摘 要：本文從技術發展角度，深入闡述了預付費水表和預付費氣表的技術和發展狀況，并詳細介紹了一種“無需電源維持的預付費水表、氣表”的特點和功能及發展前景，并對數據交換用CPU卡及網絡系統做了簡要說明。

    關鍵詞：無需電源維持 預付費 水表 氣表 CPU卡

    引 言：筆者歷經七年從事預付費領域的技術研究和產品開發，經歷了普通IC卡為交換媒體的預付費方式、鍵盤為媒體的預付費方式和目前研究成功的無需電源維持的預付費方式三個階段。無需電源維持的預付費水表、氣表的發展，具有現實意義，對我國預付費領域的發展將起到積極的作用，因此特籍本次會議，提交論文，供大家探討。

    一、 預付費表的基本特征和預付費控制器的三個基本要素和實現的功能

    1． 預付費表的基本特征：計量基表（水表、氣表）+預付費控制器

    2． 預付費控制器的三個基本要素：獲取計量數據的傳感器、切斷控制、數據交換

    3． 預付費控制器有中央控制器協調，實現計量核減、預付費數據交換、切斷控制，數據顯示和通訊接口是必要的，電源提供是必須的。

    預付費水、氣表是一種利用現代微電子技術對用水量、用氣量進行計量及結算交易的新型水、氣表。這與傳統水表、氣表只具有流量采集和機械指針顯示用水量、用氣量的功能相比，是一個很大的進步。預付費水、氣表除了可對用水量、用氣量進行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量、用氣量自動進行控制。由于其數據傳遞和交易結算通過IC卡等媒介進行，因而可以實現由工作人員上門操表收費到用戶自己去營業所交費的轉變，并且計算**，具有可利用銀行進行結算的特點。

    預付費水表和預付費氣表關鍵技術在與獲取計量儀表的傳感器技術和切斷控制技術，而數據交換技術已經很成熟，并且數據交換只是預付費表的一個基本要素，因此從嚴格意義上講，應該將此類儀表定義為“預付費水表”和“預付費氣表”，而不應定義為“IC卡水表”和“IC卡氣表”，IC卡只是實現預付費功能的一個應用而已。

    預付費水表、氣表的發展及關鍵技術

    為了推動預付費水表、氣表的發展，全國有許多研究機構都投入力量對預付費水表、氣表產品進行了開發研究，很多自來水公司和燃氣公司也積極參與了此項開發工作并成功的開發出了自己的產品。從理論角度看，預付費水表、氣表已經進入了成熟期。但是，為什么現在預付費水表、氣表的推動工作還很困難呢？這不難理解。因為從實際情況看，現在的預付費水表、氣表確實還存在著許多影響其大規模推廣使用的問題。這些問題集中起來主要是1、價格太高；2、質量不可靠；3、存在安全隱患，其中幾個關鍵技術是主要的制約因素。 到目前位置，國內的預付費水表、氣表，基本上是在普通傳統計量儀表上附加預付費控制器實現的冷水水表     冷水水表是預付費水表**的計量基表。常用的冷水水表有DN15和DN20兩種，結構分干式和濕式，顯示方式有計數器和指針兩種,由于干式水表采用磁鐵傳遞數據，容易出現數據丟失造成計量失準，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，但從發展的角度來看，很難被大規模普及應用濕式水表計量**，可以達到B級計量精度，是預付費水表**表型。但信號采集的難度相對要大。

    由于水表零件簡單，所以預付費水表生產廠基本都具備生產水表基表的能力目前國內安裝使用的燃氣表，基本都是膜式氣表。由于氣表生產相對水表難度要大，所以國內的預付費氣表生產廠，基本采用與氣表整機廠合作生產的方式，將預付費控制器嫁接在燃氣表上，實現預付費燃氣表的功能是將水表和氣表計量信號采集、送給預付費控制器用于核減的裝置。由于水表內壓力較大，信號采集難度較大，一般采用干簧管方式，并為防止外部磁鐵干擾，采用多組干簧管進行防護。

