摘 要：本文從技術(shù)發(fā)展角度，深入闡述了預(yù)付費(fèi)水表和預(yù)付費(fèi)氣表的技術(shù)和發(fā)展?fàn)顩r，并詳細(xì)介紹了一種“無需電源維持的預(yù)付費(fèi)水表、氣表”的特點(diǎn)和功能及發(fā)展前景，并對(duì)數(shù)據(jù)交換用CPU卡及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)做了簡要說明。

    關(guān)鍵詞：無需電源維持 預(yù)付費(fèi) 水表 氣表 CPU卡

    引 言：筆者歷經(jīng)七年從事預(yù)付費(fèi)領(lǐng)域的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)，經(jīng)歷了普通IC卡為交換媒體的預(yù)付費(fèi)方式、鍵盤為媒體的預(yù)付費(fèi)方式和目前研究成功的無需電源維持的預(yù)付費(fèi)方式三個(gè)階段。無需電源維持的預(yù)付費(fèi)水表、氣表的發(fā)展，具有現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)我國預(yù)付費(fèi)領(lǐng)域的發(fā)展將起到積極的作用，因此特籍本次會(huì)議，提交論文，供大家探討。

    一、 預(yù)付費(fèi)表的基本特征和預(yù)付費(fèi)控制器的三個(gè)基本要素和實(shí)現(xiàn)的功能

    1． 預(yù)付費(fèi)表的基本特征：計(jì)量基表（水表、氣表）+預(yù)付費(fèi)控制器

    2． 預(yù)付費(fèi)控制器的三個(gè)基本要素：獲取計(jì)量數(shù)據(jù)的傳感器、切斷控制、數(shù)據(jù)交換

    3． 預(yù)付費(fèi)控制器有中央控制器協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量核減、預(yù)付費(fèi)數(shù)據(jù)交換、切斷控制，數(shù)據(jù)顯示和通訊接口是必要的，電源提供是必須的。

    預(yù)付費(fèi)水、氣表是一種利用現(xiàn)代微電子技術(shù)對(duì)用水量、用氣量進(jìn)行計(jì)量及結(jié)算交易的新型水、氣表。這與傳統(tǒng)水表、氣表只具有流量采集和機(jī)械指針顯示用水量、用氣量的功能相比，是一個(gè)很大的進(jìn)步。預(yù)付費(fèi)水、氣表除了可對(duì)用水量、用氣量進(jìn)行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對(duì)用水量、用氣量自動(dòng)進(jìn)行控制。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算通過IC卡等媒介進(jìn)行，因而可以實(shí)現(xiàn)由工作人員上門操表收費(fèi)到用戶自己去營業(yè)所交費(fèi)的轉(zhuǎn)變，并且計(jì)算**，具有可利用銀行進(jìn)行結(jié)算的特點(diǎn)。

    預(yù)付費(fèi)水表和預(yù)付費(fèi)氣表關(guān)鍵技術(shù)在與獲取計(jì)量儀表的傳感器技術(shù)和切斷控制技術(shù)，而數(shù)據(jù)交換技術(shù)已經(jīng)很成熟，并且數(shù)據(jù)交換只是預(yù)付費(fèi)表的一個(gè)基本要素，因此從嚴(yán)格意義上講，應(yīng)該將此類儀表定義為“預(yù)付費(fèi)水表”和“預(yù)付費(fèi)氣表”，而不應(yīng)定義為“IC卡水表”和“IC卡氣表”，IC卡只是實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能的一個(gè)應(yīng)用而已。

    預(yù)付費(fèi)水表、氣表的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)

