一种无损耗无偏差IC卡远传水表的研制研究

谷同会，付力峰，王玉坤

（1．河北省水利科学研究院，石家庄 050057；2．石家庄市军锋科创科技有限公司，石家庄 050004）

一种无损耗无偏差IC卡远传水表的研制研究

谷同会1，付力峰2，王玉坤1

（1．河北省水利科学研究院，石家庄 050057；2．石家庄市军锋科创科技有限公司，石家庄 050004）

通过收集、整理和研究国内水资源管理中智能IC卡发讯水表的资料，发现在用的发讯水表不同程度地存在很多问题。通过深入研究远传水表的现状，将特殊功能的图像传感器和廉价的微处理器内置于发讯基表内部，该微处理器在基表前端对用水图像信息用特定算法进行解读后再压缩上传到测控中心，设计了水表线阵图像抄表单元。相信它对于提升供水管理部门的工作效率，减少水费征收纠纷问题会起到良好作用。

水资源管理；无损耗无偏差；远传水表；研制研究

取水计量是强化水资源管理，实施取水许可制度，实现水资源宏观调控、优化配置的重要措施。目前，城市供水计量用水到户是国家实施节水管理的强制性政策和收费依据，农村供水计量也是我国未来的发展方向，是实行最严格水资源管理制度、提高管理水平的重要手段。除农业地表水灌区可以利用渠首水工建筑物或者专用计量设备计量管理外，城市供水和农业机井供水计量大多采用输水管道加水表或流量计管理方式，以水表为基表［1］，在此基础上发展了智能（IC）水表或叫发讯远传水表［2-3］，本文就水资源计量管理中“一种无损耗无偏差远传水表的研制”进行了研究。

1 现状概述

为了提高水表的抄表效率和实时了解用户用水信息，很多自来水公司都在广泛使用各种远传发讯水表系统（以下简称发讯水表）。通过收集、整理和研究国内发讯水表的资料，发现在用的发讯水表不同程度地存在很多问题。

1.1 磁性开关（如干簧管，霍尔元件，韦根传感等方式）发讯水表

这类水表原理是基表每计量一定水量，例如0.1t或1t，磁性开关发出一个代表用水计量单位的电脉冲。后续的信息处理电路，通过不断地累加所接收到的电脉冲个数来计算用户的用水量。这种发讯水表存在4个致命缺陷：①每个发讯水表需要配备1块备用电池来保存用水信息，导致水表成本增加，而且需要定期更换电池，大量替换下来的锂电池存在一定的危险性（参见国内外关于锂电池爆炸报道［4-6］。同时，笔者就曾经遇到过两次锂电池爆炸的事件），并对环境造成了严重污染。②由于采用的干簧管属于机械性开关，其吸合次数有限。因此干簧管会随着磁片吸合次数增加，触点闭合可靠性降低，造成计量准确度下降。发讯水表机械显示和电子显示的偏差会不断增加，导致自来水公司和用户的结算纠纷不断产生和激化。③磁铁与干簧管之间的相互作用力会阻碍机械指针的转动，从而增加基表的始动水量，最终表现为“水在流，表不走”的现象，不断加大各用户分表水量之和与总管道大表用水量之间存在的计量偏差。④水中含有的铁粉或导磁的粉末颗粒会不断吸附在水中磁铁表面，最终会导致水表旋转计量部分受阻，水表报废。

1.2 光电传感发讯水表

这类水表的工作原理是用户用水时，水表指针带动一个圆盘旋转，圆盘上有间断的透明和不透明区域。转动的圆盘不断改变通过光线的强弱，利用光电传感器感应光线的强弱来完成用水信息电脉冲的产生。这种水表仍需要为每个发讯水表配备1个备用电池来保存用水信息，依然存在之前描述的缺陷。

1.3 电阻编码远传水表

这类远传水表通过流水驱动机械基表上与每个指针轴同步转动的滑动电阻触点完成用水信息的收集。对应于一般的家用水表的计量精度一般是0.01t，即用户每使用0.01t水，滑动电阻的触点摩擦滑动一个特定长度。由于存在机械摩擦的损耗，随着用水量增多，滑动电阻的电触点会很快失效。这类似于以前的老式收音机、电视机等音量旋钮开关，经过很短时间使用后，音量调节时有杂音或音量大小突变的现象。由于基表上的每个指针轴都有一个电位器，造成电触点出现失效的可能性成倍增加。同时由于存在电触点与电阻之间的摩擦阻力，因此这类水表也存在电触点容易失效，水表始动流量大的缺陷。

