基于MSP430F41的IC卡式智能水表工作原理

引言

當(dāng)前水資源缺乏是世界性的難題，水資源短缺將會(huì)成為制約國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素。目前我國水資源形勢(shì)是資源性的短缺與使用上的浪費(fèi)并存，而價(jià)格是資源優(yōu)化配置的調(diào)節(jié)杠桿，因此合理的水價(jià)是節(jié)約用水的關(guān)鍵。

為適應(yīng)國家用水制度的改革，在原有智能水表的基礎(chǔ)上，增加了階梯計(jì)費(fèi)復(fù)費(fèi)率核算功能。水表接收階梯水價(jià)的相關(guān)用水參數(shù)，根據(jù)水表當(dāng)月用水量的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整水表內(nèi)部的當(dāng)前(階梯)單價(jià)，并根據(jù)用水參數(shù)和當(dāng)月內(nèi)的用水量實(shí)時(shí)地核算出水表內(nèi)的剩余金額，方便水表用戶和供水部門的管理。減輕供水部門因“先供水后收費(fèi)”造成的資金壓力和社會(huì)存在的水資源浪費(fèi)，本文研制的IC卡智能水表系統(tǒng)可有效地解決上述問題。

1系統(tǒng)組成及工作原理

基于MSP430F413的IC卡式智能水表組成如圖：

IC卡智能水表是通過計(jì)量及控制流經(jīng)自來水管道水的體積總量來工作的。當(dāng)有計(jì)量脈沖到來時(shí)，單片機(jī)由睡眠轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)，通過微處理器進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)費(fèi)處理：既當(dāng)用戶在單位時(shí)問段(一般按月計(jì)算)用水達(dá)到一定噸限時(shí)，隨著用水量的增加水價(jià)格呈階梯狀上升變化，用水量越多，所使用的水價(jià)就越高。水表接收階梯水價(jià)的相關(guān)用水參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整水表內(nèi)部的當(dāng)前(階梯)單價(jià)，并根據(jù)用水參數(shù)和當(dāng)月內(nèi)的用水量實(shí)時(shí)地核算出水表內(nèi)的剩余金額等用水?dāng)?shù)據(jù)。當(dāng)用戶用水的剩余量達(dá)到預(yù)設(shè)的告警量時(shí)(告警量由水表管理部門設(shè)定)，水表會(huì)自動(dòng)關(guān)閥告警，從而提醒用戶盡快購水。當(dāng)將已充值的IC卡插入水表內(nèi)進(jìn)行充值時(shí)，IC卡水表內(nèi)單片機(jī)首先識(shí)別IC卡密碼并確認(rèn)無誤后，讀入所購水金額并與水表內(nèi)剩余金額累加，水表根據(jù)售水部門的階梯水價(jià)，實(shí)時(shí)計(jì)費(fèi)、定期結(jié)算。結(jié)算后當(dāng)前用水量歸零，總用水量實(shí)時(shí)累計(jì)，并寫入IC卡水表內(nèi)存儲(chǔ)器，進(jìn)而控制電磁閥開啟，充值完畢水表的工作狀態(tài)和充值金額會(huì)在液晶顯示器上顯示，當(dāng)人為拆卸水表或剩余水量低于設(shè)定值時(shí)，水表報(bào)警并及時(shí)關(guān)掉閥門，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部Flash中。

2硬件設(shè)計(jì)

IC卡智能水表的硬件系統(tǒng)主要包括以下電路：微處理器、IC卡接口、液晶顯示器、水表檢測(cè)、電源檢測(cè)、電控閥控制接口及聲音報(bào)警電路等。

(1)微處理器。微處理器是整個(gè)智能水表的核心，它擔(dān)負(fù)著信息判斷、識(shí)別、運(yùn)算、處理等工作。經(jīng)過性能、質(zhì)量、價(jià)格的多方對(duì)比，微處理器選用TI公司的MSP430F413單片機(jī)。該單片機(jī)是一種超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機(jī)，具有豐富的片內(nèi)外圍，工作電壓為1．8V～3．6V，內(nèi)置LCD驅(qū)動(dòng)器24×4段，可以縮小體積、降低成本，它特別適合應(yīng)用在各種要求低功耗的場(chǎng)所，如應(yīng)用在電池或手持設(shè)備上。
(2)IC卡接口。從節(jié)約成本的角度出發(fā)，IC卡接口采用的是復(fù)旦微電子股份有限公司出品的FM4442存儲(chǔ)卡。它采用0．6微米CMOS EEPROM工藝，內(nèi)部有256字節(jié)用戶存儲(chǔ)器，32字節(jié)寫保護(hù)區(qū)及3字節(jié)編程安全認(rèn)證碼。外圍接口遵循IS07816協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(同步傳輸)。充分利用其內(nèi)外部資源，用戶存儲(chǔ)器存儲(chǔ)用戶水量；保護(hù)存儲(chǔ)區(qū)和加密存儲(chǔ)器的編程可實(shí)現(xiàn)IC的個(gè)性化設(shè)計(jì)，提高使用的安全陛。它與單片機(jī)的接口電路如圖2所示：