    雖然干簧管方式成本高、壽命短、可靠性差，但隨著科學技術的發展，這種信號采集方式是可以成為主流方案的。

    氣表的信號采集方式與水表基本相同 數據交換技術已經很成熟，無論采用IC卡方式交換數據，還是鍵盤輸入方式交換數據，都可以滿足現有產品的需要。

    IC卡的安全方面，已經從過去采用存儲器卡、加密卡，逐漸采用CPU卡和RF 卡，從而確保在數據交換媒介方面的安全。

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

    有鑒于此，在過去的幾年里，采用全封閉鍵盤方式進行數據交換的預付費產品受到普遍歡迎 控制是預付費的核心手段，如果沒有控制，就無法實現預付費，因此，控制是否可靠，關系到預付費產品是否成熟 預付費水表由于壓力較大，實現控制難度相對要大，而系統使用電池供電，所以推動閥門的能量很小，一般采用先導方式的閥門實現切斷控制隨著我國城鎮自來水供應的水質的提高，采用先導閥門是比較可靠的。

    氣表壓力較小，閥門控制較容易: 但要注意防爆。

    目前的預付費水表、預付費氣表，基本都采用電池供電，并且絕大多數采用內置鋰離子電池供電。

     但由于鋰電池性能還不被人們**掌握，以及價格較高等因素，一些研制生產預付費氣表的廠家已經嘗試使用普通電池給系統供電，由用戶更換電池，從而降低產品成本和提高了可靠性。

     隨著微電子技術的快速發展，加上**相關政策的推動，民用計量儀表的智能化將是一個必然的發展方向。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，單體式預付費儀表又將會是發展主流 無需工作電源預付費控制技術      當電池要終結的時候，將出現很多不可想象、難以預料的狀況，從而影響了人民群眾的日常生活，造成供需矛盾，因為電池不可能在同一時段內終結，如果是在相對集中的一段時間內電池終結，可以統一更換，而往往是因電池的性能和用戶使用頻度及環境的差異，造成電池不可能在相對集中的一段時間內終結。 分散不確定地拆卸儀表更換電池，以及誰負責來更換電池，都是將來要發生的問題，如果今天不考慮，將后患無窮電池狀態的監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的可靠性由于系統控制電路處于供電狀態，且開放IC卡數據交換接口，若受到外界的高壓干擾，系統將癱瘓，失去對計量或閥門的控制，從而失去預付費的作用使用電路監視流量計獲取計量數據，就需要性能良好的電傳感器；要使系統**切斷管路，就需要一整套閥門控制系統。因此，價格較高的電池、電池監測電路、性能良好的傳感器、動作可靠的閥門控制系統、復雜的電子顯示器，都將大大提高產品的成本，使預付費表推廣難度加大綜合上述問題，要從根本上解決預付費表存在的性能/價格比矛盾的問題，就必須走創新之路，跳出預付費技術的傳統方案。經過一段時間的研制和測試，我們已經在預付費水表、預付費氣表上實現了無需工作電源的控制功能.  

    2、技術原理 無需工作電源預付費水表和預付費氣表，采用“預置字輪計數器和計數器歸0關閥”技術，從而實現儀表不需要電池維持工作，并且可以安全地使用IC卡進行數據交換從圖中可以看出，整個系統基本是由機械結構實現的，控制電路只有在充值的短時間內由外部電池供電工作，將IC卡的數據轉換成“遞減計數器”的顯示，從而實現“遞減計數器預置系統工作時，水表或氣表的工作方式與普通基表相同，整表的計量精度也取決于基表的計量精度。基表的“累加計數器”通過齒輪與控制系統的“遞減計數器”連接，累加計數器遞增一個計量單位，遞減計數器就遞減一個單位。當遞減計數器為全0時，歸0探測輪進入遞減計數器的全0探測口中，使先導微控桿產生位移，關閉先導閥孔，從而切斷管路，達到預付費控制的目的逆置遞減計數器的過程，就是預付費充值的過程。用戶將具有合法數據的IC卡插入充值盒，充值盒內有電池。將充值盒插到儀表的預留接口上，給系統內的控制電路供電，并讀入IC卡上的數據，然后系統將IC卡的數據通過馬達轉換成遞減計數器字輪的顯示，從而完成預付費數據輸入。

