隨著智能水表行業的發展,智能水表的技術也在不斷發展成熟。智能水表系統是一個包括IC卡水表及銷售管理軟件的系統,這個系統主要由:IC卡水表、智能卡、讀寫器、銷售管理軟件組成。IC卡水表是整個系統的核心部件,它安裝在用戶的用水管路中,主要起用水計量、顯示和控制的作用。IC卡,主要功能是記錄用戶從銀行或用水管理單位購買的水量信息,傳給IC卡水表。讀寫器主要是完成IC卡的讀寫操作及與計算機的通信功能。銷售管理軟件是記錄用戶購水信息,完成計算機與讀寫器的通信等功能的軟件。智能水表一般由:電控板、基表、電控閥門、電池、液晶顯示屏、及其計量傳感器等部件組成。它又可劃分為:計量基表、控制器和電控閥三大部分組成。
1.智能卡在水表中的發展情況
智能卡作為智能水表中的信息傳媒,決定了智能水表的數據傳輸形式,在智能水表技術中取重要作用。目前智能卡常有磁卡、IC卡、RF卡及TM卡等。
磁卡: 是通過磁條記錄信息量的智能卡,由于受電源、潮濕、卡口等因素影響,磁卡技術一直沒有應用于智能水表的收費控制中。
接觸式IC卡:從其功能上分為三種,
(1) 存儲器卡。
(2) 帶加密邏輯存儲器卡:內有安全邏輯的一種存儲器卡。
(3) CPU智能卡:內有CPU(中央處理單元)的一種存儲器卡。存儲器卡采用存儲器芯片作為卡芯,只有"硬件"組成,包括數據存儲器和安全邏輯控制等;智能卡采用微處理器芯片作為卡芯,由硬件和軟件共同組成,包括硬件單片機(微處理器)、RAM(隨機存取存儲器)、ROM(只讀存儲器),軟件IC卡監控程序或操作系統COS(IC Card Operating System)等。存儲器卡在技術上又可以分成兩類,分別是普通存儲器卡和邏輯加密存儲器卡。作為普通存儲器卡的卡芯芯片只含有數據存儲器,通常簡稱為"存儲卡";邏輯加密存儲器卡則采用帶有安全邏輯的芯片作為卡芯,可對數據存取用密碼保護,通常簡稱為"加密卡"。
TM卡: 實際上也是一種IC(集成電路)卡,只不過一般IC卡是五線卡或六線卡,并且是標準封裝,而TM卡是一線卡,特殊封裝方式。這種卡與設備直接接觸,所以讀寫端口一般是暴露的,比IC卡的卡口更容易遭到外界施加電壓的干擾,因此說TM卡雖然攜帶方便(可以做成鑰匙狀),但其安全性能(數據安全和設備安全)要比IC卡產品安全性能更差。
RF卡: 實際也是IC卡的一種,簡稱射頻卡。是采用無線電波進行數據交換的,因此水表電子控制系統可以進行完全密封,防水性能最好。但是射頻卡本身沒有電池,需要設備首先產生電磁輻射,通過感應電為RF卡提供能源,待RF工作后,通過高頻電波與設備交換信息,因此數據交換不可靠,抗外界干擾能力差,產品成本也較高。
在智能水表的發展中,最先在90年代初推出了接觸式IC卡,那時的IC卡卡口較寬、是加密性較差的存儲器卡,其抗攻擊能力較差。特別是受到當時輿論的攻擊后,其應用一度受阻。97年第一個代碼預付水表產生了。98年第一個RF卡水表研究成功。99年新一代的接觸式IC卡水表(采用的是邏輯加密卡)及CPU卡水表被研制出。2000年TM卡水表產生了。2001年具有防水功能的接觸式IC卡水表被研制生產。目前水表的生產行業有一百多家,但真正能生產智能水表的企業不到20家。在這些廠家中有1家是采用代碼付費水表,有2家采用TM卡水表,有3家是采用RF卡水表,其余的都是采用接觸式邏輯加密IC卡水表,在行業中占大多數。
2.智能水表的數據采集技術的發展情況
智能水表數據采集是在計量基表上加裝傳感元件而進行流量信號采集的。水表的基表常有:旋翼式水表、容積式水表和螺翼式水表三種形式。旋翼式水表是一種速度式水表,它是利用水流推動它的旋翼,帶動提示盤轉動以記錄用水量;它的特點是結構簡單,測量范圍寬,靈敏度高,外形尺寸小,精確度已被廣大用戶接受,是目前普遍使用的一種水表。容積式水表是一種計量較精確的水表,它的計算單位為升,一般的水表計量單位為0.01噸,相當于10升,可見容積式水表的精確度較高;工作時每當水灌滿它的計量容器后,閥門打開讓水流過,計量指示轉過一個刻度,然后重復前一過程,對后面的水再進行計量;它對水質的要求較高,一般用于純凈水計量。螺翼式水表也是一種速度式水表,它的螺翼與水流成軸流式結構,它適用于大口徑工業上的用水計量。旋翼式水表又分為干式水表和濕式水表,干式水表是工作葉輪與指示機構分開,通過強力磁鐵傳遞扭矩。濕式水表是通過工作葉輪軸直接帶動指示機構,所以在它的指示面板種常有水進入。濕式水表:濕式水表穩定可靠,價格低廉,但用于預收費控制作為計量基表必須解決數據采集過程中的防水問題。干式水表:采用磁鐵隔離方式,因此計量信號采集非常容易,比較適合作為預付費控制計量基表。但是,水表內的磁體容易受到外界強磁場的干擾,所以必須選用帶防磁罩的干式水表。