    為了推動(dòng)預(yù)付費(fèi)水表、氣表的發(fā)展，全國有許多研究機(jī)構(gòu)都投入力量對(duì)預(yù)付費(fèi)水表、氣表產(chǎn)品進(jìn)行了開發(fā)研究，很多自來水公司和燃?xì)夤疽卜e極參與了此項(xiàng)開發(fā)工作并成功的開發(fā)出了自己的產(chǎn)品。從理論角度看，預(yù)付費(fèi)水表、氣表已經(jīng)進(jìn)入了成熟期。但是，為什么現(xiàn)在預(yù)付費(fèi)水表、氣表的推動(dòng)工作還很困難呢？這不難理解。因?yàn)閺膶?shí)際情況看，現(xiàn)在的預(yù)付費(fèi)水表、氣表確實(shí)還存在著許多影響其大規(guī)模推廣使用的問題。這些問題集中起來主要是1、價(jià)格太高；2、質(zhì)量不可靠；3、存在安全隱患，其中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是主要的制約因素。 到目前位置，國內(nèi)的預(yù)付費(fèi)水表、氣表，基本上是在普通傳統(tǒng)計(jì)量儀表上附加預(yù)付費(fèi)控制器實(shí)現(xiàn)的冷水水表     冷水水表是預(yù)付費(fèi)水表**的計(jì)量基表。常用的冷水水表有DN15和DN20兩種，結(jié)構(gòu)分干式和濕式，顯示方式有計(jì)數(shù)器和指針兩種,由于干式水表采用磁鐵傳遞數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失造成計(jì)量失準(zhǔn)，所以不適合在我國安裝使用，基本都以出口為主。雖然在干式水表上采樣容易，而被一些廠家所采用，但從發(fā)展的角度來看，很難被大規(guī)模普及應(yīng)用濕式水表計(jì)量**，可以達(dá)到B級(jí)計(jì)量精度，是預(yù)付費(fèi)水表**表型。但信號(hào)采集的難度相對(duì)要大。

    由于水表零件簡單，所以預(yù)付費(fèi)水表生產(chǎn)廠基本都具備生產(chǎn)水表基表的能力目前國內(nèi)安裝使用的燃?xì)獗恚径际悄な綒獗?。由于氣表生產(chǎn)相對(duì)水表難度要大，所以國內(nèi)的預(yù)付費(fèi)氣表生產(chǎn)廠，基本采用與氣表整機(jī)廠合作生產(chǎn)的方式，將預(yù)付費(fèi)控制器嫁接在燃?xì)獗砩希瑢?shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼墓δ苁菍⑺砗蜌獗碛?jì)量信號(hào)采集、送給預(yù)付費(fèi)控制器用于核減的裝置。由于水表內(nèi)壓力較大，信號(hào)采集難度較大，一般采用干簧管方式，并為防止外部磁鐵干擾，采用多組干簧管進(jìn)行防護(hù)。

    雖然干簧管方式成本高、壽命短、可靠性差，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種信號(hào)采集方式是可以成為主流方案的。

    氣表的信號(hào)采集方式與水表基本相同 數(shù)據(jù)交換技術(shù)已經(jīng)很成熟，無論采用IC卡方式交換數(shù)據(jù)，還是鍵盤輸入方式交換數(shù)據(jù)，都可以滿足現(xiàn)有產(chǎn)品的需要。

    IC卡的安全方面，已經(jīng)從過去采用存儲(chǔ)器卡、加密卡，逐漸采用CPU卡和RF 卡，從而確保在數(shù)據(jù)交換媒介方面的安全。

     但是，由于預(yù)付費(fèi)水表和預(yù)付費(fèi)氣表均采用電池供電，沒有額外的能量維持保護(hù)電路工作，所以無法抵御來自IC卡卡口的干擾，容易造成系統(tǒng)癱瘓，失去控制。到目前為止，全世界范圍內(nèi)還沒有一個(gè)廠家宣稱自己的產(chǎn)品可以抵御來自卡口攻擊并且達(dá)到實(shí)用化程度的預(yù)付費(fèi)水表、氣表產(chǎn)品上市。

