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1、摘 要 为适应国家用水制度的改革，减轻供水部门因“先供水后收费”造成的资金压力，减少因抄表、收费所带来的麻烦纠纷，用现代化科学技术手段改变自来水供水管理体制落后的现状势在必行。基于智能卡的智能水表不仅解决了这些问题，又为节约用水、合理用水创造了条件，所以其得到了越来越广泛的应用。 本论文以基于智能卡的智能水表为研究对象，重点探讨了基于低功耗单片机在智能水表上的应用和开发，针对现有IC卡预付费水表在实际应用中存在的问题，研究了一个基于智能卡的预付费智能水表的设计方案，该方案采用微功耗的ATmega16单片机，完成了基于智能卡的水表的设计，具有稳定性、安全性和低功耗的特点。关键词：智能卡 IC卡
2、ATmega16单片机 低功耗 智能水表ABSTRACT In order to adapt the reform of the national water supply system,lightening the funds pressure of supply before charge”of the department, save resources and money,using the modern science technique change the current administration structure of water supply industry is i
3、mperative under the situation. The application of intelligent water meter not only solve those problem，but also creates a condition for using water frugally and rationally. So ,it obtained more and more widespread application. This paper takes intelligent water-meter system based on IC card as the r
4、esearch object, application and the development of the low power microcontroller in the intelligence instrument is discussed in detail,in view of the existing problem of Intelligent water meter, a design that based on intelligent water meter was research to solve it. This design uses the low power A
5、Tmega16 microcontroller, It has characteristic of stable,secure and low power. KEY WORDS：Intelligent Card SLE4428 Card Atmega16 Microcontroller low power intelligent water-meter目 录第一章 绪论- 1 -1.1课题背景及意义- 1 -1.2国内外智能水表的发展现状及发展趋势- 2 -1.3课题的研究容和内预期目标- 2 -第二章 IC卡的结构及特点- 4 -2.1存储卡- 4 -2.2逻辑加密卡- 4 -2.3 CPU
6、卡- 5 -2.4传输介质的比较- 6 -2.5 SLE4428卡技术说明- 6 -第三章 智能水表的硬件设计- 8 -3.1需求分析- 8 -3.2基于ATmega16单片机的低功耗系统设计- 8 -3.3智能水表工作原理- 9 -3.4智能水表硬件结构设计- 9 -第四章 智能水表的软件设计- 23 -4.1软件设计原则- 23 -4.2智能水表功能模块设计- 24 -4.3 密钥存储和安全性分析- 27 -第五章 智能水表预付费管理系统- 28 -5.1系统管理功能- 28 -5.2信息管理功能- 28 -5.3交费充值管理- 29 -5.4查询统计管理- 29 -5.5监测管理- 29
7、 -结 论- 30 -参考文献- 31 -致谢- 33 -I第一章 绪论1.1课题背景及意义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。节约水资源包括两个方面的措施，一是大力推广应用节水新技术；二是加强用水的科学管理，在某种意义上来说，加强用水科学管理是当前的首要任务。因此，研制一种低功耗、计量精确、方便的智能水表显得极为重要1。长期以来，我国城镇居民所使用的水表普遍是普通机械水表，这种水表价格
8、低廉，性能比较稳定，但是还采用人工抄表、按户收费的模式。此方式存在着工作量大，收费周期长，收费困难，效率低下等缺点。随着我国信息产业的飞速发展，金卡工程的全面实施，实现自来水收费管理的电子化、信息化及网络化己成为可能。水表系统的智能化可以大大提高供水管理部门的工作效率、节约费用，用以改善供水设施，提高居民饮用水质量，同时还能为加强自来水使用的监督管理提供手段，从而在技术上为节约用水合理用水创造条了件2。 微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机(单片机)为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，智能化仪表在测量过程自动化、测量数据处理及
