專利名稱：3g非接觸智能卡給水控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種使用非接觸智能卡實(shí)現(xiàn)可計(jì)量給水的機(jī)電控制裝置，以非接觸智能卡作為用戶消費(fèi)媒介，免除了通常由外部供電和通訊所需要的電纜線布置，實(shí)現(xiàn)能量自治。
背景技術(shù)：
目前由于全世界控制碳排放要求的形勢(shì)越來(lái)越緊迫，節(jié)約水資源也成為各國(guó)各行各業(yè)以及個(gè)人必須為此亟待采取行動(dòng)的一個(gè)重要方面。近年來(lái)使用技術(shù)手段與消費(fèi)控制也成為不少企業(yè)開(kāi)發(fā)適用的給水控制器的驅(qū)動(dòng)力，市場(chǎng)上出現(xiàn)了各類給水控制器并安裝運(yùn)行在許多水資源消費(fèi)用戶的場(chǎng)所。為了讓消費(fèi)者和管理者更加便利、有效地控制水資源的使用，給水控制器的設(shè)計(jì)者采用了電子、機(jī)械、通訊以及信息管理等各種技術(shù)手段。目前使用最普遍的是以智能卡作為消費(fèi)者與給水控制器設(shè)備的交互方式以達(dá)成水消費(fèi)數(shù)據(jù)等價(jià)的經(jīng)濟(jì)管理手段。通常，用戶端的給水控制器包含了這樣幾種技術(shù)要素用戶手持的消費(fèi)卡(本文中統(tǒng)稱為智能卡)；水流量傳感器；水流閥門控制器；控制器設(shè)備中內(nèi)置的智能卡讀寫控制電路芯片、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路芯片、數(shù)據(jù)通訊物理層電路芯片、以及以微控制器為核心的控制單元。使用時(shí)，消費(fèi)者只需要在給水控制器的刷卡區(qū)懸停消費(fèi)卡片刻就可以自助完成受控的用水消費(fèi)。給水控制管理系統(tǒng)的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與節(jié)水控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，實(shí)時(shí)采集和匯總各類相關(guān)信息，通過(guò)各種業(yè)務(wù)模式保證持卡人的利益并同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器和智能卡的管理與設(shè)置。目前市售的給水控制器，在構(gòu)造上大致分為兩種第一種構(gòu)造從物理上表現(xiàn)為分體式結(jié)構(gòu)，即水流量傳感器與閥門執(zhí)行器處于一個(gè)結(jié)構(gòu)體之內(nèi)，而用戶刷卡感應(yīng)區(qū)與嵌入式電子程序控制器處于另一個(gè)結(jié)構(gòu)體之內(nèi)。結(jié)構(gòu)體之間的信息交換和能量供給用導(dǎo)線連接，它們與遠(yuǎn)程管理計(jì)算機(jī)之間的信息交換絕大多數(shù)也是采用有線通訊的方式；第二種構(gòu)造采取了一體化的設(shè)計(jì)，即水流量傳感器、閥門執(zhí)行器、用戶刷卡感應(yīng)區(qū)、以及嵌入式電子程序控制器全部都處于一個(gè)結(jié)構(gòu)體內(nèi)。這種給水控制器構(gòu)造的電源與通訊介質(zhì)也同樣是通過(guò)導(dǎo)線方式提供的，所以可以將這兩種構(gòu)造歸類為傳統(tǒng)的布線式給水控制器。由于消費(fèi)者使用水的場(chǎng)所多種多樣，尤其只是在近年才有用技術(shù)手段實(shí)行節(jié)約用水控制的要求，大量現(xiàn)存建筑物并沒(méi)有考慮到為節(jié)水控制器的安裝預(yù)留管道。如果要在多樣繁復(fù)的環(huán)境中普遍實(shí)行節(jié)水控制，傳統(tǒng)的布線式給水控制器的應(yīng)用就有很多缺陷。首先，用水環(huán)境大多潮濕，通訊線都需要布設(shè)管道，在現(xiàn)存的建筑物內(nèi)再次施工將使安裝工程困難重重。即使新設(shè)計(jì)的建筑，為節(jié)水控制器安裝預(yù)留的電纜管道敷設(shè)對(duì)業(yè)主也是一筆不小的投資；其次，銅質(zhì)導(dǎo)線是貴金屬，普遍使用節(jié)水控制要求建設(shè)成本不能太高，而布線式給水控制器存在這些方面的諸多問(wèn)題；再有，大范圍的民生應(yīng)用場(chǎng)所采用現(xiàn)存的有線通訊方案，對(duì)可靠性、可用性、可維護(hù)性方面的要求并不亞于工業(yè)級(jí)產(chǎn)品；對(duì)于工程公司或制造商而言，布線式給水控制器的故障排除和設(shè)備升級(jí)也是一個(gè)高成本的困難任務(wù)。