    有鑒于此，在過去的幾年里，采用全封閉鍵盤方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的預(yù)付費(fèi)產(chǎn)品受到普遍歡迎 控制是預(yù)付費(fèi)的核心手段，如果沒有控制，就無法實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)，因此，控制是否可靠，關(guān)系到預(yù)付費(fèi)產(chǎn)品是否成熟 預(yù)付費(fèi)水表由于壓力較大，實(shí)現(xiàn)控制難度相對(duì)要大，而系統(tǒng)使用電池供電，所以推動(dòng)閥門的能量很小，一般采用先導(dǎo)方式的閥門實(shí)現(xiàn)切斷控制隨著我國城鎮(zhèn)自來水供應(yīng)的水質(zhì)的提高，采用先導(dǎo)閥門是比較可靠的。

    氣表壓力較小，閥門控制較容易: 但要注意防爆。

    目前的預(yù)付費(fèi)水表、預(yù)付費(fèi)氣表，基本都采用電池供電，并且絕大多數(shù)采用內(nèi)置鋰離子電池供電。

     但由于鋰電池性能還不被人們**掌握，以及價(jià)格較高等因素，一些研制生產(chǎn)預(yù)付費(fèi)氣表的廠家已經(jīng)嘗試使用普通電池給系統(tǒng)供電，由用戶更換電池，從而降低產(chǎn)品成本和提高了可靠性。

     隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，加上**相關(guān)政策的推動(dòng)，民用計(jì)量儀表的智能化將是一個(gè)必然的發(fā)展方向。這不僅是中國的一種趨勢，也將成為世界性的趨勢。而在近十年里，單體式預(yù)付費(fèi)儀表又將會(huì)是發(fā)展主流 無需工作電源預(yù)付費(fèi)控制技術(shù)      當(dāng)電池要終結(jié)的時(shí)候，將出現(xiàn)很多不可想象、難以預(yù)料的狀況，從而影響了人民群眾的日常生活，造成供需矛盾，因?yàn)殡姵夭豢赡茉谕粫r(shí)段內(nèi)終結(jié)，如果是在相對(duì)集中的一段時(shí)間內(nèi)電池終結(jié)，可以統(tǒng)一更換，而往往是因電池的性能和用戶使用頻度及環(huán)境的差異，造成電池不可能在相對(duì)集中的一段時(shí)間內(nèi)終結(jié)。 分散不確定地拆卸儀表更換電池，以及誰負(fù)責(zé)來更換電池，都是將來要發(fā)生的問題，如果今天不考慮，將后患無窮電池狀態(tài)的監(jiān)測需要整套的電子電路，需要消耗能量，其可靠性也將影響整機(jī)的可靠性由于系統(tǒng)控制電路處于供電狀態(tài)，且開放IC卡數(shù)據(jù)交換接口，若受到外界的高壓干擾，系統(tǒng)將癱瘓，失去對(duì)計(jì)量或閥門的控制，從而失去預(yù)付費(fèi)的作用使用電路監(jiān)視流量計(jì)獲取計(jì)量數(shù)據(jù)，就需要性能良好的電傳感器；要使系統(tǒng)**切斷管路，就需要一整套閥門控制系統(tǒng)。因此，價(jià)格較高的電池、電池監(jiān)測電路、性能良好的傳感器、動(dòng)作可靠的閥門控制系統(tǒng)、復(fù)雜的電子顯示器，都將大大提高產(chǎn)品的成本，使預(yù)付費(fèi)表推廣難度加大綜合上述問題，要從根本上解決預(yù)付費(fèi)表存在的性能/價(jià)格比矛盾的問題，就必須走創(chuàng)新之路，跳出預(yù)付費(fèi)技術(shù)的傳統(tǒng)方案。經(jīng)過一段時(shí)間的研制和測試，我們已經(jīng)在預(yù)付費(fèi)水表、預(yù)付費(fèi)氣表上實(shí)現(xiàn)了無需工作電源的控制功能.  