9、功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比，取得了巨大进展。智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。随着科学技术的进一步发展，仪表的智能化程度将越来越高3。 我国目前智能水表新产品开发基本上是借鉴国外先进模式，因为国外在此方面的研究设计起步较早。例如ABB公司的KENT水表采用充电电池，具有按键读数、可以显示日期时间及各户用水量，兼有机械式与电子式读数功能，而且还配有IBM PC兼容机接口，可以进行电话通信。国内的一些企业也对多种智能化水表系统作了研究，但在微功耗、可靠性等方面效果并不理想，因此并未投入大批量生
10、产。从国内外水表行业的目前情况以及水资源的可持续性发展口标来看，我国的传统水表必须进行改进，才能适应社会和经济的发展。本课题就是在综合了国内外水表的发展现况和趋势的情况下提出的4 5。1.2国内外智能水表的发展现状及发展趋势 目前，国内企业与研究机构主要致力于智能网络远传水表和智能卡式水表系统方面的研究开发，如宁波水表厂、上海自来水公司水表厂等都在相继开发远传水表，由于智能网络远传水表系统需要配套远传通信网络支持，其初期投资大，因此只适用于在一些新建住宅小区组成相对独立的小网，所以目前尚未大量投入市场；而后者采用先付费后用水的管理模式，在当前收费困难、人工抄表效率低下的情况下，更能获得供水管理
11、部门的青睐6。 1、智能网络远传水表系统7 就目前来讲，智能网络远传水表又可分为分线制集中抄表方式和总线制智能抄表方式。 (1)分线制集中抄表方式 各种分线制集中抄表方式的基本原理大致相同，即由采集器定时顺序采集来自多路分户线的水表信号，并进行数据处理、存储。各采集器之间采用总线制连接，最后连接到计算机。 (2)总线制智能抄表方式 总线制智能水表由于采集、计数工作单元均安装在智能水表内并密封，水表的数据采集、处理、存贮等基础工作全由智能水表本身完成，手抄器或电脑不参与底层数据采集，仅进行通讯联系，消除了外界因素对计量的影响。2、智能卡式水表系统8 智能卡水表是在当今智能卡技术与市场迅猛发展、单
12、个智能卡及刷卡机性能价格比日益提高的特定时期应运而生的。主要由智能卡式水表、智能卡、读卡器、收费管理信息系统等组成。用户须在供水部门指定售卡点顶购水后刷卡方能使用。它具有限量用水、解决用水收费纠纷的功能，这是其它抄表方式及普通水表上门抄表方式所不能比拟的，并且智能卡水表如同普通水表，无需铺设管线及线路维护，安装方便、维护简单；另外，智能卡水表自带数据采集模块、电源部分、电磁阀(电动阀)控制，由智能卡读入预购水量等信息，使用简单，动作可靠；并且它的前期投资费用低，因此正日益受到供水管理部门的青睐。1.3课题的研究容和内预期目标1.3.1课题的研究内容 本文主要研究的内容包括智能水表的发展历程、I
13、C卡的分类、基于智能卡的智能水表的设计及应用分析。 本文针对智能水表的特点和技术要求，指出了现有IC卡水表系统在实际应用中存在的问题，提出了基于智能卡的水表应用系统的设计。本系统主要由智能卡，控制器及销售管理系统组成。由于采用了基于智能卡的设计方案，极大提高了系统的稳定性和安全性，具有显著的技术优势和较好的发展前景。 本设计方案还采用了微功耗单片机设计技术。在单片机的选型上，采用了ATmega16单片机。ATmega16系列单片机在超低功耗和功能集成等方面有明显的特点，具有处理能力强、运行速度快、功率低等优点，除具备适合应用在自动信号采集系统、电池供电便携式装置、超长时间连续工作的设备等领域的
14、特点外，更具有开发方便、可以现场编程等优点。采用这样的设计方案可以使本系统具有较低的集成度，极大地提高了系统的可靠性和抗干扰能力，同时，对于其他领域中采用IC卡技术的应用更具有一定的借鉴意义。在这样的框架结构和设计思想的指导下，本文主要的研究内容如下：ATmega16系列单片机特点。控制器的工作原理。智能水表硬件电路设计。智能水表软件设计思想。智能卡密钥存储和安全性分析。1.3.2课题的预期目标本次设计的智能水表预期实现的功能有如下几点:水量计量和累积功能。水量统计功能。用水控制功能。数据保持和恢复功能。水表状态检测功能。水表状态、事件、功能卡操作记录功能。水量数据和表状态的查询功能。阀门维护
15、及管理功能。数据检错及纠错功能。电池欠压保护功能。传感器干扰保护。- 2 -第二章 IC卡的结构及特点IC卡又称集成电路卡，是随着半导体技术和存储容量的要求日益提高应运而生的。它将具有加密、存储、处理能力的集成电路芯片镶嵌于塑料基片中，并封装成卡的形式910。根据所镶嵌集成电路的不同，可以将IC卡分成存储卡、逻辑加密卡、CPU卡等，它们各自具有不同的数据保护安全级别。2.1存储卡存储卡是直接将EEPROM芯片封装在卡片上，外部设备可以直接访问到EEPROM中的任何一个单元，如图2-1所示：图2-1 存储卡结构由于存储卡中只有EEPROM一个芯片，因此IC卡的对外接口实际上就是EEPROM的对外接口，这样外部读写设备就可以十分方便地对EEPROM进行数据读写操作，所以，无法对合法或非法的读写设备进行判断和识别，非常容易进行攻击，因此存储卡数据安全级别很低11。2.2逻辑加密卡逻辑加密卡主要由EEPROM和逻辑电路构成，逻辑加密卡是在将EEPROM芯片封装在卡片上的同时，将一组硬件逻辑电路也封装在卡片上，外部读写设备必须通过硬件逻辑电路的判断后才能访问到EEPROM中的
