（电力电子与电力传动专业论文）红外遥控与阶梯式预付费水表方案.pdf

北京交通大学硕士学位论文 ar e s e a r c hf o ri n f r a r e dr e m o t e c o n t r o l a n dl a d d e rp r i c eo f p r e p a i df e e 硌l t e rg u a g ed e s i g n e n t e r i n g 2 1 8 1 c e n t u f y e c o n o m i z i n go nw a t e rb e c o m e sa n e x t r e m e l yu 曙e n ts o c i a lc o n c e f n ，t h em a n a g e m e n tm o d eo fl a d d e r p r i c ea n dp i p a i df 色eh a se n t e r e da l lt r a d e sa n dp r o f e s s i o n st o o n i s p a p e ri l l u s t r a c e sa ni n f r a r e dr e m o t ec o n t r o la n dp r e p a i d f e ew a t e r m e t e r w h i c hu s eu n t o u c h e di n f r a r e dr e m o c ec o n t r o l c a r dt o c o m m u n i c a t ew i t ht h ew a t e rm e t e ra n dt h ea d m i n i s t r a t i v es y s t e mo f t h e p r o p e ny _ r e a l i z i n g t b el a d d e r t y p e o f p r i c e a n d p r e p a i d m a n a g e m e n t h a v i n gs u c hc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl o wc o n s u m p t i o n a n dh i g hd e p e n d a b i l i t ye t c t h em a i n d e s i g no ft h es y s t e mc o m p o s e st h ec i r c u i to fi n f r a r e d 北京交通大学硕士学位论文 c o m m u n i c a t i o n ，t h ep o w e rc i r c u i t ，t h em e t r i cc i r c u i t ，t h er t cc i r c u i t a n d 抽er e a d w r i t ei m p l e m e mo fp c e t c ，b c c a u s eo fr e n d e r i n gt h e i n f r a r e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，t h ew a t e rm e t e rd e s i g nh a sm o r e r c l i a b i l i t yt h a nt h et o u c h e d c 删t y p em e i e r n ep cs o 胁a r ei s d e s i g n e dw i l h d e v e l o p i n gs y s t e m ，w h i c hi si nc h a 唱eo ft h e i n f o n n a t i o ne x c h a n g ev i at h ep cs e r i a lp o r t i 【e yw o r d s ：i n f r a r e dr e m o t ec o n t r 0 i t e c h n i q u e ，p r e p a i df e e w a t e rm e t e r ，l a d d e rt y p eo f p r i c e ，p cs e r i a lp o n i i j 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 一、目的和意义： 我国是一个人口众多，水资源严重短缺的大国，由于水资源不可再生， 水资源的短缺己经对我国、尤其是北方地区的国民经济和居民的日常生活 构成了严重的威胁。合理用承、节约用水是保护日益减少的水资源的根本。 水利部副部长敬正书说：“目前，我国从整体上看水价普遍偏低，同时存在 水资源严重浪费和利用率较低的问题。在今后的永价体制改革中，必须通 过价格杠杆提高水资源的利用率。” 为了更好的利用价格杠杆节约用水、杜绝浪费、提高水资源利用率， 我国于2 0 0 2 年1 0 月1 同起实施了新的水法，新水法规定用水实行 “超额累进加价制度”，所谓“超额累进加价”，正如敬正书副部长说的： “根据实际情况和水资源的供需情况、现有水价状况等，各地将逐步核定 不同的基本水价，以保证居民的基本生活用水，而超出基本定额的用水， 将被征收较高费用”。