基于射频卡的预付费智能水表设计

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由于-户-表”的推行以及供水价梯水价的实行，必然加大供水管理部门在抄表、收费管理上的精力、财力、人力。在抄表缴费、收费和分量计费、阶梯水价的问题上，传统水表难以解决这些问题，因此-种涉及到多方面技术整合的机电-体化预付费智能水表就成为了需要。目前，国内已有许多厂家开始采用接触式IC卡的水表，但由于水表安装环境的特殊性，预付费智能水表在计量控制精度、功耗、数据保密性、动作可靠性、水表密封性、防潮、信息安全与防攻击等方面都有严格的性能要求∮触式Ic卡的水表很难满足这些特定的要求，非接触射频卡与接触式Ic卡、TM卡相比有可靠性高；无机械接触；操作方便，快捷；安全和保密性能好等特点。因此本文设计了-种新型的采用美国ATMEL公司的非接触射频卡T5577卡作为充值存储介质的预付费智能水表。

1 T5577射频卡简介T5577射频卡是美国ATMEL公司生产的多功能非接触式R/w辨识集成电路，适用于125kHz频率范围。 共有 363bit的EE-PROM(分布为 11个区块，每个区块33bit)t 。区块0是被保留用于设置T5577操作模式的参数配置块，区块7由模式设置决定是存放口令还是用户的-般数据，区块 1～区块6为用户数据区。

在每块用户数据存储区，bitl为锁定位，该位-但锁定，该块的其余32b将变为只读而不能改写。数据的传送是从辨识集成电路加载调制器完成，当Ic接收到读写器的扫描场，便会在线圈的2个终端I”和2”感生出-个 RF抵抗场强，再以100%的振幅进行编译码调制，从而得到读写拈的相关命令和数据 以及返回读写拈的卡信息 ]。

2 T5577射频卡读写(I)读出数据。当T5577射频卡进入到由读写拈天线产生的射频场内时，卡片由于电磁感应的作用而得到触发，卡片被上电产生复位过程，然后利用线圈中产生的阻尼特性的载波信收稿 日期：201 2-11-25作者简介：邵行菊(1970-)，女，浙江宁波，本科，工程师，从事智能仪表结构设计。

74号向读写拈传送数据。数据传送时产生带有阻尼作用的磁场信息，阻尼特性的载波信号由数据编码后通过负载调市lJ而得，负载调制是通过IC卡开通/断开负载的方法而实现，从射频卡发出的负载调制信号会在读写拈天线 L泣生微弱的调幅，这样读写拈即可接收射频卡调制数据流，本设计调制数据流采用的是曼彻斯特编码形式，经过控制器完成曼彻斯特编码的解调。

(2)写入数据。读写拈发出命令和写数据由中断载波形成空隙(gap)的办法实现，并以两个 gap之间持续时问来编码0门。当gap时间在50-150us时，两gap之间的16-31个场时钟时间长为0，48-63个场时钟时间长为 l，当大于64个场时钟时间长而无gap出现时，T5577退出写模式。若命令正确， F5577卡将正常执行，若出现错误，则T5577卡转至常规读模式。序列中第-个间隙为触发写模式的开始间隙，较其他间隙稍长，大约为280s，以使IC卡同步。，在数据写入前应先写入操作码10”，然后才是数据，数据的第-位为锁位，数据的写入必须接块进行，块可以独立写入，每块33位(含锁定位：0”不锁定、1”锁定)，块后接着是3位块地址。无口令写时每块38位，有 口令操作时任操作码之后加32位口令，共需70位 。

3 射频卡预付费水表设计工作原理是：用户持T5577卡先到水资源管理部购水；售水系统将相应用水信息写入T5577卡；用户持T5577卡靠近水表的刷卡位置，水表完成对卡的用户身份核对成功后将购买水量累加到水表的剩余水量，同时打开阀门。用 用水过程中，卡内剩余水量会相应减少；当降到报警水量时，水表会关阀报警，提示水量不足，当用户再次刷卡充值后，阀门将打开继续使用。水表在遇到因用户操作不当而导致的错误的时候，会给出错误操作提示，必要时候会关闭阀门。

图I 控制器框图《自动化与仪器仪表2013年第2期(总第166期)T5577卡预付费水表由发讯基表、流量检测拈、卡读写模块、微处理器系统、电机控制拈、电源管理拈、显示声光提示电路等部分组成(如图1)。整个水表采用整体式封闭封装，可防止外界破坏。

