丹东思凯电子发展有限责任公司 兰玉明
关键词：智能水表 逻辑加密卡 CPU卡 无线远传 有线远传
摘要：水表作为计量用水量的主要器具经历了普通机械水表到智能水表的发展，在智能水表的发展过程中由于所要解决问题的不断变化，也使智能水表发生一代又一代的不断的发展。
水，做为日常生活不可或缺的一部分，关系着千家万户的民生问题。而对于计量用水的计量器具——水表，也随着社会的不断的发展，人们关注点的不断变化，发生着日新月异的变化。
早期国内普通使用的是机械式的水表。使用比较普遍的自来水水表一般为速度式水表，速度式水表又分为旋翼式和螺翼式两种。其基本原理是根据管道中的水流带动表中的叶轮旋转，并通过叶轮和齿轮带动水表表面的指针进行计数，每月或每季由自来水公司的抄表人员入户抄表收费。这种水表的好处是成本低、计量比较准确。可是随着社会的发展，人们隐私意识的不断加强，对于入户抄表的这个原来不是问题的问题却日益突出。并且由于人们业余生活的丰富、家庭结构的变化，抄表人员经常碰到家中无人，无法抄表的情况。由此引发的对于水费的争议也逐渐成为了用户和自来水公司间的主要矛盾。有些南方的自来水公司曾经尝试将水表移到户外，希望能借此解决这些问题。但由于移到户外后水表的外在环境发生了变化，对于水表安全问题就无法得到保证。经常会有水泥、秽物等粘在水表的玻璃表面，甚至有打碎玻璃表面拨动指针的情况出现。破坏性最大的就是有些不法分子将水表偷走卖铜，而对于由用户来赔偿水表的这种方式则充满了争议。并且水表又不能向电表那样集中保护，集中管理，即使保护起来又对抄表和维修带来了困难。
由于以上的种种原因，人们把目光转向了智能水表。1994年思凯公司研制出了第一块IC卡智能水表，为解决上述问题奠定了物质基础。IC卡智能水表是通过将普通机械水表机械信号转换为电信号，并送予逻辑处理单元进行处理，根据表内的状态控制阀门的开关，通过IC卡作为介质在自来水公司和用户智能水表间传递数据，免去入户抄表的诸多烦恼。智能水表也随着技术的发展和科学的进步，不断的演变、发展，逐步进入到成熟阶段。
首先采集单元经过了干簧管、韦根传感器和无磁传感器三种方式。
一、干簧管
干簧管传感器经历了单干簧管和双干簧管两个阶段。
单干簧管是由在叶轮上的一个磁钢与一个固定在表盘下的干簧管共同组成。用水时由水流带动叶轮上的磁钢旋转，而叶轮每旋转一周磁钢在经过干簧管时由干簧管产生一个计数脉冲，这样就将机械信号转换成了电信号，完成了一次的计数功能。但在实际的使用过程中经常有普通的民用用户电子部分计量的每月使用量达到100多立方米，这在不漏水的情况下根本是不可能的，并且该表的机械部分所计的用水量只是电子部分所计的用水量几分之一甚至几十分之一，究其原因是由于自来水管道中的水锤效应，使机械表的叶轮有时会出现抖动现象，如果此时磁钢恰巧位于干簧管的下方，就会导致干簧管不断产生虚假的计数脉冲，从而使电子部分所计数值与机械部分所计数值不符。
双干簧管技术就是为了解决抖动问题。在叶轮上磁钢经过的圆周上水平放置两个干簧管，这样叶轮旋转一周，则两个干簧管分别吸合一次。而逻辑处理单元在分别收到两个干簧管发出的脉冲信号后计一个数，这样就解决了抖动问题。同时如果逻辑处理单元还判断两个脉冲信号的先后顺序，还可以检测出水表是否被反装，而对反装的水表进行关阀等处理。并且通过判断两个干簧管是否同时吸合，对磁干扰的情况进行处理，可谓一举三得。
二、韦根传感器
韦根流量传感器是利用韦根德效应制成的，故名韦根传感器。其工作原理是，传感器中的双稳态功能合金材料在交变外磁场的激励下，磁化方向瞬间发生翻转，而当外磁场撤离后，它又瞬间恢复到原有的磁化方向，由此在合金材料周围的检测线圈中会感生出电脉冲信号，实现磁电转换。
其特点是：