即每月的用水，将根据用水量的不同，收取不同的 费用，每月的水价由阶梯式价格组成，如：平价水2 元吨，每月限量3 吨： 议价水5 元吨每月限量2 吨，超出5 吨后，水价为1 0 元吨。这样就通 过价格杠杆，实现用水限量，超额累进加价从而达到节约用水、杜绝浪费、 提高水资源利用率的目的。遗憾的是，虽然新水法从0 2 年1 0 月开始 实施，但到目前为止，全国还没有一个地方开始真正执行，因为新水法 虽然很好，但目前的水表和人工管理根本无法实现上述功能，例如整月定 时抄表功能。因此，研制一种能实现上述功能的智能水表，来保证新水 北京交焉大学硕士学位论文 法的实施执行，不仅十分必要，也十分急需。不仅具有极好的经济效益， 同时也具有极好的社会效益。 二、市场前景 阶梯式预付费水表作为新型的智能仪表，同时具有阶梯式水表和预付 费水表的功能，具有阶梯式水表的“超额累进加价、按月定时抄表”功能 和预付费水表的“先买水，后用水；不买水，不用水：买多少，用多少。” 功能。因此阶梯式预付费水表的研制成功，为我国新水法的实施提供 了技术支持，也使水成为了真正的商品，适应了商品经济社会的需求。新 水法作为强制性法规，必须严格执行，也就是说只有我国新上的水表 使用阶梯式水表、现有的水表全部换成阶梯式水表，才能保证新水法 的真正实施、执行。 目前，我国在线的水表大约有上亿只，每年新安装的水表也大约有上 千万只。预付费水表为购水制的实施提供了技术支持，也较好地解决了拖 欠水费现象，因而深受供水部门和物业管理部门的喜爱，目前，我国的许 多城市( 如哈尔滨、大庆、长春、大连、北京、宁波、西安等) 己经开始 使用了预付费水表。显见，阶梯式预付费水表由于同时具有阶梯式水表和 预付费水表的功能，并可方便提供集抄和分立两种产品类型供用户选择， 因此，具有极其广阔的市场前景。 三、关于红外i c 卡阶梯式预付费水表 到目前为止，己有的预付费水表普遍存在的一个最大缺点就是大都采 用接触式i c 卡，卡口外露，使用户可利用该卡口对产品进行恶意攻击( 如 采用高压静电干扰、交流电加入等方式) ，使产品的电子部份损坏，又不留 痕迹，达到窃水的目的。卡口外露的另一个缺点是：当使用一段时间后， 由于使用环境的影响，会在卡口内出现水气等，使卡口的可靠性降低。本 北京交通大学硬士学位论文 产品采用红外非接触i c 卡，整个产品密封，大大提高了产品的可靠性。 ( 一) 阶梯式预付费水表的基本功能： 1 、按钱预付费功能( 最多为9 9 9 9 9 9 元) 。 2 、限购功能( 由管理部门设定) 。 3 、预设五阶梯价格( 平价1 、议价4 ) ，阶梯的价格任意设定及变动。 4 、按月定时抄表( 每月月初的零点) 。 5 、自动提示购买功能：当表中的剩余钱数低于某一设定值时，提示用 户尽快购买，以免断水。 6 、自动关阀功能：当剩余钱为零时，欠压时，由控制设备自动关阀。 7 、产品完全符合c t t1 3 3 2 0 0 l i c 卡冷水水表标准。 8 、汉字显示直观、明确，剩余钱和所用水量显示到小数点后两 位。 ( 二) 分立阶梯式预付费水表其他特点： 1 、本产品采用非接触式红外i c 卡作为信息传递媒介，信息双向传输， 全封闭、无卡口，提高了产品的可靠性，从根本上杜绝了人为的攻击及灰 尘、水气等问题。 2 、采用| 白j 断方式工作，其静态功耗小于l m ，相比其它工作方式，其 产品的寿命更长、功耗更低、抗干扰能力更强。 3 、一户一卡，卡号与表号对应。 4 、购水卡可重复使用，使用寿命1 0 万次以上。 5 、采用先进的动态的数据加密技术，防伪性更好。 6 、安装时不用记录表号，由遥控卡自动实现表、卡的对应，极大地方 便了用户的安装、使用。 7 、用户可随时使用i c 卡查看表内的剩余钱数和所用水量。 北京交通大学硕士学位论文 四、国内外相关行业状况 到目前为止，市场上的预付费水表同类产品多为卡式接触，同这些产 品相比，由于该产品采用非接触式红外i c 卡及间断方式工作，因此，具有 更好的抗干扰能力和抗人为攻击的能力，有极高的可靠性。 1 2 我国的水资源现状 “水是人类的生命之源，如果我们不珍惜用水，那么世界上最后一滴水 将是我们的眼泪。”，水是与人类关系极为密切的自然资源。合理用水、节 约用水是保护日益减少的水资源的根本。水表的应用，满足了用水量的计 量要求，为明确用水用户和供水单位之间的经济关系提供了一种尺度。 在经济不发达的过去，水资源短缺的矛盾没有显现，所以水价极低， 多户居民使用一个水表计量，有的地方根本就没有安装过水表，所以水资 源浪费严重，逐渐形成习惯。随着社会不断发展，人们对水的需求越来越 大，但环境污染日益加重，地下水过度开采，水资源日渐短缺，我国半数 以上的城市处于严重缺水状态，水的商品价值充分显现出来。节约用水、 以价格手段调节自来水的供应已经提到议事日程上来。淡水资源的有效、 合理开发及利用水资源己成为世界性的课题。在国内多数城市都面临严重 缺少水资源的情况下城市自来水供给与有效管理变得更加重要，对水量计 量的要求也越来越高。如今我国自来水行业发展中面临着以下一些问题： ( 1 ) 淡水资源日益匮乏：我国是一个水资源贫乏的国家，据2 0 0 3 年 统计，我国水资源总量为2 8 1 2 4 亿立方米年，居世界第6 位。