一种带防跑水功能的智能水表的制作方法

本发明涉及一种自来水厂自动控制领域，尤其涉及一种带防跑水功能的智能水表。

背景技术：

随着社会科学技术的高速发展，资源短缺现象日益严重，尤其是与人类生存息息相关的水资源。水是宝贵的环境资源，也是我国可持续发展战略的重要物质基础。但是，我国是世界上人均水资源拥有量十分贫乏的国家之一，节约和保护水资源是我国当前一项十分重要的战略措施。

随着城市化程度越来越高，以中型城市为例，约有百万户居民生活中都离不开水，但是经调查许多居民家中时常存在着跑水漏水现象，比如忘记关水龙头、下水不畅通、水管暖气管损坏等各种各样的原因，给居民的生活带来很大的困扰。尤其是5年以上的楼盘，据统计每年大约有5‰的漏水现象，若以每户损失1000元计，造成的直接家庭财产损失为5000户×1000元/户=500万元。由此造成的社会经济损失很大，如果推广到全国，那得有上亿损失。不仅自家受损，还会殃及邻里，有的还因此导致邻里关系紧张走上了法庭，增加不和谐因素。

技术实现要素：

为了解决现有水表功能单一、无法自动发现及防止水管跑水、漏水的问题，本发明提供一种集预付费、阶梯水价计费、故障检测、告警功能、防跑水功能于一体，带防跑水功能的智能水表。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带防跑水功能的智能水表，包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括以下模块：混合信号微控制器、IC 卡、IC卡接口、液晶显示器、电控阀控制接口、水量采集和监测组件、驱动电机及声音报警电路；软件系统采用了模块化处理， 是由主控程序和功能子程序构成，所述主控程序包括:系统初始化、状态判断、流量脉冲和用水量处理、报警提示和低功耗模式处理，所述功能子程序包括: IC 卡的接口模块、电源检测模块、流量监测模块、流量判断模块、时间监测模块、计费处理模块及阀门控制模块。

本发明的带防跑水功能的智能水表的工作原理：带防跑水功能的智能水表是通过计量及控制流经自来水管道水的体积总量来工作的。当有计量脉冲到来时，单片机由睡眠转为工状态，通过混合信号微控制器进行相应的计费处理：既当用户在单位时间段(一般按月计算)用水达到一定吨限时，随着用水量的增加水价格呈阶梯状上升变化，用水量越多，所使用的水价就越高。水表接收阶梯水价的相关用水参数，实时调整水表内部的当前(阶梯)单价，并根据用水参数和当月内的用水量实时地核算出水表内的剩余金额等用水数据。当用户用水的剩余量达到预设的告警量时(告警量由水表管理部门设定)，水表会自动关阀告警，从而提醒用户尽快购水。当将已充值的IC卡插入水表内进行充值时，IC卡水表内单片机首先识别IC卡密码并确认无误后，读入所购水金额并与水表内剩余金额累加，水表根据售水部门的阶梯水价，实时计费、定期结算。结算后当前用水量归零，总用水量实时累计，并写入IC卡水表内存储器，进而控制电磁阀开启，充值完毕水表的工作状态和充值金额会在液晶显示器上显示，当人为拆卸水表或剩余水量低于设定值时，水表报警并及时关掉阀门，同时将数据保存在内部Flash中。

所述混合信号微控制器是整个智能水表的核心，它担负着信息判断、识别、运算、处理的工作。混合信号微控制器选用MSP430F413 单片机。该单片机是一种超低功耗 Flash 型 16 位 RISC 指令集单片机， 具有丰富的片内外围， 工作电压为 1.8V～3.6V， 内置 LCD 驱动器 24×4段， 可以缩小体积、降低成本，它特别适合应用在各种要求低功耗的场所， 如应用在电池或手持设备上。

所述水量采集和监测组件是由磁铁和干簧管组成，采用三干簧管结构，三个干簧管安装夹角为60°，采用三干簧管传感器采集水量；干簧管是由抽空的玻璃外壳和铁镍合金簧片组成。

水量采集和监测组件是由磁铁和干簧管组成，用三个干簧管传感器来测量水量更能有效防止干扰引起的计数误差，显然抗干扰能力比起两个干簧管来更加强，能有效的判断出水流的方向。干簧管动作时就给判断出水的流向，因为如果在干簧管动作前的一次吸合反应是干簧管引起的，那么表示是正向流动，如果干簧管动作前的一次吸合是干簧管引起那说明是反相流动。用干簧管的动作来判断是否水量减少，用干簧管的动作来判断是否水量增加。这样，用三干簧管测量水量就能够清晰的辨别水流的方向。