    2、技術(shù)原理 無需工作電源預(yù)付費(fèi)水表和預(yù)付費(fèi)氣表，采用“預(yù)置字輪計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)器歸0關(guān)閥”技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)儀表不需要電池維持工作，并且可以安全地使用IC卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換從圖中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)基本是由機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，控制電路只有在充值的短時(shí)間內(nèi)由外部電池供電工作，將IC卡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成“遞減計(jì)數(shù)器”的顯示，從而實(shí)現(xiàn)“遞減計(jì)數(shù)器預(yù)置系統(tǒng)工作時(shí)，水表或氣表的工作方式與普通基表相同，整表的計(jì)量精度也取決于基表的計(jì)量精度。基表的“累加計(jì)數(shù)器”通過齒輪與控制系統(tǒng)的“遞減計(jì)數(shù)器”連接，累加計(jì)數(shù)器遞增一個(gè)計(jì)量單位，遞減計(jì)數(shù)器就遞減一個(gè)單位。當(dāng)遞減計(jì)數(shù)器為全0時(shí)，歸0探測輪進(jìn)入遞減計(jì)數(shù)器的全0探測口中，使先導(dǎo)微控桿產(chǎn)生位移，關(guān)閉先導(dǎo)閥孔，從而切斷管路，達(dá)到預(yù)付費(fèi)控制的目的逆置遞減計(jì)數(shù)器的過程，就是預(yù)付費(fèi)充值的過程。用戶將具有合法數(shù)據(jù)的IC卡插入充值盒，充值盒內(nèi)有電池。將充值盒插到儀表的預(yù)留接口上，給系統(tǒng)內(nèi)的控制電路供電，并讀入IC卡上的數(shù)據(jù)，然后系統(tǒng)將IC卡的數(shù)據(jù)通過馬達(dá)轉(zhuǎn)換成遞減計(jì)數(shù)器字輪的顯示，從而完成預(yù)付費(fèi)數(shù)據(jù)輸入。

    機(jī)械系統(tǒng)在電機(jī)的控制下，可以實(shí)現(xiàn)遞減計(jì)數(shù)器在充值的時(shí)候與馬達(dá)連接，充值完畢自動(dòng)與累加計(jì)數(shù)器連接。

    充值完畢后，撤掉外部電源供電，系統(tǒng)**處于機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)量和切斷**靠水流或氣流實(shí)現(xiàn)，因此系統(tǒng)工作將非常穩(wěn)定可靠，從而實(shí)現(xiàn)無需工作電源維持系統(tǒng)的運(yùn)行。

    由于控制電路只實(shí)現(xiàn)遞減計(jì)數(shù)器逆置的單一功能，而不參與計(jì)量和切斷，所以外界通過數(shù)據(jù)接口攻擊電路，使電路癱瘓，但無法達(dá)不到攻擊整個(gè)系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)盜用的目的，因此，產(chǎn)品可以選擇接觸式IC卡作為數(shù)據(jù)交換媒介。
 
    綜上所述，由于系統(tǒng)采用全新設(shè)計(jì)理念，突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，省去了電池、電池檢測電路、顯示器，從而大大節(jié)約了材料成本，使產(chǎn)品極具推廣價(jià)值。

    3、產(chǎn)品應(yīng)用

    預(yù)付費(fèi)控制是一項(xiàng)綜合控制技術(shù)，涉及結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)、電子、微控制器、后臺(tái)系統(tǒng)、IC卡、閥門、流量計(jì)量等學(xué)科，所以解決相關(guān)技術(shù)問題是確保預(yù)付費(fèi)領(lǐng)域發(fā)展壯大的前提，只有這樣，才能使預(yù)付費(fèi)產(chǎn)業(yè)成為我國**拳頭產(chǎn)業(yè)。

    無需工作電源預(yù)付費(fèi)水表命名和規(guī)格：WYS15/20，WYS20 。W代表無需工作電源，Y代表預(yù)付費(fèi)，S代表水表，Q代表氣表，15代表DN15標(biāo)準(zhǔn)水表長度，20代表DN20標(biāo)準(zhǔn)水表長度，15/20代表DN15標(biāo)準(zhǔn)水表長度但口徑為DN20標(biāo)準(zhǔn)。