發(fā)明內(nèi)容發(fā)明目的本實(shí)用新型的目的是針對(duì)以往布線式給水控制器的實(shí)際缺陷，提供一種無(wú)需通訊布線的使用非接觸智能卡消費(fèi)和管理的給水控制器系統(tǒng)。技術(shù)方案本實(shí)用新型公開(kāi)了一種3G非接觸智能卡給水控制器，它包括微控制器處理系統(tǒng)，微控制器處理系統(tǒng)分別與智能卡交互系統(tǒng)、給水閥門控制系統(tǒng)、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、電能儲(chǔ)存監(jiān)控系統(tǒng)相連；所述的智能卡交互系統(tǒng)還與持卡接近感知系統(tǒng)相連；所述的電能儲(chǔ)存監(jiān)控系統(tǒng)還分別與智能卡交互系統(tǒng)、給水閥門控制系統(tǒng)、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)相連，為系統(tǒng)供電。其中，所述的持卡接近感知系統(tǒng)為磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)或人體感應(yīng)電容開(kāi)關(guān)裝置。有益效果本實(shí)用新型給水控制器內(nèi)的嵌入式電子程序系統(tǒng)采用無(wú)線通訊的規(guī)范實(shí)現(xiàn)與外部世界的信息交換，免除了以金屬導(dǎo)線為通訊介質(zhì)的需要。實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無(wú)需布線的能量自主供應(yīng)的給水控制系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中能夠滿足消費(fèi)者使用方便、業(yè)主經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)、工程和制造商方便維護(hù)的要求，最大限度地利用技術(shù)創(chuàng)新手段節(jié)約水資源降低碳排放。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的持卡接近感知系統(tǒng)的第一種實(shí)施例的示意圖。圖3為本實(shí)用新型的持卡接近感知系統(tǒng)的第二種實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施方式
下文結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做更進(jìn)一步的解釋。如圖1所示，本實(shí)用新型的一種3G非接觸智能卡給水控制器，包括微控制器處理系統(tǒng)1，微控制器處理系統(tǒng)I分別與智能卡交互系統(tǒng)2、給水閥門控制系統(tǒng)4、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)5、時(shí)鐘系統(tǒng)6、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7、電能儲(chǔ)存監(jiān)控系統(tǒng)8相連；所述的智能卡交互系統(tǒng)2還與持卡接近感知系統(tǒng)3相連；所述的電能儲(chǔ)存監(jiān)控系統(tǒng)8還分別與智能卡交互系統(tǒng)
2、給水閥門控制系統(tǒng)4、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)5、時(shí)鐘系統(tǒng)6、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7相連，為整個(gè)系統(tǒng)供電。微控制器處理系統(tǒng)1:使用MSP430微控制器作為無(wú)布線安裝給水控制器的處理核心，這款16 bit(位)的處理器專門為極低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)該處理器只對(duì)幾個(gè)確定的事件，如，持卡接近、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊事務(wù)、能量消耗狀態(tài)告警、系統(tǒng)設(shè)定狀態(tài)越界做出“喚醒”響應(yīng)，完成其基于非接觸智能卡給水控制器所有的檢測(cè)、控制和通訊事務(wù)。其余時(shí)間將長(zhǎng)期處于“酬民”狀態(tài)，最大限度地減少能量的消耗。智能卡交互系統(tǒng)2 :即用戶持有的智能卡與微控制器處理系統(tǒng)I之間的接口，它是基于射頻識(shí)別技術(shù)開(kāi)發(fā)的卡讀、寫控制器芯片。當(dāng)用戶手持卡接近給水控制器的讀卡區(qū)時(shí)，持卡接近感知系統(tǒng)3觸發(fā)智能卡交互系統(tǒng)2的電源開(kāi)關(guān)接通，使其在需要工作時(shí)正常得電。用戶撤卡后由持卡接近感知系統(tǒng)3切斷智能卡交互系統(tǒng)2的電源。持卡接近感知系統(tǒng)3 :當(dāng)磁鐵或人體靠近持卡接近感知系統(tǒng)3,觸發(fā)持卡接近感知系統(tǒng)3工作，進(jìn)而觸發(fā)智能卡交互系統(tǒng)2的電源開(kāi)關(guān)接通，使其在需要工作時(shí)正常得電。