多干簧管测量时还能对外界的磁干扰进行检测。在外界有强磁干扰的情况下，多干簧管系统中的各个干簧管都将处于同一状态，据此可以判断出异常的状态。

所述时间监测模块采用时间继电器。

所述IC卡接口采用FM4442 存储卡，成本低。它采用 0.6微米 CMOS EEPROM 工艺， 内部有 256 字节用户存储器， 32 字节写保护区及 3 字节编程安全认证码。外围接口遵循 ISO7816协议标准( 同步传输) 。充分利用其内外部资源， 用户存储器存储用户水量; 保护存储区和加密存储器的编程可实现 IC 的个性化设计， 提高使用的安全性。

所述液晶显示器作为水表的输出接口， 主要作用是输出水表的各种运行状态， 及相关数据; 此外还具有用户提示的功能。为了降低功耗、节约成本， 在设计时采用的是专门定制的液晶显示器。液晶显示器作为水表的输出接口， 除了显示电磁阀门的开关状态、表内剩余金额( 当余额显示为负时表示水表处于透支状态) 、累积用水量、电池状态、本月累积用水量、分段( 阶梯水价时， 每种水价水量的吨限) 显示、单价( 当前水价) 显示、当前日期及当前时间之外， 还兼具了提醒用户及时充值的信息及出错信息。

所述软件系统采用了模块化处理， 是由主控程序和功能子程序构成，所述主控程序包括:系统初始化、状态判断、流量脉冲和用水量处理、报警提示和低功耗模式处理，所述功能子程序包括: IC 卡的接口模块、电源检测模块、流量监测模块、流量判断模块、时间监测模块、计费处理模块及阀门控制模块。

所述系统初始化包括对 MSP430F413 的堆栈、各端口、中断、LCD 控制寄存器的设置， 从而使 CPU 能正常工作;系统初始化以后，进入低功耗模式，直到有各种中断情况将其唤醒，再进入相应中断服务程序。

所述IC卡的接口模块包括IC卡有效性判断、读/写及IC卡的解密与加密。

所述计费处理模块包括阶梯水价分段计费判断及处理。

该带防跑水功能的智能水表，除了集预付费、阶梯水价计费、故障检测功能于一体外， 还兼具以下功能：

(1)自动告警功能：当剩余水量用至设置的告警量时，水表将自动关阀，切断水源，提醒用户购水；

(2)防跑水功能；

(3)透支功能：当剩余水量用至设置的透支量时，水表将自动关阀，切断水源；此时，只有将“用户卡”重新充值购水，才可使水表阀门开启；

(4)自动保护功能：当水表遭遇磁干扰，水表将自动关阀；同时，水表将各种干扰状态记录在案。水表设有防拆装置，当遇到自行拆装的情况时，将进入锁定状态；

(5)电池欠压提示功能：当电池电量低时，控制器将自动关阀，切断水源，以提醒用户更换电池；同时将剩余水量和实际用水量的记录数据予以锁定，更换新电池后，原用水信息数据不变；

(6)可随时提供累计用水量、本月用水量及可用水量。为了便于用户及时掌握用水情况， 在使用过程中随时可用“用户卡”查看“累积用量”、“剩余量”、“单价”、“当月用量”。

本发明带防跑水功能的智能水表的有益效果：集预付费、阶梯水价计费、故障检测、告警功能、防跑水功能于一体，具有读数清晰、计量准确、管理控制方便的特点。并且水表内部具有用水的价格参数(如当前单价、阶梯水价)和准确的实时时钟(用作复费率核算的时间标准)，更重要的一点是充值时是按金额为单位进行充值，而不是按水量来充的，避免了充值时存在互相转换和找零的麻烦，有效的提高了居民用水计量收费管理的现代化水平。本文创新点：在原有智能水表基础上实现了阶梯式水价计费、故障检测、防跑水功能，有效解决收费难和节约用水的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明带防跑水功能的智能水表的硬件系统的结构示意图。

图2是本发明带防跑水功能的智能水表的软件系统的流程图。

图3是本发明的干簧管的结构示意图。

图4是本发明的水量采集和监测组件中的三干簧管安装示意图。

图中，1、干簧管。

具体实施方式

实施例一

请参照图1和图2，本具体实施例，一种带防跑水功能的智能水表，包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括以下模块：混合信号微控制器、IC 卡、IC卡接口、液晶显示器、电控阀控制接口、水量采集和监测组件、驱动电机及声音报警电路；软件系统采用了模块化处理， 是由主控程序和功能子程序构成，所述主控程序包括:系统初始化、状态判断、流量脉冲和用水量处理、报警提示和低功耗模式处理，所述功能子程序包括: IC 卡的接口模块、电源检测模块、流量监测模块、流量判断模块、时间监测模块、计费处理模块及阀门控制模块。