    根據(jù)國內(nèi)外市場需求，無需工作電源預(yù)付費(fèi)水表采用透明材料的PC材料制造外殼，因此可以用于純凈水和直供水供應(yīng)的計(jì)量和收費(fèi)。

    在全國城鎮(zhèn)自來水管網(wǎng)改造和新住宅的建設(shè)中，基本采用了鋁塑管，因此適合采用PC材料制造的無需工作電源預(yù)付費(fèi)水表配套。

    無需工作電源預(yù)付費(fèi)水表全部采用B級(jí)表計(jì)量機(jī)芯，以及全部采用濕式表芯，從而確保計(jì)量**可靠和避免外界磁場干擾。

    由于老式住宅更換自來水表比較困難，并且大多數(shù)采用是DN15的標(biāo)準(zhǔn)，因此WYS15/20這一型號(hào)的產(chǎn)品非常適合原來采用DN15標(biāo)準(zhǔn)水表的替換，不用改變水管的長度就可直接替換，從而增大流量實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)控制。

    對(duì)于新住宅和原來采用DN20標(biāo)準(zhǔn)水表的用戶，可采用WYS20標(biāo)準(zhǔn)的水表安裝或替換。

    南方戶外安裝水表的地區(qū)，可選擇WYS15/20-G型全不銹鋼產(chǎn)品，防護(hù)強(qiáng)度高。

    無需工作電源預(yù)付費(fèi)水表和氣表的工作原理**相同，采用這項(xiàng)技術(shù)，可以極大地降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品的可靠性，節(jié)能環(huán)保，可以為本領(lǐng)域節(jié)約巨額生產(chǎn)投資，也可為各地自來水公司、燃?xì)夤具x擇安裝預(yù)付費(fèi)產(chǎn)品節(jié)省巨額的用戶費(fèi)用，為預(yù)付費(fèi)產(chǎn)品大規(guī)模普及奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使預(yù)付費(fèi)產(chǎn)品規(guī)模應(yīng)用成為可能。

    一、無需工作電源預(yù)付費(fèi)表使用CPU卡及網(wǎng)絡(luò)發(fā)行系統(tǒng)介紹

    無需工作電源預(yù)付費(fèi)儀表采用CPU卡作為數(shù)據(jù)交換方式，但由于儀表本身為廉價(jià)大規(guī)模普及產(chǎn)品，不適合采用價(jià)格昂貴的加密模塊，因此采用自行設(shè)計(jì)、公開算法的硬件加密方式。在系統(tǒng)運(yùn)行后，該系統(tǒng)的密鑰受CPU卡控制，由用戶（自來水公司、燃?xì)夤荆┳孕锌刂粕桑虼税踩煽俊?

    為實(shí)現(xiàn)各地用戶的聯(lián)網(wǎng)發(fā)卡和數(shù)據(jù)管理，現(xiàn)已完成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試，并研制配備電腦終端讀寫卡POS機(jī)，任何人都可以將手持POS系統(tǒng)連接在電腦上，通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)授權(quán)，實(shí)現(xiàn)就近發(fā)卡。

    二、結(jié)論

    隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，預(yù)付費(fèi)水表、預(yù)付費(fèi)氣表將會(huì)不斷發(fā)展完善。在近期內(nèi)以實(shí)現(xiàn)基本預(yù)付費(fèi)為目的廉價(jià)的無需工作電源預(yù)付費(fèi)水表將在全國城鎮(zhèn)自來水管網(wǎng)改造工程中大規(guī)模普及；無需工作電源預(yù)付費(fèi)氣表將在西氣東輸工程中被大規(guī)模采用。

    對(duì)這種**儀表的大規(guī)模推廣使用將會(huì)有力地促進(jìn)中國供用水管理和供用氣管理的現(xiàn)代化進(jìn)程。中國在這個(gè)方面的超前發(fā)展會(huì)使這種計(jì)量模式得到優(yōu)先完善，并有可能成為中國的一個(gè)有競爭力的產(chǎn)品出口到其它**。