人均占有 水量为2 4 0 0 立方米，是世界人均水平的1 4 ，居世界第1 1 0 位，属缺水国 家。目前，我国有1 4 个省、自治区、直辖市的人均水资源拥有量低于国际 北京交通大学硕士学位论文 公认的1 7 5 0 立方米用水紧张线，其中低于5 0 0 立方米严重缺水线的有北京、 天津、河北、山西、上海、江苏、山东、河南、宁夏等9 个地区。随着人 类社会的不断进步，工业化进程的不断加快，人类对水资源的浪费、污染 也同趋严重，当前可饮用水资源变得越来越馈乏。据联合国环保组织统计， 全球淡水消耗量自2 0 世纪初以来增加了6 7 倍，比人口增长速度快两倍， 目前全球平均每5 人中就有一人缺水。面对如此严重的全球性水荒，世界 各国纷纷寻找适合国情的有效方法。 ( 2 ) 城市建设给用水管理带来极大压力：随着城市建设的快速发展， 城市人口和高层建筑也在不断增多，给城市供水及用水管理带来前所未有 的压力。一方面要改造或扩建供水管网，投入大量的基础建设资金：另一方 面，又要增加抄表、收费及其他的管理人员，使城市的供水及管理任务只 渐繁重。因此，传统的先用水后缴费、人工抄表、水费定期结算的管理 模式，己越来越不适应现代社会发展的需要，用科技手段改变现有的落后 的供水管理模式己势在必行。 ( 3 ) 用水欠费对行业发展的制约：由于社会文化及地区经济发展的不 平衡，有偿使用水资源及自觉缴费意识不够，水是商品的意识日日日还未深 入人心，国内多数城市仍面临用水收费困难、用水纠纷等问题。用水欠费 对中、小城市的供水部门的经营管理己达到制约其发展的程度，因此，管 理部门也对城市供水及管理的技术投入无能为力，形成自来水行业在高技 术引进管理方面相对其他行业落后的局面。 综上所述，基于传统机械计量表具而建立的传统供水及管理模式，难 以适应社会进步及经济发展的需要，要改变目前自来水行业管理相对落后、 北京交通大学硕士学位论文 的局面，就必须寻求有效管理水资源、高效率的管理模式。社会、经济和 技术的迅速发展，必然要带动自来水管理体制的变革。引进现代高新技术， 提高自来水行业的管理效益，是必由之路。自来水行业的管理模式是基于 计量表具而建立起来的，因此，变革管理模式，必然首先要变革计量表具， 再结合计算机技术、网络技术、信息技术，才能从根本上变革管理模式， 提高管理效益就国内目前面j i 蠡的主要问题来看，首先应解决抄表与收费 难、工作量大的问题。 1 3 现行水表抄表收费模式简介 。 现行用户水表的抄表收费模式主要包括以下几种： 人工抄表收费方式：为用户安装普通计量水表。按固定的时间由管理人员 上门抄表和收费。需要管理人员多，存在着工作量大，收费周期长，收费 困难，效率低下等缺点。优点是计量仪表成本低，采用付费方式容易被用 户接受。 掌上机抄表收费方式：技术不够先进，成本底，易于维护和推广。适合 于表计分散住户及无法实现远程抄表的各类用户。 无线通信抄表收费方式：频点选择要慎重，并须申请频点使用权，成本 高。 自动抄表收费方式( 低压电力线载波抄表、电话线通信抄表等) ：为用户 安装具有通信能力的计量仪表，通过通信网络系统自动完成用户计量仪表 的数据抄收，再通过金融网点方式以自动或人工方式完成缴费。这种方式 技术难度高，设备复杂，通信网络建设及维护成本大：优点是利用现在的通 信线路设备，而且自动化程度高，节省人力，并很容易实现系统的实时监 控。 北京交通大学硕士学位论文 i c 卡预付费收费方式：是一种新型抄表模式，为用户安装具有i c 卡接口 的计量仪表，通过i c 卡作为传输介质，在用户和管理部门之间传输信息， 自动实现计量仪表的抄收以及缴费工作。这种方式成本较高，缺点是信息 传输不及时，同时让用户充当了信息通道的角色，未体现管理部门服务的 宗旨。优点是实现了抄表、收费、控制的三位一体，彻底杜绝了欠费现象 的发生，管理人员和管理费用少。 1 。4 预付费智能水表的发展 一、预付费水表的发展 为解决抄表难、收费难的问题，从1 9 9 4 年开始，一些自来水公司开始 引入“预付费水表”，并逐渐在“一户一表”改造中采用。出于“预付费水表” 使用标志性的新技术l c 卡”作为预付费数据的交换载体，从而诞生了“i c 卡 水表”的这一新概念，并且沿用至今，为此，建设部还制订了l c 卡冷水水 表行业标准。 i c 卡：是集成电路卡片的总称，分“接触式i c 卡”和“非接触式i c 卡”。 接触式l c 卡有“存储卡”、“加密卡”、“c p u 卡”等：非接触式i c 卡也叫“射 频卡”或“r f 卡”。l c 卡水表，只是预付费水表的种，因此，建设部或国 家有关部门应该制订预付费冷水水表和预付费热水水表标准。 除采用l c 卡作为交换载体实现水表的预付费控制外，还可以通过在水 表上输入密码实现“无载体”的预付费控制，也可以通过线路遥控、红外遥 控、无线遥控等多种方式实现预付费控制，因此，正确的定义应该是：预 付费控制水表。 所谓“预付费智能水表”，就是实现用户凭用户卡缴费预先购水，再 将卡内预购水量( 或金额) 输入水表内，自动限额供水的管理模式的计量表 北京交通大学硕士学位论文 具，体现了有效控制用水、及时回收资金、高效管理的管理模式。从目前 国内预付费卡式水表开发的情况看，主要有两大类：一类是i c 卡预付费智能 水表，第二类是t m 卡预付费智能水表。 