1.4 结算

通过摄像头将水表的用水信息图像采集并上传到测控中心进行结算。这样的方案也存在一些弊端：①由于摄像头采集的用水信息是图片格式，因此信息量会非常大。为了降低系统的成本，不可能在每块水表上用高价位微处理器进行图像解码，而是将图像信息直接上传到采集中心，这样会造成数据通讯量剧增，这些海量信息数据如果通过GPRS方式远距离传输，会造成难以承受的巨额流量费。②对图像的判别和用水信息的更新登记，增加了测控中心的日常工作量，降低了工作能效。③为了拍摄表头的机械指数，同时为了保证拍摄的用水信息与用户看到的用水信息一致，需要将摄像头安装在基表外部，进而增加了系统成本、安装费用，维护费用（定期镜头清洁等）；同时防破坏性能降低，更容易被破坏。

2 解决思路概述

通过深入地研究远传水表的现状，将特殊功能的图像传感器和廉价的微处理器内置于发讯基表内部（如图1），并使用该微处理器在基表前端将用水图像信息（如图2）按照特定算法（如图3）进行解读后再压缩上传到测控中心。

图1 编码字轮排布位置

图2 编码字轮图案数字对应关系

图3 编码字轮指数位置计算

3 实现方式

为了实现低成本、高可靠性图像远传，首先采用CCD线阵图像传感器TCD1206SUP进行编码图像读取，然后利用低价位的微处理器对图像信息进行判读解码后，将计算得到的用水信息压缩和上传。

3.1 TCD1206的主要特点

TCD1206是一款高灵敏度、低暗电流、2160像元的双沟道线阵CCD图像传感器。由2236个PN结光电二极管构成光敏元阵列，其中前64个和后12个是用作暗电流检测而被遮蔽的，中间2160个光电二极管是曝光像敏单元，每个光敏单元的尺寸为长14μm、高14μm，中心距亦为14μm。光敏元阵列总长30.24mm［7］。

3.2 TCD1206的主要特性

①光敏像元数为2160像元；②像敏单元为：14μm×14μm（相邻像元中心距为14μm）；③光谱范围为250～1100nm；④光敏区域采用高灵敏度PN结作为光敏单元；⑤时钟为二相（5V）；⑥内部电路包含采样保持电路，输出预放大电路；⑦采用22引脚DIP封装。

3.3 TCD1206的结构原理

TCD1206是二相电极的双沟道线型CCD，其结构原理如图4所示。中间一排是由多个光敏二极管构成的光敏阵列，有效单元为2160位，其作用是接收照射到CCD硅片的光，并将其转化成电荷信号，光敏元两侧是存储其电荷的MOS电容列存储栅。MOS电容列两侧是转移栅电极SH。转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿单元构成。

图4 TCD1206结构原理图

4 驱动时序分析及驱动设计

TCD1206在图5所示的驱动脉冲作用下工作。当SH脉冲高电平到来时，准1脉冲为高电平，其下形成深势阱，同时SH的高电平使准1电极下的深势阱与MOS电容存储势阱沟通。MOS电容中的信号电荷包通过转移栅转移到模拟移位寄存器的准1电极下的势阱中。当SH由高变低时，SH低电平形成的浅势阱将存储栅下的势阱与准1电极下的势阱隔离开。存储栅势阱进入光积分状态，而模拟移位寄存器将在准1与准2脉冲的作用下驱使转移到准1电极下势阱中的信号电荷向左转移，并经输出电路由OS电极输出。DOS端输出补偿信号。

图5 TCD1206驱动时序

5 信息判读的实现方法

5.1 编码字轮详细说明

在基表的数码字轮上印刷有代表该位数字的编码图像，如图2所示。不同的数字位置对应黑色着色区占编码框宽度的不同比例。比如，数字6对应黑色着色区为编码框的60%；数字2对应黑色着色区为编码框的20%；其他数字依次类推。唯一特殊的就是数字0，当黑色着色区为编码区100%表示达到本轮数字的10，当黑着色区为编码区小于10%，表示到达下一轮数字0的位置。

