例证，它并不限制发明的范围。

Claims (9)

1.一种自来水IC卡电子水表，包括：水表及水表的控制装置，将水表设置于水路中，设流量传感器与水表连接，其特征在于：所述水表的控制装置以微控制单元为核心，所述微控制单元其信号输入端接有位置传感器、流量传感器及IC卡插座，其信号输入端还接有电池电压监测模块及电压、水压传感器；

所述微控制单元通过电压传感器采集高压储能电路模块的储能高压信号；

所述微控制单元其信号输出端通过开/关阀驱动模块与欠费断水阀连接；欠费断水阀通过流量传感器与微控制单元连接，微控制单元信号输出端还接有液晶显示模块。

2.按权利要求1所述自来水IC卡电子水表，其特征在于：所述位置传感器输出水平位置信号至微控制单元。

3.按权利要求1所述自来水IC卡电子水表，其特征在于：所述电池电压监测模块输出电池电压信号至微控制单元，微控制单元输出欠压信号至显示模块。

4.按权利要求1所述自来水IC卡电子水表，其特征在于：所述电压传感器输出高压储能电路模块的储能电压信号至微控制单元，微控制单元根据储能电压信号控制高压储能电路模块开始或停止提升电压并向储能电容充电。

5.按权利要求1所述自来水IC卡电子水表，其特征在于：所述控制装置与设于水表面板上的电池盒连接。

6.按权利要求1所述自来水IC卡电子水表，其特征在于：所述欠费断水阀是单脉冲驱动电磁先导控制阀。

7.按权利要求1所述自来水IC卡电子水表，其特征在于：所述流量传感器采集变周期脉冲式供电的霍尔元件产生的电脉冲信号。

8.按权力要求1所述自来水IC卡水表，其特征在于：所述欠费断水阀关闭后，预留了一个泄流通路，在水表工作压力范围内泄流量为每分钟2.25ml-14.4ml。

9.按权力要求1所述自来水IC卡水表，其特征在于：设水压开关于欠费断水阀的泄压孔内，并一端与管道连接，另一端与水龙头连接。

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