    機械系統在電機的控制下，可以實現遞減計數器在充值的時候與馬達連接，充值完畢自動與累加計數器連接。

    充值完畢后，撤掉外部電源供電，系統**處于機械運行狀態，計量和切斷**靠水流或氣流實現，因此系統工作將非常穩定可靠，從而實現無需工作電源維持系統的運行。

    由于控制電路只實現遞減計數器逆置的單一功能，而不參與計量和切斷，所以外界通過數據接口攻擊電路，使電路癱瘓，但無法達不到攻擊整個系統而實現盜用的目的，因此，產品可以選擇接觸式IC卡作為數據交換媒介。
 
    綜上所述，由于系統采用全新設計理念，突破傳統的設計模式，省去了電池、電池檢測電路、顯示器，從而大大節約了材料成本，使產品極具推廣價值。

    3、產品應用

    預付費控制是一項綜合控制技術，涉及結構、傳動、電子、微控制器、后臺系統、IC卡、閥門、流量計量等學科，所以解決相關技術問題是確保預付費領域發展壯大的前提，只有這樣，才能使預付費產業成為我國**拳頭產業。

    無需工作電源預付費水表命名和規格：WYS15/20，WYS20 。W代表無需工作電源，Y代表預付費，S代表水表，Q代表氣表，15代表DN15標準水表長度，20代表DN20標準水表長度，15/20代表DN15標準水表長度但口徑為DN20標準。

    根據國內外市場需求，無需工作電源預付費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的計量和收費。

    在全國城鎮自來水管網改造和新住宅的建設中，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付費水表配套。

    無需工作電源預付費水表全部采用B級表計量機芯，以及全部采用濕式表芯，從而確保計量**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，并且大多數采用是DN15的標準，因此WYS15/20這一型號的產品非常適合原來采用DN15標準水表的替換，不用改變水管的長度就可直接替換，從而增大流量實現預付費控制。

    對于新住宅和原來采用DN20標準水表的用戶，可采用WYS20標準的水表安裝或替換。

    南方戶外安裝水表的地區，可選擇WYS15/20-G型全不銹鋼產品，防護強度高。

    無需工作電源預付費水表和氣表的工作原理**相同，采用這項技術，可以極大地降低產品成本，提高產品的可靠性，節能環保，可以為本領域節約巨額生產投資，也可為各地自來水公司、燃氣公司選擇安裝預付費產品節省巨額的用戶費用，為預付費產品大規模普及奠定了堅實的基礎，使預付費產品規模應用成為可能。

    一、無需工作電源預付費表使用CPU卡及網絡發行系統介紹

    無需工作電源預付費儀表采用CPU卡作為數據交換方式，但由于儀表本身為廉價大規模普及產品，不適合采用價格昂貴的加密模塊，因此采用自行設計、公開算法的硬件加密方式。在系統運行后，該系統的密鑰受CPU卡控制，由用戶（自來水公司、燃氣公司）自行控制生成，因此安全可靠。

    為實現各地用戶的聯網發卡和數據管理，現已完成網絡系統的設計和系統調試，并研制配備電腦終端讀寫卡POS機，任何人都可以將手持POS系統連接在電腦上，通過網絡系統授權，實現就近發卡。

    二、結論

    隨著科學技術的不斷發展，預付費水表、預付費氣表將會不斷發展完善。在近期內以實現基本預付費為目的廉價的無需工作電源預付費水表將在全國城鎮自來水管網改造工程中大規模普及；無需工作電源預付費氣表將在西氣東輸工程中被大規模采用。

    對這種**儀表的大規模推廣使用將會有力地促進中國供用水管理和供用氣管理的現代化進程。中國在這個方面的超前發展會使這種計量模式得到優先完善，并有可能成為中國的一個有競爭力的產品出口到其它**。