(3)液晶顯示器。液晶顯示器作為水表的輸出接口，主要作用是輸出水表的各種運(yùn)行狀態(tài)，及相關(guān)數(shù)據(jù)；此外還具有用戶提示的功能。為了降低功耗、節(jié)約成本，在設(shè)計(jì)時(shí)采用的是專門定制的液晶顯示器。其界面如圖3：

液晶顯示器作為水表的輸出接口，除了顯示電磁閥門的開關(guān)狀態(tài)、表內(nèi)剩余金額(當(dāng)余額顯示為負(fù)時(shí)表示水表處于透支狀態(tài))、累積用水量、電池狀態(tài)、本月累積用水量、分段(階梯水價(jià)時(shí)，每種水價(jià)水量的噸限)顯示、單價(jià)(當(dāng)前水價(jià))顯示、當(dāng)前日期及當(dāng)前時(shí)間之外，還兼具了提醒用戶及時(shí)充值的信息及出錯(cuò)信息。

3軟件設(shè)計(jì)

IC卡智能水表軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化處理，主控程序包括：系統(tǒng)初始化、狀態(tài)判斷、流量脈沖和用水量處理、報(bào)警提示和低功耗模式處理等，其中關(guān)鍵是計(jì)費(fèi)處理部分和看門狗的初始化。功能子程序包括：IC卡的接IZl模塊(包括IC卡有效性判斷、讀／寫及IC卡的解密與加密)、計(jì)費(fèi)處理模塊(包括階梯水價(jià)分段計(jì)費(fèi)判斷及處理)及閥門控制模塊等。系統(tǒng)的主程序流程圖，如圖3所示。

圖4主程序流程圖

系統(tǒng)初始化包括對(duì)MSP430F413的堆棧、各端口、中斷、LCD控制寄存器的設(shè)置，從而使CPU能正常工作；系統(tǒng)初始化以后，進(jìn)入低功耗模式，直到有各種中斷情況將其喚醒，再進(jìn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序。

4系統(tǒng)功能

設(shè)計(jì)和研制出的IC卡式智能水表，除了集預(yù)付費(fèi)、階梯水價(jià)計(jì)費(fèi)、故障檢測(cè)等功能于一體外，還兼具以下特殊功能：

(1)自動(dòng)告警功能：當(dāng)剩余水量用至設(shè)置的告警量時(shí)，水表將自動(dòng)關(guān)閥，切斷水源，提醒用戶購水。
(2)透支功能：當(dāng)剩余水量用至設(shè)置的透支量時(shí)，水表將自動(dòng)關(guān)閥，切斷水源；此時(shí)，只有將“用戶卡”重新充值購水，才可使水表閥門開啟。
(3)自動(dòng)保護(hù)功能：當(dāng)水表遭遇磁干擾，水表將自動(dòng)關(guān)閥；同時(shí)，水表將各種干擾狀態(tài)記錄在案。水表設(shè)有防拆裝置，當(dāng)遇到自行拆裝的情況時(shí)，將進(jìn)入鎖定狀態(tài)。
(4)電池欠壓提示功能：當(dāng)電池電量低時(shí)，控制器將自動(dòng)關(guān)閥，切斷水源，以提醒用戶更換電池；同時(shí)將剩余水量和實(shí)際用水量的記錄數(shù)據(jù)予以鎖定，更換新電池后，原用水信息數(shù)據(jù)不變。
(5)可隨時(shí)提供累計(jì)用水量、本月用水量及可用水量。為了便于用戶及時(shí)掌握用水情況，在使用過程中隨時(shí)可插“用戶卡”查看“累積用量”、“剩余量”、“單價(jià)”、“當(dāng)月用量”。

5結(jié)論

本文研制的智能IC卡式水表已經(jīng)研制成功并投入生產(chǎn)，該水表集預(yù)付費(fèi)、階梯水價(jià)計(jì)費(fèi)、故障檢測(cè)、告警功能等功能于一體，具有讀數(shù)清晰、計(jì)量準(zhǔn)確、管理控制方便等特點(diǎn)。并且水表內(nèi)部具有用水的價(jià)格參數(shù)使口當(dāng)前單價(jià)、階梯水價(jià)等)和準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘傭作復(fù)費(fèi)率核算的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn))，更重要的一點(diǎn)是充值時(shí)是按金額為單位進(jìn)行充值，而不是按水量來充的，避免了充值時(shí)存在互相轉(zhuǎn)換和找零的麻煩，有效的提高了居民用水計(jì)量收費(fèi)管理的現(xiàn)代化水平，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果。本文創(chuàng)薪點(diǎn)：在原有智能水表基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了階梯式水價(jià)計(jì)費(fèi)和故障檢測(cè)等功能。有效解決當(dāng)前收費(fèi)和節(jié)約用水等問題。