基于弱光光伏供電的預(yù)付費(fèi)水表探討

摘 要:國內(nèi)供水行業(yè)的表具主要有普通水表、遠(yuǎn)傳水表和智能卡水表等形式，本文從技術(shù)發(fā)展角度，深入闡述了預(yù)付費(fèi)水表的技術(shù)和發(fā)展?fàn)顩r，并詳細(xì)介紹了一種“不需更換電池非晶硅電池供電的預(yù)付費(fèi)水表”的特點(diǎn)和功能及發(fā)展前景，并對數(shù)據(jù)交換用的RF射頻碼系統(tǒng)做了簡要說明。

關(guān)鍵詞:預(yù)付費(fèi)水表弱光光伏非晶硅光伏電池RF射頻碼

中圖分類號:S274.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(b)-0068-01

引言

我國對預(yù)付費(fèi)領(lǐng)域的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)歷了普通IC卡為交換媒體的預(yù)付費(fèi)方式、鍵盤為媒體的預(yù)付費(fèi)方式、無需電源維持的預(yù)付費(fèi)方式等階段，非晶硅光伏電池供電方式是預(yù)付費(fèi)一種新的方式，其研發(fā)對我國預(yù)付費(fèi)領(lǐng)域的發(fā)展將起到積極的作用。

1 預(yù)付費(fèi)表的基本特征、預(yù)付費(fèi)控制器的四個(gè)基本要素和實(shí)現(xiàn)的功能

(1)預(yù)付費(fèi)表的基本特征:計(jì)量基表+預(yù)付費(fèi)電子控制器+機(jī)械執(zhí)行器;(2)預(yù)付費(fèi)控制器的四個(gè)基本要素:獲取計(jì)量數(shù)據(jù)的傳感器、數(shù)據(jù)交換、切斷控制、保證表具計(jì)量和控制的能源提供;(3)預(yù)付費(fèi)控制器有微控制器協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量核減、預(yù)付費(fèi)數(shù)據(jù)交換、切斷控制，數(shù)據(jù)顯示和通訊是必要的，電源提供是必須的。預(yù)付費(fèi)水表除了可對用水量記錄和顯示外，還可以根據(jù)剩余水量的有無自動進(jìn)行開、關(guān)閥的控制。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算通過數(shù)據(jù)媒介進(jìn)行，因而可以減少抄表人員上門抄表的工作量。

2 預(yù)付費(fèi)水表的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)

為了推動預(yù)付費(fèi)水表的發(fā)展，國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)都投入力量對預(yù)付費(fèi)水表產(chǎn)品進(jìn)行了開發(fā)研究。從技術(shù)發(fā)展角度看，預(yù)付費(fèi)水表技術(shù)應(yīng)該較為成熟了。但是，現(xiàn)在預(yù)付費(fèi)水表的推動工作還很緩慢，不難理解。從現(xiàn)實(shí)情況看，預(yù)付費(fèi)水表確實(shí)還存在著許多影響其大規(guī)模推廣應(yīng)用的問題，集中起來主要是:(1)價(jià)格較高;(2)使用環(huán)境受限;(3)存在安全隱患。目前，國內(nèi)的預(yù)付費(fèi)水表，基本上是通過對普通傳統(tǒng)計(jì)量儀表改造后附加預(yù)付費(fèi)控制器實(shí)現(xiàn)的，冷水水表是預(yù)付費(fèi)水表首選的計(jì)量基表。常用的冷水水表有DN15和DN20，結(jié)構(gòu)分干式和濕式，顯示方式為字輪和指針。干式水表采用磁軸傳動的計(jì)量機(jī)構(gòu)，可能出現(xiàn)計(jì)量失準(zhǔn)，所以不適合大量使用。濕式水表計(jì)量準(zhǔn)確，是預(yù)付費(fèi)水表首選表型。但信號采集的難度要大些，一般采用干簧管方式采集流量脈沖，隨著光電傳感技術(shù)的發(fā)展，干簧管方式將被其取代。如目前在很多有線或無線的遠(yuǎn)傳水表中被廣泛采用。 IC卡的安全方面，已經(jīng)從過去采用存儲器卡、加密卡，逐漸采用CPU卡和RFID卡，從而確保在數(shù)據(jù)交換媒介方面的安全。但是，由于預(yù)付費(fèi)水表采用電池供電，需要更換電池，加上IC卡卡口暴露，所以無法裝于有水的地下表箱里，無法抵御來自IC卡卡口的干擾，容易造成系統(tǒng)癱瘓，失去控制。為了克服以上缺點(diǎn)，有廠家研發(fā)了全封閉鍵盤方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的預(yù)付費(fèi)水表，但是充值時(shí)用戶操作麻煩，其發(fā)展受限。開關(guān)閥控制是預(yù)付費(fèi)水表的重要手段，沒有控制，就無法實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)，因此，開關(guān)閥控制是否可靠關(guān)系到預(yù)付費(fèi)產(chǎn)品是否成熟。預(yù)付費(fèi)水表由于壓力較大，球閥的轉(zhuǎn)動力矩相對要大。系統(tǒng)電池供電，能量較小，現(xiàn)有采用先導(dǎo)方式的閥門實(shí)現(xiàn)控制。由于該閥不斷完善和質(zhì)量提高，其可靠性增加，但是其機(jī)構(gòu)相對復(fù)雜，成本上升。因此不完全齒輪機(jī)構(gòu)的多陶瓷閥芯閥門其結(jié)構(gòu)簡單(阻力矩小、價(jià)格低)將是很好的替代。目前的預(yù)付費(fèi)水表，基本都采用一次電池供電，更換不方便，不利于其發(fā)展。要從根本上解決預(yù)付費(fèi)表存在的問題，就必須走創(chuàng)新之路。經(jīng)過一段時(shí)間的研制和測試，我們在預(yù)付費(fèi)水表上實(shí)現(xiàn)了不需更換要電池的弱光光伏供電的預(yù)付費(fèi)水表。

