基于弱光光伏供电的预付费水表探讨

摘 要:国内供水行业的表具主要有普通水表、远传水表和智能卡水表等形式,本文从技术发展角度,深入阐述了预付费水表的技术和发展状况,并详细介绍了一种“不需更换电池非晶硅电池供电的预付费水表”的特点和功能及发展前景,并对数据交换用的RF射频码系统做了简要说明。

关键词:预付费水表弱光光伏非晶硅光伏电池RF射频码

中图分类号:S274.4文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)09(b)-0068-01

引言

我国对预付费领域的技术研究和产品开发经历了普通IC卡为交换媒体的预付费方式、键盘为媒体的预付费方式、无需电源维持的预付费方式等阶段,非晶硅光伏电池供电方式是预付费一种新的方式,其研发对我国预付费领域的发展将起到积极的作用。

1 预付费表的基本特征、预付费控制器的四个基本要素和实现的功能

(1)预付费表的基本特征:计量基表+预付费电子控制器+机械执行器;(2)预付费控制器的四个基本要素:获取计量数据的传感器、数据交换、切断控制、保证表具计量和控制的能源提供;(3)预付费控制器有微控制器协调,实现计量核减、预付费数据交换、切断控制,数据显示和通讯是必要的,电源提供是必须的。预付费水表除了可对用水量记录和显示外,还可以根据剩余水量的有无自动进行开、关阀的控制。由于其数据传递和交易结算通过数据媒介进行,因而可以减少抄表人员上门抄表的工作量。

2 预付费水表的发展及关键技术

为了推动预付费水表的发展,国内许多研究机构都投入力量对预付费水表产品进行了开发研究。从技术发展角度看,预付费水表技术应该较为成熟了。但是,现在预付费水表的推动工作还很缓慢,不难理解。从现实情况看,预付费水表确实还存在着许多影响其大规模推广应用的问题,集中起来主要是:(1)价格较高;(2)使用环境受限;(3)存在安全隐患。目前,国内的预付费水表,基本上是通过对普通传统计量仪表改造后附加预付费控制器实现的,冷水水表是预付费水表首选的计量基表。常用的冷水水表有DN15和DN20,结构分干式和湿式,显示方式为字轮和指针。干式水表采用磁轴传动的计量机构,可能出现计量失准,所以不适合大量使用。湿式水表计量准确,是预付费水表首选表型。但信号采集的难度要大些,一般采用干簧管方式采集流量脉冲,随着光电传感技术的发展,干簧管方式将被其取代。如目前在很多有线或无线的远传水表中被广泛采用。 IC卡的安全方面,已经从过去采用存储器卡、加密卡,逐渐采用CPU卡和RFID卡,从而确保在数据交换媒介方面的安全。但是,由于预付费水表采用电池供电,需要更换电池,加上IC卡卡口暴露,所以无法装于有水的地下表箱里,无法抵御来自IC卡卡口的干扰,容易造成系统瘫痪,失去控制。为了克服以上缺点,有厂家研发了全封闭键盘方式进行数据交换的预付费水表,但是充值时用户操作麻烦,其发展受限。开关阀控制是预付费水表的重要手段,没有控制,就无法实现预付费,因此,开关阀控制是否可靠关系到预付费产品是否成熟。预付费水表由于压力较大,球阀的转动力矩相对要大。系统电池供电,能量较小,现有采用先导方式的阀门实现控制。由于该阀不断完善和质量提高,其可靠性增加,但是其机构相对复杂,成本上升。因此不完全齿轮机构的多陶瓷阀芯阀门其结构简单(阻力矩小、价格低)将是很好的替代。目前的预付费水表,基本都采用一次电池供电,更换不方便,不利于其发展。要从根本上解决预付费表存在的问题,就必须走创新之路。经过一段时间的研制和测试,我们在预付费水表上实现了不需更换要电池的弱光光伏供电的预付费水表。

3 技术原理

随着科技的发展,单片机及其外围芯片的电耗越来越低,用于短距离通讯的RF芯片(或模块)电耗也越来越低；光伏供电技术取得了快速发展,这就为不更换电池的预付费水表提供了可能。预付费水表的控制系统主要采用了TI公司的MSP430F2121单片机(微控制器)。水流通过流量脉冲转换采样电路被微控制器计数。微控制器是核心部件,它被用来控制RFID射频码的收发、RFID射频码的解密、可充电锂电池的电压检测和保护、水量的核减和阀门开关等。水表电能由非晶硅弱光(阳光的散射辐照)光伏电池提供。

MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器,其中包括一系列器件,它们针对不同的应用而由各种不同的模块组成。这些微控制器被设计的消耗电能很少,平时可将MPU置于省电模式,以中断方式唤醒。灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗。单片机包含数控RC振荡器和一个32768HZ LFXT1低频振荡器。使用低频振荡器产生辅助时钟ACLK,以提供稳定的系统时基和低功耗的工作状态。预付费水表通过定时器中断读取水量脉冲,由中断唤醒MPU。做到了对原湿式基表的最小改动,从而大大降低了预付费水表的成本。预付费水表采用弱光光伏供电技术向表内锂离子电池充电,因此不需更换电池。为了节电RFID无线模块平时处于断电状态,充值时,通过对RFID激活按键操作,可让该模块恢复工作状态。RF射频充值卡(有源):用水户通过RF射频卡即可完成所购水量的信息传送(水量充值)。其微控制器通过RFID模块将带有水量(加密)信息发送给水表；经过解密,水表剩余水量增加并返回数据给RF射频卡,由卡上的LCD屏显示剩余水量,用户可以在家里观察表内剩余水量(距离30m)。充值的过程:用户将射频卡带到售水网点,通过充值盒对射频卡写入含有水量和客户信息的加密码,向水表充值时,先按RFID激活键再按充值键。即可完成对预付费水表的充值。充值过程快速无接触,预付费水表没有暴露在外面的电源接口和IC卡插口,所以外界无法通过接口攻击电路。加密射频码由:客户识别码+水量码+随机码+密钥码组成,可有效防止数码的解密窃水。

4 结语

预付费控制是一项综合控制技术,涉及结构、传动、电子、后台系统等技术,所以随着相关技术问题的不断成熟；预付费领域一定会进入一个快速发展时期。预付费水表将在全国城镇自来水管网改造工程中进一步普及；先进仪表的大规模推广使用必将会有力地促进中国供用水管理的现代化进程。