Diseño de contadores de agua inteligentes

2.1 Medidor base de señalización

El medidor base de señalización es un dispositivo de señalización instalado en un medidor de agua mecánico ordinario para proporcionar señales de medición al circuito de control electrónico principal del medidor de agua para lograr una medición automática. medición de agua. El dispositivo transmisor del medidor de agua consta de un pequeño imán y un elemento magnético sensible en una determinada relación posicional. Cuando fluye una unidad de medida (generalmente 0,01 m3 o 0,1 m3) de agua, el elemento magnético sensible envía una señal de pulso al medidor. Circuito de control principal para el conteo. Los sensores magnéticos de uso común incluyen interruptores de láminas y elementos Hall. Los interruptores de láminas tienen ventajas obvias en los medidores de agua inteligentes de micropotencia alimentados por baterías debido a su rendimiento de consumo de energía cero en estado estático, y la vida útil de los interruptores de láminas de alta calidad de más de 1 millón de veces puede cumplir completamente con la vida útil de el medidor de agua. El consumo de energía de los elementos Hall es generalmente del nivel de mA. Aunque también han aparecido nuevos productos con microconsumo de energía (como el elemento Hall de conmutación A3210 de Allegro, que tiene un consumo de energía estática de solo 1 μA), su precio es relativamente caro. .

2.2 Válvula de control

El medidor de agua inteligente controla la apertura y el cierre de la válvula de entrada de agua del medidor de agua a través del circuito de control principal, logrando así el propósito de controlar el agua del usuario. usar. Por lo tanto, la confiabilidad debe ser un punto clave en el diseño de válvulas. En los primeros días del diseño de medidores de agua inteligentes, cabe decir que las válvulas solenoides son una opción común debido a su estructura simple y bajo consumo de energía. Sin embargo, después de repetidas pruebas, sus deficiencias inevitablemente quedan al descubierto. En resumen, en primer lugar, la válvula solenoide tiene poca resistencia a los golpes, que también es la debilidad más fatal. En segundo lugar, las piezas de plástico de la válvula solenoide se deforman y corroen fácilmente en un entorno de inmersión en agua a largo plazo, lo que afecta la vida útil de la válvula; rendimiento de conmutación. Como resultado, surgió la tendencia de diseño de las válvulas eléctricas. Aunque en comparación con las válvulas solenoides, su estructura es más compleja y su consumo de energía es mayor, bajo la premisa de confiabilidad, las válvulas eléctricas deberían tener más perspectivas de aplicación. Se necesitan más ajustes estructurales. La válvula eléctrica biestable es una idea de diseño que utiliza conducción electromagnética para accionar la válvula eléctrica y reducir el consumo de energía.

2.3 Circuito de control principal

2.3.1 Diagrama de bloques estructural

Figura 1

2.3.2 Selección de CPU

El medidor de agua inteligente es un pequeño sistema que funciona con baterías. Por lo tanto, la selección de la CPU debe centrarse en el bajo voltaje, el bajo consumo de energía y la alta capacidad de carga. Los microcontroladores de la serie PIC de Microchip tienen ventajas generales obvias a este respecto. Y su estructura única de conjunto de instrucciones reducidas (RISC) y la estructura Harvard del bus pueden ahorrar la mitad del código del programa y aumentar la velocidad de instrucción aproximadamente cinco veces en comparación con microcontroladores similares, por lo que es una opción ideal. Teniendo en cuenta el rendimiento, PIC16C57 y PIC16C62 son dos buenas opciones. Ambos tienen temporizadores Watchdog incorporados. El primero tiene EPROM de 2K*12 bits, RAM de 80*8 bits y 20 puertos de E/S. *EPROM de 14 bits, 128 RAM, 20 puertos de E/S e interrupciones de 7 niveles. Por supuesto, PIC16C57 es más barato, pero debido a que no tiene función de interrupción, solo se puede usar el método de consulta en el diseño de software. En comparación con el método de interrupción, es ligeramente inferior en el ahorro de consumo de energía, pero el impacto no es significativo.

2.3.3 Memoria de datos

La memoria de datos se utiliza para almacenar diversa información sobre el medidor de agua calculado y procesado por la CPU, como el volumen de compra de agua, el consumo de agua y el código de usuario. , etc. espera. La memoria universal E2PROM AT24LC01 de 256*8 bits de ATMEL es simple y fácil de usar, y el precio es muy bajo, lo que puede satisfacer completamente los requisitos de uso. Aunque existen muchas memorias programables de monitoreo y cifrado con un rendimiento superior, no son necesarias en productos como los medidores de agua inteligentes, porque la placa de circuito está sellada en el medidor de agua y el intercambio de datos entre la CPU y la memoria no hay interfaces externas. , por lo que no hay posibilidad de que le roben la sierra.