i c 卡智能水表，是采用i c 卡为预购水量的信息载体。开发i c 卡智能水表 的企业最多，如合肥迪普电子科技开发的纯净水智能水表，北京德嘉兴 业科贸有限公司生产的p 唧一l 型i c 卡预付费水表，福州水表厂研制的i c 卡水表，河南生茂光电科技股份有限公司研制的l c 卡水表等： t m 长智能水表，是采用美国d a l l a s 公司独家开发的一种信息载体，也属 于i c 卡类信息卡，又名“触击式存储器”。其具有独特的不锈钢纽扣电 池型外包装，可有效地防潮、防尘、防火、防磁、防振、防机械损伤 等，具有l c 卡所不具有的物理、化学特性，是第四代高级产品。 由于t m 卡及其计量表具的技术优越性，在市场产品数量及市场占有率 上，t m 卡智能水表居于领先地位。现在的t m 卡生产厂家也很多，有河 北华腾科技有限公司( 原洪通科技) ，福州市恺力华数码科技有限公司， 有伟华专利集团等等。 二、预付费水表市场现状 经过十多年的发展，预付费水表在全国已形成“星星之火可以燎原”之 势，无论东部发达省份还是西部欠发达地区，到处都可以看到预付费水表 的身影。随着_ 户一表”改造和实行“阶梯水价”的需要，预付费水表更加显 现出所存在的巨大商机。 用水管理自动化是大势所趋，可以实现居民用水由福利型向受益者个 人承担的方向转变，铲除用水“大锅饭”影响社会安定的因素，用户用多少 买多少：有利于供水企业资金良性循环，从根本上解决因资金回收困难影 响城市供水事业发展的问题：有利于提高节约用水意识，缓解城市供水紧 北京交通大学硕士学位论文 张状况，合理调配水量，确保人民群众生产生活需要：堵塞管理漏洞，杜 绝不正之风，降低劳动强度，减少中间环节，提高企业经济效益。 为了推动预付费水表发展，全国有许多研究机构都投入力量对预付费 水表产品进行开发和研究，很多自来水公司也积极参与了此项开发工作并 成功的开发出了自己的产品。从理论角度看，预付费水表已经进入了成熟 期。 但是，为什么现在预付费水表推广工作还很困难呢? 调查表明，有着巨大市场需求的预付费水表，却没有在我国成建制成 规模推广，所看到的热火朝天推广预付费水表的现象，只不过都是在新建 住宅小规模试点，并且试点结果部不尽人意，从实际情况看，现在的预付 费水表确实还存在着许多影响其大规模推广使用的问题，这些问题主要表 现在：1 存在安全隐患：2 价格太高；3 质量不可靠。 以上三个方面所产生的问题，已经严重影响了预付费水表事业的健康 发展。 北京交通大学硕士学位论文 第二章智能水表的一些技术介绍 2 1 预付费水表的基本结构 2 1 1 预付费智麓水表的基本组成 预付费水表的基本特征和预付费控制器的三个基本要素： 1 、预付费水表的基本特征：计量基表( 水表) + 预付费控制器； 2 、预付费控制器的三个基本要素：获取计量数据的传感器、切断控制、 数据交换；这也是预付费水表的三个关键技术。 3 、预付费控制器由中央控制器协调，实现计量核减、预付费数据交换、 切断控制，数据显示和通讯接口是必要的，电源提供是必须的。 预付费水表是一种利用现代微电子技术对用水量进行计量及结算交易 的新型水表。预付费水表除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以 按照约定对用水量自动进行控制。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，并且计算准确，具有可利用银行进行结算的 特点。一个预付费水表的基本结构如图2 一l 所示： l 电源提供3 6 vi j r 采 _ 一帜一m c u 样 侍 感 器 图2 一l 预付费水表的基本结构图 f i g 2 lt h ea f c h i t e 咖mo f p n - 呻f 曲w a t e r - m e t e r 北京交通大学硕士学位论文 目前为止，国内的预付费水表基本上是在普通传统计量仪表上附加预 付费控制器实现的。 2 1 - 2 预付蒉智能水襄的基本功能 1 、从管理部门的角度看，i c 卡水表应当具备如下一些基本功能。 1 ) 统计功能。最好是采用每个月进行一次统计的方案。比如，每个月 的最后一天，水表会将本月份的用水数据进行汇总并进行存储。当用户将 i c 卡插入( 或感应) 水表时，这些数据会自动回写到i c 卡卡片上并通过卡 片回写到计算机内。水表应当可以存储用户十年中每个月的用水量。这个 功能对于供水部门系统掌握用户用水的情况具有十分重要的意义。 2 ) 欠费记录。当水表出现故障或其它意而外导致阀门在没有金额的情 况下还处于丌启状态时，水表可进行欠费记录，包括用水量的增量记录和 所欠水费的增量记录。该记录也应当可以通过卡片回写到计算机上。但这 个功能不是必须的。 3 ) 基础水量和超计划用水管理设定功能。某些自来水公司出于某种原 因。会提出基础水量的设置要求，该基础水量的含义为当用户的用水量 没有达到基础水量时，按基础水量进行计量和收费。当超出基本水量，超 出的水量可按高于基础水量计价和收费。 4 ) 一户一卡的功能。通过设立用户密码和用户校验码的方式实现一户 一卡。即一个水表只能使用一个用户专用卡，其它卡片无效。这对提高水 表使用的安全性具有帮助。 5 ) 补卡功能。