44基于蓝牙的卡式预付费水表设计基于蓝牙的卡式预付费水表设计
Design of Card Prepayment Water Meter Bad on Bluetooth
奥斯卡经典电影
李宇龙（杭州电子科技大学信息工程学院，浙江杭州311305）
摘要：为了减轻供水管理部门的抄表和收费管理难度，采用了蓝牙通信和射频卡式预付费方法，设计了一个基于蓝牙通信同时兼有射频卡式预付费功能的智能水表。设计主要由水量检测电路、电压检测电路、电源管理电路、阀门控制电路、射频卡读写电路、蓝牙驱动电路等组成，采用低功耗设计延长电池寿命。水表既可以通过射频卡，也可以通过蓝牙通信与水务管理平台进行数据交互，并能够通过手机APP实时查看水表状态。实际使用结果表明，该设计稳定可靠、高效，能有效提升水表抄表和水费缴费便捷性。
关键词：蓝牙；低功耗；射频；预付费水表
Abstract:In order to reduce the difficulty of meter reading and charge management in water supply management de-partment,Bluetooth communication and RF card prepayment method are adopted,and an intelligent water meter bad on Bluetooth communication and RF card prepayment function is designed in this paper.The design is mainly compod of water detection circuit,voltage detection circui
t,power management circuit,valve control circuit,RF card reading and writing circuit, Bluetooth drive circuit and so on.Low power consumption design is adopted to extend the battery life.The water meter can interact with the water management platform through either RF card or Bluetooth communication,and can view the status of the water meter in real time through the mobile app.The practical application results show that the design is stable,reliable and efficient,and can effectively improve the convenience of water meter reading and water fee payment.
Keywords:Bluetooth,low-power consumption,RF,prepaid water meter
随着经济的发展，社会需求的进步，智慧城市中的智慧水务的建设大力推进，同时"一户一表”、阶梯水价的实行必然加大供水管理部门在装表、抄表、计费、收费管理上的负担。传统水表难以解决这些问题袁因此需要通过机械水表换代、智能水表升级来
加强抄表、计费、收费管理，以实现“抄表不入户、计费自动化、缴费不岀门”的智慧供水服务，有效解决抄表、购水缴费困难等问题。卡式预付费水表虽然可以解决收费问题，但无法实时监控用水数据，不能很好地统计分析用户的用水情况，同时需要分散售水点，售水点不能24小时营业。有线远传水表虽能实时监控用水数据，但存在布线困难、需要集中器、维护工作量大等问题。NB-IoT物联网无线远传水表能实时监控用水数据，但需要信号覆盖，无法应用于偏远无NB-IOT信号覆盖地区，同时物
联网要支付网络使用费。因此本文设计了一种新型的基于蓝牙通讯的射频卡预付费智能水表，综合了射频卡式水表的刷卡预付费功能和远传水表的数据传输功能。安装方便，不需要NB-IOT信号覆盖，只需要用户手机安装APP开启蓝牙通讯就能进行无线数据交互。智能水表既可以通过刷卡充值也可以使用微信小程序或手机APP，通过手机蓝牙功能与水表近距离通讯实现对水表购水充值缴费、实时用水信息回传、用水账单查询、余额查询等智能用水服务。
四级缺考会禁考一年吗1总体设计方案
蓝牙卡式预付费水表依托蓝牙通讯和射频技术实现充值缴费、抄收通讯传输、监控等服务袁是卡式预付费和远传水表的完
美结合。既可实现营业网点缴费刷卡预付费，又可以通过移动端APP或者PC完成远程充值缴费等功能，同时也可以将相关信息数据上传至云端智慧水务平台，方便水司及时了解表具和用户用水情况，能够提升供水部门的管理水平和效益又可以提高用户的用水体验质量。
总体设计方案如图1袁工作原理：预付费模式袁交费用水袁欠费停水，即可通过射频卡充值又可通过手机进行充值抄表。①持卡充值：用户持射频卡先到营业点购水，将购水卡靠近水表的刷卡位置，水表完成充值并把用水信息返回卡中；②通过移动端APP充值抄表。充值完成后水表打开阀门，用户可以用水，当表中剩余金额不足时，阀门关闭，当用户再次充值后，阀门将打开继续使用。