2.3.4 Lectura y escritura de tarjetas IC

El módulo de lectura y escritura de tarjetas IC es el circuito de interfaz lógica entre el circuito de control principal y la tarjeta IC. Primero debe poder hacerlo. para proporcionar energía a la tarjeta IC y cumplir con los requisitos de desenchufar y desenchufar sin energía (si se enchufa y desenchufa con la alimentación encendida, puede causar daños a la tarjeta IC o incluso dañar la tarjeta IC), lo que se puede lograr a través de ambos hardware. y software. Como se muestra en la Figura 2, cuando la CPU detecta que la tarjeta IC está insertada a través del interruptor de detección de tarjeta IC del portatarjetas IC, el puerto IC-PWR emite un nivel bajo después de un retraso apropiado (aproximadamente 10 ms) y el nivel bajo El transistor de potencia 9012 controla el corte de la fuente de alimentación de 5 V. De manera similar, durante el diseño del software, cuando se completa la lectura y escritura de la tarjeta IC, el puerto IC-PWR envía un nivel alto a tiempo para cortar la fuente de alimentación. tarjeta IC para poder extraerla.

Además, todas las piezas de la interfaz de la tarjeta IC deben estar equipadas con diodos de protección de sujeción. Estos diodos pueden controlar estrictamente el voltaje en cada pin entre -VD ~ VCC VD (VD es el voltaje positivo del diodo). caída de voltaje, generalmente alrededor de 0,6 V). De esta manera, se puede suprimir la sobretensión instantánea causada por interferencias de línea y fluctuaciones en los bordes de los cambios de nivel lógico, proporcionando medidas de protección adicionales para la tarjeta IC.

Figura 2

2.3.5 Control de la válvula de cierre

La conmutación de la válvula del medidor de agua se realiza mediante la CPU que conduce regularmente el circuito eléctrico de conmutación de acuerdo Para ciertas condiciones de conmutación, hay dos puntos clave que se deben dominar en el diseño del control de la válvula de conmutación: primero, controlar el tiempo de salida actual del circuito de la válvula de conmutación en el software, es decir, el tiempo de conducción del circuito. la batería consumirá demasiada energía; si el tiempo es demasiado corto, no logrará un cambio confiable de válvulas. En segundo lugar, debe haber un circuito de almacenamiento de energía para cerrar la válvula en el circuito de hardware. Cuando la fuente de alimentación pierde energía, el circuito puede liberar energía eléctrica a tiempo para cerrar la válvula.

2.3.6 Detección de bajo voltaje

La detección de bajo voltaje es un tema muy importante para los sistemas de microcomputadoras de un solo chip. Hasta cierto punto, garantiza un funcionamiento confiable del sistema y evita. errores de datos. Lo mismo ocurre en el diseño de contadores de agua inteligentes. Específicamente, cuando el sistema se apaga hasta un voltaje umbral (el voltaje umbral debe ser mayor que el voltaje operativo más bajo de la CPU), la señal debe transmitirse a la CPU a través del circuito de detección de voltaje correspondiente, y la CPU realizará una prueba de software. restablecer el sistema de manera oportuna. Como detector de voltaje, puede elegir el producto de la serie HT70 de Hetai Company. Este producto tiene un precio bajo y especificaciones completas.

2.3.7 Pantalla

La visualización de la información del medidor de agua inteligente (almacenamiento de agua, estado de la válvula de conmutación, estado de la batería, etc.) se puede completar a través del módulo LCD serie, que se comunica con la CPU La interfaz es simple y solo ocupa tres líneas de interfaz: DATA, WR y CS. En comparación con los módulos LCD paralelos, ahorra en gran medida los recursos del puerto de E/S de la CPU. Además, para cumplir con los requisitos de bajo consumo de energía tanto como sea posible, la pantalla LCD se puede mantener en estado de suspensión en horarios normales y mostrarse al activarla insertando una tarjeta.