智能水表數據采集傳感器的常用種類有:
光電傳感器:光電傳感器屬于非接觸傳感器,可以進行隔離和密封,但是光電器件的電流消耗大,不適合以電池為動力的預付費水表作為計量信號的采集。
霍爾傳感器:霍爾傳感器屬于磁性傳感器,其原理是磁鐵與磁敏半導體器件相互作用產生脈沖輸出的。為抵抗干擾,半導體輸出端增加比較器,因此消耗電流較大,一般不宜作為預付費水表計量信號的數據采集。
干簧傳感器:是比較常用的計量信號采集方法。是干簧管與磁鐵相互作用的原理,因此會受到外界磁場干擾。目前眾多廠家都是采用雙干簧管結構來防強磁攻擊。
機械傳感器:機械傳感器可以抵抗外界磁場、電場、外力的人為干擾,還不消耗能量,但防水問題及機械結構的疲勞壽命難解決。
最初的智能水表是采用霍爾傳感器采集信號的但由于其體積及功耗較大而被干簧管傳感器取代。直到98年智能水表才有性能比較穩定的雙干簧管加磁鋼的發訊裝置產生。目前IC卡水表生產廠家中普遍采用的就是這種裝置,只有一家采用機械傳感器結構。大多數廠家采用干式水表,少數采用濕式水表。
3.智能水表的閥門發展情況
智能水表的閥門無疑是智能水表部件中最為重要的一個部件,閥門的好塊直接關系統到預收費能否實現。智能水表要求閥門壓力損失小、體積小、功耗低。在90年代初由于人們對閥門認識不深,很多廠家采用結構復雜的電磁閥。但此類閥門抗外界敲擊能力較差,且壓損大,雖然功率消耗小、體積小,但一次驅動電流需要很大,不采用電荷泵技術就不能使用鋰離子電池,并且這種閥門的長期工作的可靠性差,常常用不多久就損壞,給廠家帶來很大損失。現電磁閥已普遍被電動閥代替。
目前市場上的水表采用的控制閥主要分為三類:電控球閥、電動陶瓷閥、電動先導閥。
電控球閥:采用小功率電機通過減速直接驅動的球閥開閉。它的優點是結構相對簡單,水阻小,只是球閥的球環加工精度要求高。但它存在的缺點是,使用一段時間后存在由于水垢或微顆粒等使轉動阻力增大的可能。目前眾多廠家是采用每月定時開關閥門幾次來解決此問題。
電控陶瓷閥:它的工作原理與球閥類似,只是閥門是平面結構。
電動先導閥:它是通過小功率電機帶動磁柱運動先打開先導孔,通過有壓力的水進行進入先導孔,利用水壓打開閥門,所以一般來說它的功耗要小一些。但目前它的結構比較復雜,加工成本要高一些。
目前一種浮動式球閥,由于開關閥的功耗較小,球閥無預緊力,壓力轉移到了聚四氟乙烯閥墊上,從而達到了既保證密封又能輕松開關閥的目的,這種球閥被普遍采用。在現有水表廠家中采用電動陶瓷閥的有2家,采用電動先導閥有4家,其它的廠家都是采用電動球閥。
4.智能卡水表的控制器的發展情況
智能水表的電路是由:微控制器(單片機)、LED/LCD顯示模塊、IC卡接口、計量模塊、負荷控制開關、電源模塊等組成。對于接觸式IC卡水表和非接觸式IC卡水表,控制電路主要不同在IC卡接口上,接觸式IC卡水表采用卡座,非接觸式IC卡水表采用接收線圈加專用接收模塊,TM卡采用專用解碼模塊。
計量模塊:機電式,從機械式儀表的計度器圓盤采樣,將計度器圓盤的轉動轉換為電脈沖信號,送入單片機。
LED/LCD顯示模塊:用來顯示IC卡表的計量數據和工作狀態。現一般采用LCD液晶顯示。
實時時鐘:用來記錄時鐘和日歷,協助微控制器完成多種費率的計量以及按日、周、 月的數據統計。
IC卡接口:用于IC卡表與IC卡片進行數據交換和安全認證工作。
ESAM模塊:用于存放IC卡表內的計量和狀態數據并與IC卡進行系統的密鑰安全 認證工作,是IC卡表一種數據密碼交換的器件。
負荷控制開關:用于控制用戶的水、電、氣、熱供應的開關,可由IC卡表輸出控制信號對其進行閉合或斷開操作。一般微處理器輸出的控制信號很弱,不能真接驅動電動閥門,需由閥門驅動電路將微處理器輸出的控制信號放大,并驅動電動閥門。
電源模塊:用于向IC卡表提供電源供應。
目前智能水表的電路板向著小型化、低功耗、抗干擾、低成本、實用功能方向發展。在電路板上由貼面件取代插接件,采用機器自動焊接取代手工焊,使部件更小、性能更穩定、成本更低。在對單片機的選擇趨向于容量適中、功能豐富、性能可靠、價格低的元件。在電路板的設計上淘汰了電光、蜂鳴報警而采用了更實用的關閥報警。智能水的顯示一般采用LCD顯示而不用LED,這是因為LCD功耗小,更加精巧美觀。智能水表的電池,正逐漸采用高容量的鋰錳電池,其特點是容量大,可以密封在產品中,并且不產生晶阻。