本實(shí)用新型的持卡接近感知系統(tǒng)和現(xiàn)有的基于射頻識(shí)別技術(shù)的智能卡交互系統(tǒng)不同之處在于持卡接近感知系統(tǒng)是智能卡交互系統(tǒng)的接口，即成為智能卡交互系統(tǒng)的一個(gè)供電觸發(fā)開(kāi)關(guān)，并且本身是零功耗或者極低功耗的。具有靜磁場(chǎng)的磁性智能卡靠近持卡接近感知系統(tǒng)3的磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)來(lái)觸發(fā)電路；或者利用人體的導(dǎo)電特性靠近持卡接近感知系統(tǒng)3的電容敏感觸發(fā)電路，電容敏感電路的實(shí)現(xiàn)是利用“開(kāi)放式”電容器結(jié)構(gòu)(即電容極板之間的電場(chǎng)空間是打開(kāi)的，電場(chǎng)穿越空間形成開(kāi)放式的導(dǎo)電敏感區(qū)域)構(gòu)建的敏感元件，當(dāng)導(dǎo)電外物(如人體或智能卡)接近時(shí)對(duì)PCB (印刷電路板)感應(yīng)極板與PCB (印刷電路板)電位參考面之間的電場(chǎng)進(jìn)行了干預(yù)，從而觸發(fā)探測(cè)電路。這兩種觸發(fā)方法的技術(shù)條件都可直接由微控制器處理系統(tǒng)I的I/O (輸入/輸出)電路支持，在微控制器處理系統(tǒng)I的控制下使系統(tǒng)中的智能卡交互系統(tǒng)2的功耗得到最佳的管理。磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)的連接方式如圖2所示，利用磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)元件M2-2觸發(fā)微控制器處理系統(tǒng)I的低功耗輸入引腳XI，由微控制器處理系統(tǒng)I的輸出引腳X2連接智能卡交互系統(tǒng)2的輸入引腳Y2控制其電路內(nèi)的供電；也可以利用磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)元件M2-2直接通過(guò)智能卡交互系統(tǒng)2的引腳Yl為智能卡交互系統(tǒng)2供電。人體感應(yīng)電容的電路連接方式如圖3所示。固定電容與PCB上面人體電容感應(yīng)極板連接在一起共同構(gòu)成可變電容M2-1，并與一個(gè)固定電阻R (5.1M歐姆)并聯(lián)?？勺冸娙軲2-1與電阻R互連的一端又與微控制器處理系統(tǒng)I的X3連接，X3同時(shí)連接到系統(tǒng)內(nèi)部微控制器MSP430的兩個(gè)IO端口上；一個(gè)端口用于周期性地給可變電容M2-1和R組成的RC電路充電，當(dāng)停止充電時(shí)用另一個(gè)端口測(cè)量RC電路經(jīng)由外部固定電阻R的放電電平，并利用MSP430內(nèi)部的定時(shí)器現(xiàn)放電時(shí)間的測(cè)量。由于人體感應(yīng)電容是M2-1電容中的可變物理因素，通過(guò)周期性地充放電時(shí)間變化的測(cè)量就可以感知人體的接近。另外，微控制器程序可以控制測(cè)量充放電的時(shí)間段來(lái)抑制系統(tǒng)噪聲(50/60赫茲的電源噪聲)，提高了測(cè)量精度。當(dāng)微控制器程序探測(cè)到有人體接近時(shí)，利用其輸出端口通過(guò)圖3所示的X4連接到智能卡交互系統(tǒng)2的供電觸發(fā)控制端口 Y3，將其轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。由于MSP430極小的端口引腳漏電流，使充放電的平均電流消耗非常低，因而有可能實(shí)現(xiàn)極低功耗的持卡接近感知系統(tǒng)。給水閥門控制系統(tǒng)4 :接收微控制器處理系統(tǒng)I的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)按控制邏輯要求打開(kāi)或關(guān)閉閥門，實(shí)現(xiàn)對(duì)水流的供應(yīng)或截?cái)唷顟B(tài)信息顯示系統(tǒng)5 :通常由發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器或者液晶顯示器構(gòu)成。用于顯示用戶消費(fèi)、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)等信息。時(shí)鐘系統(tǒng)6:即時(shí)鐘電路。利用時(shí)鐘電路6為系統(tǒng)設(shè)置準(zhǔn)確的時(shí)間參照基準(zhǔn)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7 :即無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用部件，采用了順應(yīng)2. 