2.3.8 Procesamiento de señales de pulso

Para las señales de pulso de la tabla base de señalización, se debe realizar un procesamiento anti-jitter durante el diseño del software. Porque en la vida real a menudo nos encontramos con una situación así: cuando entra una cierta cantidad de aire en la tubería de agua y se abre el grifo para usar agua, la tubería de agua vibrará instantáneamente si cambia la posición del imán y el tubo de lengüeta. Para estar en un estado crítico en este momento, enviará continuamente señales de pulso a la CPU, lo que hará que la CPU no pueda contar correctamente. La medida correspondiente es retrasar adecuadamente después de que la CPU reciba una señal de pulso (este retraso solo debe ser menor que el tiempo máximo de activación del imán y del interruptor de láminas cuando el medidor de agua está sobrecargado). Luego verifique si la señal aún existe. De lo contrario, se considera una señal falsa.

2.3.9 Módulo antiataque

El módulo antiataque es un circuito de protección configurado para evitar ataques maliciosos al puerto de bayoneta utilizando alto voltaje, electricidad estática y otros medios para causar parálisis del sistema. Los fabricantes nacionales como Beijing Watchchi Company y Fulgen Company pueden proporcionar productos moldeados, que tienen un rendimiento relativamente confiable.

2.4 Selección de tarjeta

En términos de división de funciones, las tarjetas IC se pueden dividir en tres categorías: tarjetas de memoria ordinarias, tarjetas de cifrado lógico y tarjetas de CPU.

Como portador de información entre los usuarios y el departamento de suministro de agua, las tarjetas también son una especie de moneda electrónica. Además de la confiabilidad, la seguridad debe ser la consideración principal.

Los chips de tarjetas de memoria comunes no tienen lógica de seguridad. Sin embargo, los diseñadores generalmente consideran la seguridad de los datos combinando un determinado algoritmo de cifrado con almacenamiento continuo, debido a que el contenido de las tarjetas de memoria comunes se puede leer a través de la tarjeta. Directamente, los datos pueden manipularse a voluntad y es probable que los datos reales se obtengan mediante comparaciones repetidas muchas veces, por lo que la seguridad es deficiente y no se recomienda su uso.

La tarjeta de cifrado lógico proporciona la función de comparación de contraseña de hardware lógico del circuito. Generalmente, solo se puede acceder a los datos del área de aplicación en la tarjeta a través de la contraseña de usuario y la contraseña del área de aplicación. la tarjeta. Una vez ingresada, si el número de contraseñas incorrectas excede el número establecido por el contador de contraseñas, la tarjeta se bloqueará sola. Sin embargo, los datos se transmiten en código claro en el puerto de E/S de la tarjeta. Si los datos se obtienen mediante escuchas con un instrumento, se puede lograr el propósito de fabricar una tarjeta falsa. El enfoque habitual es cifrar los datos importantes de la tarjeta utilizando algoritmos criptográficos aceptados internacionalmente, como DES y RSA, como medio eficaz para evitar las escuchas ilegales. Las tarjetas de cifrado lógicas son relativamente baratas si los cargos del medidor de agua inteligente no están incluidos en el sistema de tarjetas de la ciudad, entonces serán una buena opción. Por ejemplo, el SLE4442 de Siemens contiene memoria de datos E2PROM de 256*8 bits, memoria de protección de 32*1 bits y una lógica de código de seguridad programable (PSC), que está más en línea con los requisitos de las tarjetas de medidores de agua.

El propio chip de la tarjeta CPU integra un microprocesador y tiene su propio sistema operativo on-chip (COS). En comparación con las tarjetas de cifrado lógico, las principales ventajas de las tarjetas CPU se reflejan en dos aspectos: primero, el mecanismo de seguridad es más estricto y su sistema operativo en el chip (COS) puede administrar claves de manera efectiva y permitir que los datos se almacenen en la tarjeta. Los cálculos de cifrado y las comparaciones se realizan dentro de la tarjeta para identificar mutuamente la legitimidad de la tarjeta, el titular de la tarjeta y el dispositivo de lectura de la tarjeta; en segundo lugar, una tarjeta tiene una gran flexibilidad en múltiples usos y puede ser compatible con varias aplicaciones diferentes al mismo tiempo. La tarjeta y la interoperabilidad del sistema se controlan mediante el software almacenado en la tarjeta y en el sistema. Especialmente el segundo punto, no se puede dudar del significado de la carta. Pero el uso específico de tarjetas para contadores de agua debería depender de la situación, porque después de todo, el precio de las tarjetas de CPU sigue siendo alto.

2.5 Diagrama de flujo del software

La Figura 3 es el proceso de software diseñado en base al método de consulta:

Figura 3