用户的卡片有丢失的可能性，遇到这样的情况时，可以 进行补。此时会发生两种可能性：一是卡片中没有金额时丢失，一是卡片 中含有金额时丢失，这两种情况都给予了考虑。补卡通过管理软件进行作 k 。 北京交通大学硕士学位论文 6 ) 三种卡或者四种卡的设置方案。三种卡是指初始化卡、时钟化卡和 用户卡。以上三种卡的功能和作用一般为： a ) 初始化卡：其作用是对水表进行初始化操作，使水表程序处于起始 状态，所有数据清零。在此状态下，管理部门可以对水表进行重新时钟化 处理和开户处理。当然，还可以增加其它功能。 b ) 时钟化卡：其作用是将日历时间通过卡片写入水表。同时，操作由 时钟控制的部分子程序。 c ) 用户化卡：其第一个作用是在第一次插卡时将用户化数据写入水表 中以实现一表一卡。用户化数据是指用户的姓名、地址、用户号、电话、 购水次数、购水金额、购水单价、超计划用水水量、超计划用水单价、报 警金额等。第二个作用是传递购水金额，实现用水交易第三个作用是将 水表中的相关数据回写到卡片上，并通过卡片传递到计算机的管理软件中。 当然，还可以设置其它功能。 另外，从保护性和安全性角度看，还应有如下功能： i ) 阀门定时开闭功能。阀门定期开闭有利于阀门的长期正常工作。 2 ) 防磁性干扰功能。磁性材料由于有成本低廉的特点，所以被广泛采 用。但磁性材料比较容易受干扰，因此应当加以考虑。智能i c 卡水表在遇 到磁性物质干扰后，应会将阀门作关闭处理，关闭的时间和开启的时f i 白j 可 以根据需要进行设定。当然也可以通过采用非磁性信号方式来解决这个问 题。 3 ) 卡座抗攻击保护功能。当有人将金属类具有破坏性的卡片插入卡座 时，应不会对水表的正常使用产生影响，包括电量消耗。在智能水表中， 接触式i c 卡及卡座的电极触点是裸露的，致使采用这种方式的水表在潮湿、 灰尘、油污、烟雾等环境下的故障率大大提高，使水表不能正常工作。假 北京交通大学硕士学位论文 如用户将导电材料( 薄铁片、铜片等) 插入卡口，将会造成电源短路，烧 毁表内器件，不能自动关阀，这样不必买水，就可长期使用。因此，大量 非接触式卡开始了广泛应用。 4 ) 掉电自动保护数据功能。掉电后，数据依然可以被保存。当恢复供 电后，数据自动恢复，因此，用水记录一般用e e p r o m 保存，每次主动初始 化时从e e p r o m 恢复数据。 5 ) 欠电自动关闭系统的功能。当电池电压或电池容量掉到规定数值后， 意味着电池可能已经快没有电了，此时，水表应会自动将阀门关闭并使系 统处于休眠状态，并显示相应信息和提示。 6 ) 防拆卸功能。应在表体和接头管件上设置铅封口并可进行防伪铅封 处理，以防止随意拆卸水表的行为。 当然，可以根据需要设置其它功能，从技术角度讲，智能i c 卡水表可 以设嚣很多功能。 2 1 3 阶梯水价( 分段计费) 介绍 国家计委、财政部、建设部、水利部、国家环保总局联合推出的城市 供水价格改革政策措施经国务院批准已进入实质性措施推进。明确提出： “各省辖市以上城市在2 0 0 3 年底以前、其他城市在2 0 0 5 年底以前对居民 用水实行阶梯式计量水价”的目标要求。 随着我国水资源的日益紧缺，节水管理是必然趋势。城市供水“一户 表，抄表到户”计量用水到户是国家宏观节水管理的法规性强制政策。 最终目的是实施“定额平价，超额高价”的水费分段计价。以价格为杠杆 调动全民的节水意识，推行阶梯式水价成为国家城市供水价格改革、建立 有利于节约用水价格形成机制的核心。 阶梯计费又叫分段计费。是指根据用户不同的用水量来设定多种不同 北京交通大学硕士学位论文 的价格，用水越少，价格越低。鼓励用户节约用水，是保障用户节约用水 的一种重要手段，它是按照用户的用水习惯，限定了一个月内若干段的用 水量。当用户在一个月内的用水量低于该段的限量时，水表将按该段的水 价计费；当用户在一个月内的用水量高于该段的限量时，水表将按供水部 门的标准自动调到下一段水价，用水量超过的部分将按照这段水价计费： 当本月结束时，水表将水价自动恢复到第一段水价。在表具内自动完成分 段计费策略。 分段计费一般可以设置为三档：第一档为奖励( 鼓励) 价格，比一般 正常水价低，以鼓励用户节约甩水；第二档为正常价格，按照标准的水费 收取；第三档为限制价格，价格可以比正常价格高很多，以限制用户浪费 水的行为，随着用水节水方案的改进，分段会呈多变的趋势。 现在我国越来越多城市都采用了阶梯用水价格以缓解城市用水紧张的 状况，有些城市的限制价格高达4 0 元门屯。国家有关政策也在往这方面倾 斜：未来几年内，各省会城市都将实行用水复费率，分段计费政策。“阶 梯计费”涉及人均定额用水、家庭人口、定额计价、超额计价等计费因素。 出单纯的用水计量、计价改为依据一定的时段、用水定额分段计量、分段 计价。使传统的收费管理更为繁杂。 最早的阶梯计费技术并不成熟，实际上是假的，实行的是在表具外分 段计费，它通过上位机软件对水表每月返回充值点的信息进行分段计费处 理，然后根据用户的每月用水量来决定该用户在本月该收多少钱，对用户 的预付费还要进行弥补差额。用户在实时的情况下，根本就不知道自己什 么时候用了多少钱? 无法提醒用户节约用水，无法做到明白消费! 而且还 涉及到每个月有没有剩余水量? 剩余水量是否可以顺延? 阶梯计费换算过 程是否会有人捣鬼? 谁来监督物业阶梯计费换算人员等等? 