基于弱光光伏供電的預付費水表探討

摘 要:國內供水行業的表具主要有普通水表、遠傳水表和智能卡水表等形式，本文從技術發展角度，深入闡述了預付費水表的技術和發展狀況，并詳細介紹了一種“不需更換電池非晶硅電池供電的預付費水表”的特點和功能及發展前景，并對數據交換用的RF射頻碼系統做了簡要說明。

關鍵詞:預付費水表弱光光伏非晶硅光伏電池RF射頻碼

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

引言

我國對預付費領域的技術研究和產品開發經歷了普通IC卡為交換媒體的預付費方式、鍵盤為媒體的預付費方式、無需電源維持的預付費方式等階段，非晶硅光伏電池供電方式是預付費一種新的方式，其研發對我國預付費領域的發展將起到積極的作用。

1 預付費表的基本特征、預付費控制器的四個基本要素和實現的功能

(1)預付費表的基本特征:計量基表+預付費電子控制器+機械執行器;(2)預付費控制器的四個基本要素:獲取計量數據的傳感器、數據交換、切斷控制、保證表具計量和控制的能源提供;(3)預付費控制器有微控制器協調，實現計量核減、預付費數據交換、切斷控制，數據顯示和通訊是必要的，電源提供是必須的。預付費水表除了可對用水量記錄和顯示外，還可以根據剩余水量的有無自動進行開、關閥的控制。由于其數據傳遞和交易結算通過數據媒介進行，因而可以減少抄表人員上門抄表的工作量。

2 預付費水表的發展及關鍵技術

為了推動預付費水表的發展，國內許多研究機構都投入力量對預付費水表產品進行了開發研究。從技術發展角度看，預付費水表技術應該較為成熟了。但是，現在預付費水表的推動工作還很緩慢，不難理解。從現實情況看，預付費水表確實還存在著許多影響其大規模推廣應用的問題，集中起來主要是:(1)價格較高;(2)使用環境受限;(3)存在安全隱患。目前，國內的預付費水表，基本上是通過對普通傳統計量儀表改造后附加預付費控制器實現的，冷水水表是預付費水表首選的計量基表。常用的冷水水表有DN15和DN20，結構分干式和濕式，顯示方式為字輪和指針。干式水表采用磁軸傳動的計量機構，可能出現計量失準，所以不適合大量使用。濕式水表計量準確，是預付費水表首選表型。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，隨著光電傳感技術的發展，干簧管方式將被其取代。如目前在很多有線或無線的遠傳水表中被廣泛采用。 IC卡的安全方面，已經從過去采用存儲器卡、加密卡，逐漸采用CPU卡和RFID卡，從而確保在數據交換媒介方面的安全。但是，由于預付費水表采用電池供電，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，容易造成系統癱瘓，失去控制。為了克服以上缺點，有廠家研發了全封閉鍵盤方式進行數據交換的預付費水表，但是充值時用戶操作麻煩，其發展受限。開關閥控制是預付費水表的重要手段，沒有控制，就無法實現預付費，因此，開關閥控制是否可靠關系到預付費產品是否成熟。預付費水表由于壓力較大，球閥的轉動力矩相對要大。系統電池供電，能量較小，現有采用先導方式的閥門實現控制。由于該閥不斷完善和質量提高，其可靠性增加，但是其機構相對復雜，成本上升。因此不完全齒輪機構的多陶瓷閥芯閥門其結構簡單(阻力矩小、價格低)將是很好的替代。目前的預付費水表，基本都采用一次電池供電，更換不方便，不利于其發展。要從根本上解決預付費表存在的問題，就必須走創新之路。經過一段時間的研制和測試，我們在預付費水表上實現了不需更換要電池的弱光光伏供電的預付費水表。

3 技術原理

隨著科技的發展，單片機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；光伏供電技術取得了快速發展，這就為不更換電池的預付費水表提供了可能。預付費水表的控制系統主要采用了TI公司的MSP430F2121單片機(微控制器)。水流通過流量脈沖轉換采樣電路被微控制器計數。微控制器是核心部件，它被用來控制RFID射頻碼的收發、RFID射頻碼的解密、可充電鋰電池的電壓檢測和保護、水量的核減和閥門開關等。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，它們針對不同的應用而由各種不同的模塊組成。這些微控制器被設計的消耗電能很少，平時可將MPU置于省電模式，以中斷方式喚醒。靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗。單片機包含數控RC振蕩器和一個32768HZ LFXT1低頻振蕩器。使用低頻振蕩器產生輔助時鐘ACLK，以提供穩定的系統時基和低功耗的工作狀態。預付費水表通過定時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，從而大大降低了預付費水表的成本。預付費水表采用弱光光伏供電技術向表內鋰離子電池充電，因此不需更換電池。為了節電RFID無線模塊平時處于斷電狀態，充值時，通過對RFID激活按鍵操作，可讓該模塊恢復工作狀態。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)信息發送給水表；經過解密，水表剩余水量增加并返回數據給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剩余水量(距離30m)。充值的過程:用戶將射頻卡帶到售水網點，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，先按RFID激活鍵再按充值鍵。即可完成對預付費水表的充值。充值過程快速無接觸，預付費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+隨機碼+密鑰碼組成，可有效防止數碼的解密竊水。

4 結語

預付費控制是一項綜合控制技術，涉及結構、傳動、電子、后臺系統等技術，所以隨著相關技術問題的不斷成熟；預付費領域一定會進入一個快速發展時期。預付費水表將在全國城鎮自來水管網改造工程中進一步普及；先進儀表的大規模推廣使用必將會有力地促進中國供用水管理的現代化進程。