1 传感器工作时无须使用外加电源，适用于作为微功耗仪表，的前端脉冲传感器应用。
2 N、S磁极交替触发的工作方式，触发磁场极性变化一周，传感器输出一对正负双向脉冲电信号，幅值大于1伏，信号周期为磁场交变周期。
3 触发磁感应强度在50-80毫特斯拉左右。
4 输出信号幅值与磁场的变化速度无关，可实现真正的“零速”传感。
5 无触点、耐腐蚀、防水,使用寿命在20亿次以上。
6 利用电话线、同轴线可实现电信号远传。
韦根传感器早在80年代在美国韦根德公司研制生产，后我国某研究所也开发出类似产品，目前这两种产品应用中有两大问题。美国韦根德产的传感器存在磁阻大的致命缺点，极易吸附住叶轮增加始动流量，但由此带来的更大问题是由于热水管道杂质多，过大的磁性吸附力容易吸附住流体中的铁质，最终使得叶轮无法运转，另一种国内韦根传感器存在“磁崩溃”的致命缺点，一旦被磁干扰将无法正常工作。
三、无磁传感器
不管是单干簧管技术还是双干簧管技术，它们都是利用磁场作用，将采集的机械信号转换为电信号，我们统称为磁传水表。但将这种磁传水表用于热水计量时就会出现高温失步的问题，也就是说在超过85℃的高温情况下，计量精度下降，经常出现丢转情况，导致机械部分计量数值与电子部分计量数值不符，但温度降低后，计量精度又恢复到正常状态，剖悉问题原因主要是由于叶轮上的磁钢在高温情况下磁性降低所造成的。解决该问题最有效的方法就是取消磁传方式，采用可以在高温情况下有效工作的信号采集技术。这种技术的主要原理是把一个谐振回路中的电感置于叶轮的上方，叶轮的一半敷有带阻尼性的金属，由电感在叶轮上方的位置决定谐振回路的阻尼系数，通过测量谐振回路的不同阻尼系数，可以实现对转动的测量。水表的逻辑处理单元通过对叶轮转动测量进行计数，从而完成对水用量的计量。使用这种技术的水表与传统的磁传水表相比，具有的明显优点是抗干扰能力强、耐高温、功耗低、易实现自动化校验，并可有效提高生产的效率。
其次对于智能水表与自来水公司间的数据信息交换方式又有IC卡、有线远传和无线远传三种方式。
一、IC卡方式
最初在智能水表与自来水公司之间传递数据的介质是IC卡，也就是说智能水表从IC卡中读取自来水公司传递给智能表的数据，并将其保存到智能水表中，更新表内的各种状态，并将用水量等经过逻辑单元处理的数据写入IC卡中，由IC卡返回给自来水公司。
最先投入使用的是无保护存储卡，这种卡的优点就是技术简单易于实现，但由于它没有任何电路上的保护机制，最多也就是通过数据的加密算法保护数据不被非法篡改，但是还是无法对数据进行有效的保护，防止非法用户对数据的破坏。
由于技术手段和人们意识程度的发展，没有保护的卡内信息成为最易受到攻击的部分，因此人们对存储卡进行改进，在卡中加入的逻辑判断电路，由此保证写卡操作的合法性，也就是说在没有经过密码校对的情况下是无法向卡内写入数据的。从而解决了数据保护的问题，提高了数据的安全性。这种IC卡被称为逻辑加密存储卡，简称逻辑加密卡。使用比较广泛的是西门子的4442、4428等。
后来由于水表使用环境比较恶劣，为保证表的密封性所以采用了非接触的逻辑加密卡。非接触的逻辑加密卡又叫射频卡，它的工作原理是射频读写器向IC卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个IC串联协振电路，其频率与读写器发射的频率相同，这样在电磁波激励下，LC协振电路产生共振，从而使电容内有了电荷；在这个电荷的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内存储，当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接受读写器的数据，通过这种方式在不直接接触的情况下完成数据的交换。由于不需要卡片和水表读写卡单元的直接接触，从而保证了智能表的完全密封。