具有滞后性、 北京交通大学硕士学位论文 错误性，使得用户难以信任，引发矛盾。这即不方便用户，也不方便管理 部门。 真正的分段计费应该是在表具内内置分段计费策略，由水表自动完成 分段计费，这样的分段计费对用户、对管理部门才有意义。也就是说，阶 梯计费的实现应该全部在水表内由计算机自动完成。用多少水一目了然， 用多少钱一日了然，看着钱哗哗在往外流，又没有人捣鬼，自然心疼! 而 且非常清楚的看到水价越来越高，钱流的越来越快，自然更心疼! 哪有不 节约用水的道理! 2 2 用水计量信号采集模块介绍 红外遥控水表的水量计量装置是一种能量转换装置，它把水表的机械 读数转换为电信号，使得单片机系统可以直接对计量信号进行处理，真正 实现水表计量的智能化。这里采用的能量转换装置为电输出处理装置。通 常采用的电输出处理装置有三种： 光电输出 霍尔效应输出 干簧管输出 此外，随着科学技术的不断发展，新型的采样传感器不断出现，但成 本较高，比如有涡轮传感器，还有光纤传感器等，随着成本的降低，它们 将在流量计上有着越来越广泛的应用。 下面是各种流量计信号输出处理装置比较： 一、光电输出 光电传感器是一种利用光电效应原理将光信号转变为电信号的元件 北京交运大学硬士学位论文 当光照射至特定物体上时，特定物体发射电子、导电率发生变化或产生电 动势，这种因光照引起的物体电学特性的改变统称为光电效应。光电传感 器的发光器件与光敏器件集成在一起，加在发光器件的电信号使其发光， 接收器件受光照射产生光电流使输出端产生相应的电信号。光电式传感器 不受水表本身磁场及外界磁场的影响，并在结构设计上己消除外来光的干 扰，信号输出保证稳定可靠：但由于其功耗大，因此对电源要求较高。 二、霍尔效应输出 霍尔传感器利用磁场作为媒介可以测量很多物理量，如位移、振动、 力、转速、加速度、流量、电流、电功率等。它不仅可以实现非接触测量， 而且不从磁场中获取能量，在很多情况下可以采用永久磁铁产生磁场。 开关型霍尔元件内部由霍尔传感器、放大器、稳压恒流电路、整形电路【施 密特触发电路) 及集电极开路输出等部分组成，输出高、低电平信号。霍尔 传感器的工作原理为霍尔效应。在厚度为d 的半导体基片垂直方向设里磁 场b 沿纵长方向通过电流i 时，在基片的两侧之问垂直于电流和磁场的方 向上便产生电势差，这种现象为霍尔效应，所产生的电势差为霍尔电压。 霍尔元件一种类型为普通开关型，当外加磁场强度超过规定工作点时输出 变为低电平，当外加磁场低于释放点时。输出高电平( 一般高、低电平转变 所对应的磁感应强度不相等而形成磁滞，磁滞特性使开关动作更可靠，并 可防止干扰引起误动作) ：另一种类型为“锁键“开关型，当磁感应强度超 过工作点“开”时，其输出导通，而在磁场撤消后，其输出状态保持不变， 必须施加相反极性的磁场且磁感应强度超过释放点时使其关断具有自保 持特性，因此外界磁场的干扰不会使开关状态发生变化，达到主动消除外 界磁场干扰的效果 三、干簧管传感器 北京交通大学硕士学位论文 与光电传感器相比，霍尔传感器受灰尘干扰小得多，而且无机械磨损、 寿命长。霍尔元件属无触点式敏感元件，与干簧管相比，避免了干簧管的 “疲劳”缺陷，工作更加迅速可靠，但其需要有电源功耗较大。 在以上三种能量转换装置中，静态维待电流最小的就是干簧管传感器， 干簧管型基本原理是：在普通转盘计数的表计中加装干簧管和磁铁，干簧 管固定安装在计数转盘附近，磁铁安装在计数盘位上，当转盘每转一圈， 磁铁经过干簧管一次即在信号端产生一个计量脉冲。在干簧管两触点不接 触时，静态维持电流接近为零，仅在两触点接触的瞬间有微小的消耗，可 见在红外水表中选用干簧管传感器将大大降低系统的功耗。 触点式干簧管分常开式和常闭式。干簧管是由一对磁性材料制造的弹 性舌簧组成，密封在充有惰性气体的玻璃管中，两舌簧端面互叠但留有一 条细间隙( 常开式) ，当磁场施加于开关上使舌簧磁化，一舌簧在触点位置 上生成n 极，另一舌簧触点生成s 极，若生成的磁场吸引力克服了舌簧弹 性阻力，干簧管的两舌簧被吸引力作用接触导通，电路闭合，一旦磁场力 消除，因弹力作用使舌簧又重新分开，电路断开。 干簧管传感器被封装在玻璃管内进行千式接触工作，因此它能几乎工作 于任何环境( 如对湿度无影响) ： 使用寿命为1 0 8 次，开关时间为l m s ； 干簧管开关的触头在导通时有极低的导通电阻，典型值低到5 0 m o ，而 霍尔效应传感器可能有上百欧姆； 干簧管传感器能直接开关信号范围从几纳伏到干伏，电流从微安到安， 频率从直流到6 g h z ，霍尔效应器件输出范围是很受限制的； 干簧管传感器提供磁灵敏度有个较大的范围： 干簧管传感器对温度环境没有影响，典型的工作温度范围从一5 0 9 c 到 北京交通大学硕士学位论文 + 1 5 0 ，无特别附加条件、限制或费用。霍尔效应传感器工作温度范 围有限制。 由于干簧管工作原理简单、功耗低，而且结构紧凑、重量小、价格低， 能够安装在极度有限的空间，因而被各远传水表生产厂家采用。但干簧管 传感器存在下列缺点： 属机械触点式微动开关，当于簧管吸合次数频繁或吸合次数增多，不可 避免会产生磨损及金属疲劳，干簧管工作可能失效，出现接触电阻变大 或无法再次吸合、吸合后无法弹开、漏吸等现象，使用一段时间后，必 然产生信号畸变； 千簧管在外磁干扰影响下将始终处于闭合状态( 常开式干簧管) ，工作磁 铁的作用不会使它产生反应：干簧管本身存在致命弱点一抗抖动性差， 而水表的工作环境一般较电表、煤气表差，水压变化或水中含有空气， 水管震动将使于簧管在临界感应点“抖动”，发出误动作信号。 