4 GHz短距離網(wǎng)狀無(wú)線網(wǎng)絡(luò)IEEE 802.15.4/ ZigBee規(guī)范的低功耗無(wú)線連接性設(shè)計(jì)，例如無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7可采用TI公司的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級(jí)芯片CC2530模塊完成組網(wǎng)和通訊。這樣，作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無(wú)布線安裝的給水控制器本身就處于其規(guī)范條件具備的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，某一個(gè)給水控制器可以充當(dāng)該網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)或者是該網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)。由于網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有非常高的連通可靠性，并且通過(guò)在無(wú)布線安裝的給水控制器所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)可以將該拓?fù)鋬?nèi)任何節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)信息傳送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)主機(jī)上；反之亦然，這個(gè)特性不但使遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)能夠可靠地收集全系統(tǒng)的消費(fèi)數(shù)據(jù)并監(jiān)控給水控制器的狀態(tài)，還可以通過(guò)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)為某個(gè)乃至所有的給水控制器實(shí)行無(wú)電纜編程來(lái)升級(jí)和維護(hù)系統(tǒng)。電能儲(chǔ)存監(jiān)控系統(tǒng)8 :即由可充電電池及充電電路、電能儲(chǔ)存電量測(cè)量電路、和充放電參數(shù)監(jiān)控電路構(gòu)成，為整個(gè)系統(tǒng)提供不受擾動(dòng)且長(zhǎng)期可靠的供電。系統(tǒng)工作過(guò)程系統(tǒng)電源初次接通，微控制器處理系統(tǒng)I硬件復(fù)位以后設(shè)置各個(gè)子系統(tǒng)到初始工作狀態(tài)，這些子系統(tǒng)包括電能儲(chǔ)存監(jiān)控系統(tǒng)8、智能卡交互系統(tǒng)2、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7、時(shí)鐘系統(tǒng)6、給水閥門控制系統(tǒng)4、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)5。初始設(shè)置過(guò)程完成以后，微控制器處理系統(tǒng)I進(jìn)入低功耗運(yùn)行模式，即睡眠模式。在這個(gè)模式中，系統(tǒng)不會(huì)對(duì)外部世界產(chǎn)生控制效應(yīng)，但有持卡接近感知系統(tǒng)3、電能儲(chǔ)存監(jiān)控系統(tǒng)8和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7以極低的能量消耗仍然工作著。它們能夠監(jiān)視外部世界相關(guān)信號(hào)，并據(jù)其性質(zhì)使微控制器處理系統(tǒng)I脫離“睡眠模式”模式，工作原理分別敘述如下當(dāng)持卡接近感知系統(tǒng)3接收到用戶手持智能卡(磁性卡或射頻卡)接近給水控制器刷卡區(qū)的信號(hào)時(shí)，觸發(fā)了智能卡交互系統(tǒng)2的電源被接通，同時(shí)通過(guò)微控制器處理系統(tǒng)I屬于持卡接近監(jiān)控任務(wù)的外部中斷信號(hào)喚醒其脫離“睡眠模式”;微控制器處理系統(tǒng)I與上電工作后的智能卡交互系統(tǒng)2交換信息，進(jìn)入正常智能卡操作和控制過(guò)程。智能卡操作過(guò)程結(jié)束后，微控制器處理系統(tǒng)I將智能卡交互系統(tǒng)2電源切斷，如果此時(shí)沒(méi)有其它工作模式并存也將其自身再次進(jìn)入“睡眠模式”。當(dāng)系統(tǒng)儲(chǔ)存的電能低于最小警戒水平時(shí)，電能存儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)8將通過(guò)相應(yīng)中斷信號(hào)向微控制處理系統(tǒng)I發(fā)出告警，使微控制處理系統(tǒng)I脫離“睡眠模式”。