5.2 编码信息的处理过程

微处理器通过特定的时序读取CCD线阵图像传感器的图像像素信息。由图5可知，图像传感器输出的信息里依次包含：由13位虚设单元信号和51个暗信号（相当于内置的纯黑图像像素，下同）组成的64位哑元输出；2160位像元（图像）输出；由9位暗信号，2位奇偶检测信号，1位空信号组成的12位哑元输出。由读取的像素信息可以得到该图像传感器对于纯黑图像的响应输出；图像采集区的像素采集信息。

下面为计算和统计黑白像素的分布过程：

（1）计算每个像素信号电压相对于暗信号电压比值，可以得知该像素的灰度等级。把编码图像框边际的黑色段信号输出平均值作为基准，以该基准的±20%作为黑色段信号的判定边界条件，从而可以判定该像素是黑色还是白色图像。

（2）按照以上的方式依次判定，统计处理可以得知2160个像素中黑白像素的分布情况。

（3）按照有效像素中的黑白像素分布情况，开始计算每个字轮的当前数字位置。下面以图6为例计算分析其中一个字轮的图像特征。

图6 采集图像例子

计算依据：实际尺寸=像素点数×14μm

编码图像框宽度=相邻两个黑色段右侧起始端的编号差值×14μm

黑色编码段宽度=（右侧黑色段编码差值－左侧黑色段编码差值÷2）×14μm

当前位置数字=黑色编码段宽度÷编码图像宽度×10

最后，依照以上计算原理，可以依次推算得到每一个数字字轮的当前指数，进而得知该水表的当前用水量信息。

6 结语

面对我国水资源供需矛盾日益尖锐和严重匮乏的局面，水资源统一管理，计量收费是最有效的措施，全面征收水资源费、超计划用水加价收费这些都是未来的必然趋势。随着科技的进步，目前发展起来的智能（IC）水表或叫发讯远传水表，给现代化水资源管理提供了便利［8］。本文针对目前发讯水表存在的计数准确性低，始动流量大，成本高，安全性差，维护成本高等弊端，设计了水表线阵图像抄表单元。相信它对于提升供水管理部门的工作效率，减少水费征收纠纷问题会起到良好的作用。

［1］李清欣，邹伟.取水计量设施在水资源管理中的应用［J］.黑龙江水利科技，2010（2）：178-179.

［2］李子春，周长旭，张众，等.IC智能卡管理系统在节水灌溉中的应用［J］.节水灌溉，1999（4）：30-34.

［3］魏秀爱.丰南区智能IC卡水表的安装与管理［J］.水科学与工程技术，2014（1）：95-96.

［4］赵飞.对锂电池安全问题的风险管理［D］.上海：华东理工大学，2013.

［5］陈玉红，唐致远，卢星河，等.锂离子电池爆炸机理研究［J］.化学进展，2006，18（6）.

［6］吴照文.锂离子电池会成为我们身边的炸弹吗［J］.工程地质计算机应用，2007（1）：31-38.

［7］高志国，万堃，曹益平.VHDL在CCD驱动电路中的应用［J］.光学仪器，2006，28（3）：21-27.

［8］王福卿，高明山，金江波.井灌类型区节水灌溉监控设施——IC卡机井取水控制器［J］.南水北调与水利科技，2006，4（5）.

Development and Design of IC Card Remote Water Metering System Without Loss and Deviation

GU Tong-hui1，FU Li-feng2，WANG Yu-kun1
（1.Hebei Provincial Academy of Water Resources，Shijiazhuang 050057，China；2.Shijiazhuang Junfeng Innovations and Technology Limited Company，Shijiazhuang 050004，China）

In this study，a lot of problems have been found in the remote water metering system through collecting，sorting and studying the data of the smart IC card far passing water gauge in domestic water resources management.Based on intense research on the present situation of the remote meter，image sensor with special function and cheap microprocessors were embedded in water gauge.With the microprocessors，image information of water consumption can be interpreted according to the specific algorithm，and compressed，uploaded to the measurement and control center.Thus，the linear image sensor was developed.To be sure，it will play a positive role in improving work efficiency of water management departments and reducing disputes during water fee collection.

water resource management；without loss and deviation；remote water meter；development of research

TV213

B

1672-9900（2014）03-0009-05

2014-05-12

水利部公益性行业科研专项（201301011）资助

谷同会（1974-），男（汉族），河南濮阳人，工程师，主要从事水利自动化研究、开发工作，（Tel）15930161984。