四、渭轮传感器 涡轮传感器是在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑。当流体通 过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和 流体阻力矩而产生旋转。在一定的流量范疆内，对一定的流体介质粘度， 涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。由此，流体流速可通过涡轮的旋转 角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量。涡轮的转速通过装 在机壳外的传感线圈来检测。当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁 力线时，就会引起传感线圈中的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通周期 变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的 脉冲信号，送入单位换算与流量积算电路得到并显示累积流量值；同时亦 将脉冲信号送入频率电流转换电路，将脉冲信号转换成模拟电流量，进而 北京交通大学硕士学位论文 指示瞬时流量值。 涡轮传感器有很多优点，准确度高，量程比宽，适应性强，涡轮流量 计输出为与流量成正比的脉冲数字信号它具有在传输过程中准确度不降 低、易于累积、易于送入计算机系统的优点。 此外还有更加新型的光纤式传感器，在此不作介绍。 干簧管传感器的具体应用原理 在系统的设计中，考虑到低功耗的特点，我们选用干簧管传感器，在 使用该传感器时，要注意扬长避短，充分发挥干簧管传感器的特点，达到 系统的总体要求，干簧管的典型应用是一端接电源，另一端串接一个限流 电阻以后连接到处理器的输入引脚，此时输入引脚为低电平。有水流过时， 叶轮转动，带动外齿轮上的小磁钢旋转，当磁钢经过干簧管时，干簧管将 关闭，处理器的输入引脚变成高电平，发出一个脉冲信号，这样通过引脚 高低电平的转换达到水量计量的目的。干簧管开关的时间较长( 1 m s ) ，其相 应速度有时无法跟上叶轮的转速因此，叶轮的转速经蜗轮减速后传递给干 簧管。在红外遥控水表设计中，为提高计量精度，保护消费者和自来水公 司的权益，在水表上常安装两个干簧管。采用两个千簧管的目的是为了减 少由于干扰或抖动所带来的误计数情况，并可对干簧管的状态进行有效的 监控，以防止人为外加一强磁场而偷水。 双千簧管传感器工作原理为：在水量指针上加多一个磁钢，而将原在 安装在指示盘上的干簧管，再在传感电路上加装一个自保持感应开关，在 正常用水的情况下，指针的一个磁钢a 转到与其相对应的干簧管 l 位置上， 干簧管a 1 将闭合发出一个信号，住自保持开关打开，当磁钢转离干簧管a l 位置时，自保持开关仍然处于“开”的状态，当另一磁钢b 又转到与其相 对应的干簧管b 1 位置上，干簧管b i 闭合发出一个信号，使自保持开关关 1 9 - 北京交通大学硕士学位论文 闭，磁钢b 离开于簧管b l 位置时自保持开关又保持“关”的状态，周而复 始，当自保持开关一次才发出一个信号通过水表外置导线传给i c 芯片，使 其改变用水量，单独a l 多次闭合都使用保持开关的状态改变，也就是说不 会有信号传入i c 芯片，使用水量改变，有效地防止了临界点颤动误发信号 的现象，而且在水表内加装有隔离罩，有效防止外部或内部磁场干扰使自 保持开关状态发生变化。 以下是对一个干黄管计数方式与两个干簧管计数方式的对比：一个干 簧管( 干簧管 ) 计数方式：a 闭合 断开，计数加一：当于簧管a 受干扰 或线路出现短路时，计数就会出错或无法进行正常工作。 两个干簧管( 干簧管a ，干簧管b ) 计数方式：a 闭合 断开b 闭合b 断开，计数加一。无论干簧管a 或b 受到干扰或线路出现短路或 断路时，都可以通过软件和硬件的分析使计数正常进行下去或者及时报错。 下面分析采用双干簧管传感器的各工作状态： l 、 去除抖动信号。当水管震动使干簧管在临界感应点抖动时，虽然干簧 管a 或b 会不断产生跳变信号，但因为同一时间只有一个干簧管发生跳变， 不会产生计数信号，不会出现误计数的情况。 2 、 防盗功能。若用户有意用磁铁破坏干簧管的工作，当两个干簧管的信 号同时接通，就会触发异常处理，单片机进行处理，在e p r o m 中进行特殊 记录，当达一定次数后，单片机将关闭电磁阀，停止供水。只有自来水公 司的操作人员可以将此记录清除，记录清除后可以继续供水。对长期不买 水的用户，公司可以根据上位机的数据库进行查询，可以由工作人员进行 处理；对间歇性盗水的用户，由水表内旺记录后，另外可由水表内的机械 字轮与电子计量进行对比查出窃水量，进行处罚。 3 、干簧管是否有效工作。当一只干簧管失效，一只干簧管有效时，因为 北京交通大学硕士学位论文 该工作过程中无法进入计数中断，所以在经过一定的次数以后单片机将会 产生异常处理，提示报警，关闭电机阀。