混合信号微控制器。混合信号微控制器是整个智能水表的核心，它担负着信息判断、识别、运算、处理的工作。混合信号微控制器选用MSP430F413 单片机。该单片机是一种超低功耗 Flash 型 16 位 RISC 指令集单片机， 具有丰富的片内外围， 工作电压为 1.8V～3.6V， 内置 LCD 驱动器 24×4段， 可以缩小体积、降低成本，它特别适合应用在各种要求低功耗的场所， 如应用在电池或手持设备上。

时间监测模块采用时间继电器。

请参照图3和图4，水量采集和监测组件是由磁铁和干簧管组成，采用三干簧管结构，三个干簧管安装夹角为60°，采用三干簧管传感器采集水量；干簧管是由抽空的玻璃外壳和铁镍合金簧片组成。当磁铁靠近干簧管时，簧片被磁化，磁化后的簧片相当于一块磁铁，一端为N极，一端为S极。当簧片触点处感应的极性相反时有吸力产生，吸力大于簧片的回复力矩时，触点闭合。磁铁远离干簧管时，簧片退磁，吸力消失，触点释放。

请参照图3和图4，水量采集和监测组件是由磁铁和干簧管组成，用三个干簧管传感器来测量水量更能有效防止干扰引起的计数误差，显然抗干扰能力比起两个干簧管来更加强，能有效的判断出水流的方向。干簧管动作时就给判断出水的流向，因为如果在干簧管动作前的一次吸合反应是干簧管引起的，那么表示是正向流动，如果干簧管动作前的一次吸合是干簧管引起那说明是反相流动。用干簧管的动作来判断是否水量减少，用干簧管的动作来判断是否水量增加。这样，用三干簧管测量水量就能够清晰的辨别水流的方向。

多干簧管测量时还能对外界的磁干扰进行检测。在外界有强磁干扰的情况下，多干簧管系统中的各个干簧管都将处于同一状态，据此可以判断出异常的状态。

IC卡接口采用FM4442 存储卡，成本低。它采用 0.6微米 CMOS EEPROM 工艺， 内部有 256 字节用户存储器， 32 字节写保护区及 3 字节编程安全认证码。外围接口遵循 ISO7816协议标准( 同步传输) 。充分利用其内外部资源， 用户存储器存储用户水量; 保护存储区和加密存储器的编程可实现 IC 的个性化设计， 提高使用的安全性。

液晶显示器作为水表的输出接口， 主要作用是输出水表的各种运行状态， 及相关数据; 此外还具有用户提示的功能。为了降低功耗、节约成本， 在设计时采用的是专门定制的液晶显示器。液晶显示器作为水表的输出接口， 除了显示电磁阀门的开关状态、表内剩余金额( 当余额显示为负时表示水表处于透支状态) 、累积用水量、电池状态、本月累积用水量、分段( 阶梯水价时， 每种水价水量的吨限) 显示、单价( 当前水价) 显示、当前日期及当前时间之外， 还兼具了提醒用户及时充值的信息及出错信息。

软件系统采用了模块化处理， 是由主控程序和功能子程序构成，所述主控程序包括:系统初始化、状态判断、流量脉冲和用水量处理、报警提示和低功耗模式处理，所述功能子程序包括: IC 卡的接口模块、电源检测模块、流量监测模块、流量判断模块、时间监测模块、计费处理模块及阀门控制模块。

系统初始化包括对 MSP430F413 的堆栈、各端口、中断、LCD 控制寄存器的设置， 从而使 CPU 能正常工作;系统初始化以后，进入低功耗模式，直到有各种中断情况将其唤醒，再进入相应中断服务程序。

IC 卡的接口模块包括 IC 卡有效性判断、读 / 写及 IC 卡的解密与加密。

计费处理模块包括阶梯水价分段计费判断及处理。

实施例二

请参照图1和图2，本实施例与实施例一不同之处在于混合信号微控制器选用的是高集成度的LPC2132嵌入式单片机和IC 卡选用非接触式IC卡。

混合信号微控制器选用的是高集成度的LPC2132嵌入式单片机。

LPC2132嵌入式单片机有空闲和掉电两个低功耗模式，可通过个别使能禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗，由单个电源供电，操作电压范围：3.0~3.6V，符合系统对低功耗的要求。

IC 卡选用非接触式IC卡，非接触式IC卡数据通信采用的是射频识别系统，指应用射频识别信号对目标物进行识别，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。射频识别系统是由应答器和阅读器两个部分组成，应用中，应答器附着在待识别的物品上，阅读器用于当附着应答器的待识别物品通过其读出范围时，自动以无接触的方式将应答器中的约定识别信息取出，从而实现自动识别物品或自动收集物品标识信息的功能。应答器与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。射频识别系统的读写器及应答器之间采用感应耦合的通讯及能量传输方式。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进讲本发明的构思和技术方案应用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。