3 技術(shù)原理

隨著科技的發(fā)展，單片機(jī)及其外圍芯片的電耗越來越低，用于短距離通訊的RF芯片(或模塊)電耗也越來越低；光伏供電技術(shù)取得了快速發(fā)展，這就為不更換電池的預(yù)付費(fèi)水表提供了可能。預(yù)付費(fèi)水表的控制系統(tǒng)主要采用了TI公司的MSP430F2121單片機(jī)(微控制器)。水流通過流量脈沖轉(zhuǎn)換采樣電路被微控制器計(jì)數(shù)。微控制器是核心部件，它被用來控制RFID射頻碼的收發(fā)、RFID射頻碼的解密、可充電鋰電池的電壓檢測和保護(hù)、水量的核減和閥門開關(guān)等。水表電能由非晶硅弱光(陽光的散射輻照)光伏電池提供。

MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號控制器，其中包括一系列器件，它們針對不同的應(yīng)用而由各種不同的模塊組成。這些微控制器被設(shè)計(jì)的消耗電能很少，平時(shí)可將MPU置于省電模式，以中斷方式喚醒。靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗。單片機(jī)包含數(shù)控RC振蕩器和一個(gè)32768HZ LFXT1低頻振蕩器。使用低頻振蕩器產(chǎn)生輔助時(shí)鐘ACLK，以提供穩(wěn)定的系統(tǒng)時(shí)基和低功耗的工作狀態(tài)。預(yù)付費(fèi)水表通過定時(shí)器中斷讀取水量脈沖，由中斷喚醒MPU。做到了對原濕式基表的最小改動，從而大大降低了預(yù)付費(fèi)水表的成本。預(yù)付費(fèi)水表采用弱光光伏供電技術(shù)向表內(nèi)鋰離子電池充電，因此不需更換電池。為了節(jié)電RFID無線模塊平時(shí)處于斷電狀態(tài)，充值時(shí)，通過對RFID激活按鍵操作，可讓該模塊恢復(fù)工作狀態(tài)。RF射頻充值卡(有源):用水戶通過RF射頻卡即可完成所購水量的信息傳送(水量充值)。其微控制器通過RFID模塊將帶有水量(加密)信息發(fā)送給水表；經(jīng)過解密，水表剩余水量增加并返回?cái)?shù)據(jù)給RF射頻卡，由卡上的LCD屏顯示剩余水量，用戶可以在家里觀察表內(nèi)剩余水量(距離30m)。充值的過程:用戶將射頻卡帶到售水網(wǎng)點(diǎn)，通過充值盒對射頻卡寫入含有水量和客戶信息的加密碼，向水表充值時(shí)，先按RFID激活鍵再按充值鍵。即可完成對預(yù)付費(fèi)水表的充值。充值過程快速無接觸，預(yù)付費(fèi)水表沒有暴露在外面的電源接口和IC卡插口，所以外界無法通過接口攻擊電路。加密射頻碼由:客戶識別碼+水量碼+隨機(jī)碼+密鑰碼組成，可有效防止數(shù)碼的解密竊水。

4 結(jié)語

預(yù)付費(fèi)控制是一項(xiàng)綜合控制技術(shù)，涉及結(jié)構(gòu)、傳動、電子、后臺系統(tǒng)等技術(shù)，所以隨著相關(guān)技術(shù)問題的不斷成熟；預(yù)付費(fèi)領(lǐng)域一定會進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。預(yù)付費(fèi)水表將在全國城鎮(zhèn)自來水管網(wǎng)改造工程中進(jìn)一步普及；先進(jìn)儀表的大規(guī)模推廣使用必將會有力地促進(jìn)中國供用水管理的現(xiàn)代化進(jìn)程。