(1)微控制器及声光显示电路微 控 制 器 采 用 ST意 法 半 导 体 的 STM8L152R芯 片 ，STM8L152R是-个多功能 8位微控制器解决方案，工作 电源：1.65V-3.6V。片上集成了64K的闪存和4KSRAM以及更多外设 ，支持外部 晶振/时钟和更 多的模拟功能，提供-个低功耗RTC和增强型复位功能，整合 了真正的读写同步的2K的EE。

PROM、DMA、快速模数转换器和数模转换器 ，同时 内部集成了- 个 8x40段式LCD控制器，微控制器的典型低功耗等待电流是DtA，提供从低功耗模式中快速唤醒功能 。上电后处于低功耗等待模式，水表采用消息驱动的编程模式。

液晶显示用户购买的用水金额及表中剩余金额、累计用水量、单价、错误等信息。内部低功耗RTC时钟电路用于实现阶梯水价计费、定时对阀门操作和进行用水量月结算的需要。

刷卡后，预付费水表液晶根据要求显示不同的内容，同时蜂鸣器发声提示操作完成，LED点亮红灯则插卡操作错误，绿灯则操作正确。

(2)电源管理采用3V、2.4Ah锂电池对系统进行供电，并使用微控制器的AD功能检测电池 电压。检测电压是在-个负载电路作用下进行，可防止电压虚测。经理论计算和实践测算整个 电路的平均功耗少于 6uA，2.4Ah电池能够满足使用寿命8年以上。当电池电压<2.5V时，水表阀门将被关闭，并在液晶地显示低 电压符号提示更换电池。

(3)流量检测流量传感器采用采用双干簧管将水量转换为脉冲信号，可以有效地防止干簧管抖动产生的多计数现象并可旧能地减少外界干扰引起的误计数。当双干簧管都闭合时，认为是外界磁干扰，关闭阀门；当磁干扰消失则打开阀门。

(4)阀门电机驱动阀门电机为分户供水系统的控制机构，控制水表阀门的开关，为了保证供水压力损失达到标准的要求，阀门采用球阀。根据电机的技术指标：选用饱和压降约为0.2V的8550三极管构成电机驱动电路 。既保证了电机驱动电流，又在阀门故障时限制最大 电流<500mA。当检测到电机到位后，立即停止驱动，不再进行阀门操作。

(5)卡读写电路卡读写电路由单片机和天线线圈及相应的外围电路组成驱动电流放大 电路和生成 125 kHz波 的谐振 电路，接收解调 电路通过二极管包络检波器和放大器对天线信号进行检波、滤波，放大，整形后送入单片机，单片机对输入信号解调得到卡中真实数据。水表从T5577卡读取购水量、单价等信息，同时向T5577卡写入电池状态、阀门状态等水表信息。T5577卡中的所有水表信息将通过读写器传入收费管理系统，用水管理部门能了解用户水表的工作状态及用户用水的状况。

4 预付费水表的软件设计单片机软件使用C语言编制，编译环境为IAR，采用拈化设计方法，主要包括以下几个拈：主程序、流量检测拈、液晶显示拈、磁干扰处理拈、定时时钟处理拈、T5577卡读写模块、开关阀门拈等。程序流程图如图二所示。

图2 程序流程图5 数据的安全性、完整性设计为保证数据安全和防止数据错误采取的-些措施，传输数据进行DES加密、设置存储区密码认证和访问条件、每个芯片设置唯-序列号以及在芯片运送过程中设置传输代码防止对数据的非法截取分析和对存储区的非法访问。

T5577卡有密钥，用于核对外部口令 当口令校验通过后，才可正确对数据进行相应的写操作；口令校验未通过，则不能对T5577卡进行写操作，但可以进行读操作。

DES算法是-种标准的加密算法。它先由T5577卡中取4字节随机数，并缀以o0 00 00 00”补为8字节数据为初始值，而后按数据轴构顺序形成数据块，将其分成以8字节为单位的数据块(不足的数据块后缀以00OOH”)，对这些数据块使用相应的密钥加密 1。

数据完整性是指保证数据在传输过程中不受到篡改和丢失，哪怕是 lbit的改动。数据完整性通过使用CRC校验而得到保证。

CRC校验是指循环冗余码校验，它是利用除法及余数的原理进行错误侦测的。发送时计算出CRC值并随数据-同发送给接收装置，接收装置对收到的数据重新计算CRC并与收到的CRC相比较，若两个CRC值不同，则说明数据通讯出现错误，不进行相关操作。

6 结束语智能水表行业的主要产业发展方向之-为预付费智能卡式水表，开发价廉、可靠、易应用的卡式水表是必然的趋势，射频卡的本身特点很适合于这种产品的开发。本文介绍的基于射频卡的预付费智能水表已经在实践中使用，且运行可靠，取得了良好的效益。