随着人们对卡内数据安全的重视程度的不断提高，逻辑加密卡已经不能满足要求，为保证卡内数据的足够安全，IC卡智能水表逐渐采用了安全级别更高的CPU卡来存储、传递数据。CPU卡又叫智能卡，卡内具有中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、数据存储器（EEPROM）以及片内操作系统（COS）。CPU卡能够支持中国人民银行认可的Single DES、Triple DES算法，能够快速完成RSA算法的签名、认证、加密、解密运算，进行各种对称和非对称的加密、解密操作，保证线上数据传送的安全以及卡内数据的安全，从而解决了人们对高安全数据存储介质的要求。同时还有非接触的CPU卡，解决了密封和安全两方面的问题。
IC卡方式最大问题是它的实时性差，通过IC卡返回的表内数据是用户上次插卡时由智能水表返回的数据，具有一定的延迟性。并且如果要修改表内数据（如：单价等），用户不来买水，就无法将数据写入卡中，也就不能设置到智能表内。这种延迟性常常会损害自来水公司的利益。但这个问题是由于IC卡方式本身的使用方式所决定的，是无法解决的。
二、有线远传方式
有线远传的智能水表，通过有线网络将数据信息传递到采集终端上，再通过人工或其它方式传递到自来水公司的采集系统上。可以按照M－BUS／RS485／RS232／TTL等方式将智能表中的数据传递到采集终端甚至是自来水公司的采集系统上。这种方式也很好的解决了入户抄表所带来的诸多问题，并可以避免IC卡方式的延迟性问题。智能水表可以通过有线网络实时的将数据传递给采集终端或自来水公司的采集系统上，自来水公司的采集系统或采集终端也可以实时将控制命令发送给智能水表，更新智能水表内的数据及状态。
但时由于这种方式的布线建网的成本很高，并且墙体内的线路一但出现故障将导致不易查找故障点，不易修复的问题。
三、无线远传方式
无线远传是采用短距离微功率无线方式进行数据传递，从而降低有线远传建网布线的成本。这种方式一般采用国际通用开放（ISM）频段433MHz (/868MHz)或仪表专用频段470MHz。通过相邻无线智能表的接力传递，可以将多个无线智能水表的数据传递到一个采集器上，并由采集器通过GPRS网络传递到自来水公司的采集系统上，完成真正的实时无线双向数据传递。也可以不使用采集器，改由人工通过POS表的方式在户外采集无线智能水表的数据和将命令设置到表内。并最终由POS表将数据上传到自来水公司的采集系统中。虽然GPRS数据传递的成本相对来说已经很低，但与IC卡的数据传递几乎为0的成本相比还是较高的，因此IC卡加无线远传相结合的方式将成为未来的主要解决方式。因为这种方案在一般情况下的数据通信可由IC卡来完成，费用几乎为零解决了无线远传的成本问题，并在特殊情况下还具有实时通讯的能力，解决了IC卡的延迟问题。但是这种方式由于复杂的电子处理部分而导致单表的制造成本大大的增加从而导致单表的价格较高，还有一个问题就是由于房屋的结构不同以及表具安装位置的不同，使无线表的抄收率有时受到影响。在实际的安装中最初的由于未考虑安装位置和户型的影响，天线的增益不是很高，所以7层的以下的抄收率只能达到50%左右。发现该问题后通过提高天线的增益使7层以下的抄收率达到了85%，4层以下的一次抄收率达到了95%以上，二次抄收达到100%。
由此可见水表的发展也是随着技术的发展，随着主要矛盾的不断变化而不断的发展。只要能找到当前的主要问题，就可以针对这些问题采取相应的解决方案。智能水表也会随着人们关注问题的变化和技术水平的提高，而不断涌现新一代的智能水表。