这种状态下就需要自来水公司对 水表检修之后才可以继续使用。 2 3 水表电控阀介绍 电控阀是影响预付费水表计量性能和可靠性的另一主要因素。电控阀 对水表计量性能的影响取决于阀门结构，特别是阻流部件结构。阀门的阻 流部件通常可以根据是否改变流道方向来划分为两种。改变流道方向的阀 门结构，有可能会对水表的计量性能产生较大影响。研究表明，流过水表 计量机构的水流，当流道改变时，由于发生撞击，会在水表内部产生二次 流，其方向和强度与阻流部件的结构有关。当二次流的强度足够，且与水 表流量测量元件的旋转方向一致，则二次流加速了流量测量元件的转速， 水表的测量误差高区曲线会呈上翘形态；反之，水表的测量误差高区曲线 会呈f 垂状态。 当水表成批出现上述特征误差曲线时，已无法通过水表内部调节装置 实现误差曲线的迁移，应重新审查实现误差曲线的迁移，应重新审查阀门 阻流部件的结构设计。通常通过调整流道的结构，过渡部位尽可能采用弧 形，避免锐角，在加工过程中提高内壁的平滑度，从而在一定程度上能改 善误差曲线特征。而不改变流道方向的阀门结构，对水表测量误差曲线几 乎不产生影响。另外在流通能力方面，改变流道方向的阀门结构由于直接 经受水流冲撞，产生能量损耗，对水表的压力损失技术指标有较大负面影 响。 电控阀作为执行机构，是仪表单次工作最耗电的部件，因此在设计时 为达到省电目的，要求电控阀的负载能力相矛盾，通常过小的负载能力会 北京交通大学硕士学位论文 影响到阀门动作的可靠性。电控阀的驱动机构有电磁和电机两种。电磁驱 动机构因一般不采用减速机构，执行效率高，驱动电流也相对较小。但因 关阀速度过快，管道中会产生水锤效应，瞬间产生冲击负压，会对仪表和 管道产生破坏作用。另外，阀门的密封件受到快速撞击，容易损坏，影响 使用寿命。电机驱动机构通常在电机和阀门动作部件间加装减速传动机构， 其驱动电流一般较大，但由于延长了开关阀时间，因此有效解决了电磁驱 动的缺点。 现在许多公司不断研制出新型流量计仪表专用阀门，取得了广泛应用。 电机驱动先导式阀门用在j c 卡水表上作为控制执行部件具有十分明显的优 越性。 2 4 水表信号采集模块供电问题 影响预付费水表性能的另一个因素是供电电池的性能。电池自身的技 术性能虽然重要，但更重要的是要有电池性能与仪表整体性能匹配的设计 思路。在预付费水表设计过程中，主要应考虑的是电池的负载特性和放电 特性。 电池的负载性包括高电压时负载性和低电压时负载特性，这主要是考 虑了电控阀动作时，当电控阀开关阀时，由于产生大电流，电池电压下降 了u ，在高电压时，下降后的电压仍在控制器的微功耗单片机允许工作电 压范围。但当电池用了若干年后，电压已经下降到接近单片机允许工作电 压的下限，则此时的电池低电压负载特性可能会影响到控制器的可靠性。 当电压下降了u 后，实际工作电压低于控制器最低工作电压时，单片机的 死机会使系统崩溃，导致电控阀动作不执行或执行一半，内存数据紊乱等 故障。 北京交通大学硕士学位论文 电池的放电特性指电池使用时间与输出电压的关系。在设计的使用年 限内，电池电压从高电压u 1 降为低电压u 2 ，u 2 即为水表控制器允许的最 低工作电压。该电压值通常可作为电源欠压保护设计值的参考值，但u 2 一 u 仍应满足微功耗单片机的最低工作电压。 在系统硬件设计及软件设计上，充分考虑了系统的低功耗问题，在硬 件及软件上采取了一系列措施，在降低系统功耗延长水表寿命上有了很大 改进。 2 5 智能水表计量误差分析 智能水表的传感器从其工作原理和应用上可分为脉冲式、数字式。本 系统主要介绍脉冲式水表传感器。 脉冲式水表的计量准确度取决于脉冲式传感器发送脉冲数量的准确 性。那么，脉冲误差如何产生? 经过分析发现下列因素容易导致脉冲误差。 1 磁场干扰：脉冲信号在传输过程中因受到电磁干扰而产生误差。有 些人还会故意在水表外壳处附加磁铁产生强大的磁场干扰，达到偷水目的。 2 磁铁退磁：传感器内磁铁随着时问的延长会出现退磁现象，导致传 感器不能输出脉冲信号。 3 水表倒转：水表在特殊使用情况下会倒转，一旦倒转同样产生脉冲 信号，这种信号系统的累加计量视为正常计量。 4 机械振动：水表本身受外界振动影响或由于水管中的“水锤”引起 水表机芯的振动，都会使脉冲式传感器发出非正常脉冲信号，导致脉冲误 差。 5 信号干扰：水表发出的脉冲信号，一般需通过户线穿越较长距离( 几 十米) 传输至采集器，如果传输线质量不好或屏蔽效果不佳，外部干扰会 北京交通大学硕士学位论文 造成系统统计错误。 在硬件与软件设计上，应该充分考虑上述因素，提高用水计量的可靠 性与稳定性。 北京交通大学硕士学位论文 第三章红外遥控水表系统硬件结构 红外遥控预付费水表的结构由：用水计量采集终端( 水表) ，红外遥控 卡，卡读写器及上位机管理软件系统组成，本着实用，可靠的设计原则， 完成对用水量的测量、数据通讯及数据管理各方面的系统功能。对于整个 系统的低功耗，抗干扰性，运行的可靠性等因素也进行了综合的考虑。其 中，红外水表的设计是系统的关键核心。 3 - 1 红外遥控预付费水表采集端功能框图 本预付费水表采用湿式水表为计量基表、双干簧管传感器信号采集、 外置可更换干电池( 内置锂离子电池) 为能源、密封防水外壳、专用流量 电机阀门。加上单片机系统组成。 l c d 驱动显示