微控制處理系統(tǒng)I根據(jù)能量告警性質(zhì)進(jìn)入相應(yīng)的處理程序，并決定后續(xù)的工作狀態(tài)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7根據(jù)來(lái)自無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特定訪問(wèn)信息能夠觸發(fā)屬于網(wǎng)絡(luò)“喚醒”性質(zhì)的中斷信號(hào)使微控制處理系統(tǒng)I脫離“睡眠模式”。微控制器處理系統(tǒng)I根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議進(jìn)入相應(yīng)的處理程序，并決定后續(xù)的工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)脫離“睡眠模式”而處于正常給水工作狀態(tài)時(shí)，微控制器處理系統(tǒng)I根據(jù)智能卡交互信息做出控制決策，驅(qū)動(dòng)給水閥門控制系統(tǒng)4的閥門開(kāi)或閉。當(dāng)給水結(jié)束的條件發(fā)生時(shí)，給水閥門控制系統(tǒng)4將關(guān)閉閥門。微控制器處理系統(tǒng)I接收不到給水流量感知系統(tǒng)3的信號(hào)時(shí)，如果沒(méi)有其它任務(wù)就再次進(jìn)入“睡眠模式”。所有的狀態(tài)顯示信息，都由微控制器處理系統(tǒng)I直接向狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)5發(fā)布。微控制器處理系統(tǒng)I也通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)7與外部世界建立連接，通過(guò)它信息可以傳遞到網(wǎng)絡(luò)上。
權(quán)利要求1.一種3G非接觸智能卡給水控制器，其特征在于，它包括微控制器處理系統(tǒng)(I )，微控制器處理系統(tǒng)(I)分別與智能卡交互系統(tǒng)(2)、給水閥門控制系統(tǒng)(4)、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)(5)、時(shí)鐘系統(tǒng)(6)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)(7)、電能儲(chǔ)存監(jiān)控系統(tǒng)(8)相連；所述的智能卡交互系統(tǒng)(2)還與持卡接近感知系統(tǒng)(3)相連；所述的電能儲(chǔ)存監(jiān)控系統(tǒng)(8)還分別與智能卡交互系統(tǒng)(2)、給水閥門控制系統(tǒng)(4)、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)(5)、時(shí)鐘系統(tǒng)(6)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)(7)相連，為系統(tǒng)供電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種3G非接觸智能卡給水控制器，其特征在于，所述的持卡接近感知系統(tǒng)(3)為磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)或人體感應(yīng)電容開(kāi)關(guān)裝置。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種3G非接觸智能卡給水控制器，它包括微控制器處理系統(tǒng)，微控制器處理系統(tǒng)分別與智能卡交互系統(tǒng)、給水閥門控制系統(tǒng)、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)、電能儲(chǔ)存監(jiān)控系統(tǒng)相連；所述的智能卡交互系統(tǒng)還與持卡接近感知系統(tǒng)相連；所述的電能儲(chǔ)存監(jiān)控系統(tǒng)還分別與智能卡交互系統(tǒng)、給水閥門控制系統(tǒng)、狀態(tài)信息顯示系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)相連，為系統(tǒng)供電。本實(shí)用新型給水控制器內(nèi)的嵌入式電子程序系統(tǒng)采用無(wú)線通訊的規(guī)范實(shí)現(xiàn)與外部世界的信息交換，免除了以金屬導(dǎo)線為通訊介質(zhì)的需要。
文檔編號(hào)G05D7/06GK202887001SQ20122050806
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者趙曉明 申請(qǐng)人:南京三益動(dòng)力電子系統(tǒng)有限公司