图1蓝牙卡式预付费水表总设计方案
2硬件设计
模块设计由微处理器系统、电源管理电路、计量采样检测模块、阀门控制模块、卡读写模块、BLE蓝牙电路、声光提示电路、LCD显示等部分组成（如图2）遥
2.1微处理器系统及声光LCD显示电路
微控制器使用瑞萨的R7F0C019，该芯片外设资源丰富，有8/10位分辨率A/D转换器和模拟比较器,ROM和RAM空间大，支持1.6V-5.5V宽工作电压，静态功耗小于1滋A，集成了LCD控制器/驱动丄CD内置电荷泵，能增强低功耗下的显示效果，内置高精度的RTC遥LCD液晶平时处于关闭状态以降低功耗，在充值后根据需要显示对应的信息，同时通过蜂鸣器发声和红/绿双色LED点亮提示操作正确或错误。
2.2电源管理
采用3.6V、3.2Ah功率型锂电池直接对系统供电，
whql
为防止电
《工业控制计算机》2021 年第 34 卷第 5 期45
图 2 系统结构
池结膜钝化现象，设计有专门放电电路，每个月定时放电以消除
电池的钝化。经理论计算实践测算整个电路的平均功耗少于
15滋A ，能够满足使用寿命8年以上。通过使用微控制器的AD 功能检测电池电压，当电池电压小于告警电压2.6V 时，水表阀 门将被关闭，并显示低电压符号提示更换电池，此时可通过插卡
翻译英文翻译中文或APP 打开阀门继续用水，当电池电压小于停止电压2.3V 时， 阀门将被彻底关闭，更换新电池后才能开阀用水。
2.3流量检测
流量传感器采用双霍尔元件将水量转换为脉冲信号，双元 件可以有效地防止抖动和外界干扰产生的误计数现象，当外界
磁干扰时，双元件同时闭合，控制器关闭阀门，磁干扰消失则打 开阀门。
2.4阀门电机驱动
阀门采用球阀使压力损失达到最小，电机采用二线制，用三
electronic
极管构成H 桥式驱动电路提供驱动电流来控制电机正反转，通 过阀门堵转检测和超时来判别到位情况，当检测到电机堵转或 超时后，立即停止驱动不再进行阀门操作。为防止阀门长期静止
而结垢，设计每个月定时开关阀门两次。
2.5卡读写电路turistas
由微控制器输岀125kHz 波形经过驱动放大电路驱动线圈 发岀信号，再通过接收解调电路对接收的信号进行检波、滤波、
放大，整形后送入微控制器, 微控制器对输入信号解调得到卡中 真实数据。2.6蓝牙通讯电路
CH573是集成BLE 无线通讯的32位RISC 微控制器，有 丰富的外设，蓝牙通讯工作在2.4GH z 的开放频段，采用跳频
(心)技术实现抗干扰和抑制信号衰减。蓝牙转换模组采用低功耗 从机广播模式进行通信处理，平时下电休眠，间隔3s 唤醒广播。
当蓝牙转换模组与手机APP 没有数据通讯时，MCU 处于休眠
模式，与手机APP 连接有数据需要处理时，利用串口中断唤醒
MCU 进行数据处理，处理完成后下电休眠。手机APP 是主机，
蓝牙水表是从机可以绑定在不同的手机上，一个手机可以绑定
多台蓝牙水表，并对其进行充值和抄表查询，当蓝牙与手机APP 没有数据通讯时,MCU 处于休眠模式，平均功耗小于15滋A 遥 3软件设计
forumsAPP 软件是基于安卓系统开发的智能手机应用程序。基本
e gold流程为设备配对绑定、工作任务、设备连接、数据交互传输、任务 完成，断开设备连接。首先进行设备配对绑定：启动手机的蓝牙
模块，打开APP 软件扫描表具上的二维码，手机与表具进匹配
成功后绑定表具，后续就可以进行各种管理工作遥APP 软件主要 模块：生产管理、维护管理、业务管理。生产管理：在生产环节中 生产管理人员完成对表具的表号、密钥、时钟、脉冲当量等厂家 参数进行岀厂设置；维护管理：在使用环节中供水管理人员完成 对表具相关用水性质参数信息、表具信息、表具故障，维修换表、 抄表等管理；业务管理：在使用环节中用户完成对表具开户、充
值、查询、告警恢复等工作。
4数据的完整性和保密性设计
为保证数据安全和防止数据错误采取的一些措施, 蓝牙通 信传输数据报文采用CRC-16循环冗余码校验数据完整性，保 证数据在传输过程中不受到篡改和丢失袁保证数据传输过程中 的准确性，确保最大程度抵御干扰。在蓝牙通信过程中不仅需考 虑数据的稳定传输，做到不错、不乱、不丢，还需保证用户数据的
安全保密，确保用户数据不被非法截取分析识别，因此蓝牙传输 数据报文上下行采用AES-128高级加密规范标准对数据加密。 卡片有唯一序列号并设置密码认证和访问条件，卡中数据采用
CRC-8 校验数据准确完整性和采用 DES 加密保护数据安全 性。表端对刷卡和蓝牙通信采集的数据经过认证并通过后，表具
才允许相关操作。
5 结束语
本文介绍的基于蓝牙的射频卡式预付费智能水表既设计了
射频卡预付费电路又设计了蓝牙短距通信电路，同时解决了收费
和抄表的困难问题，针对不同人群可以采用不同的充值收费方 式，既可以线下营业网点缴费刷卡充值，
也可以通过手机APP 线 上缴费充值，充分考虑不同群体的差异性，方便了广大群众。模块 具有低发射功率、低成本和短距离通信以及低功耗的特点，实际
使用结果表明，该设计稳定可靠、高效，能有效提升水表抄表和水 费缴费便捷性，非常适合智慧水务建设的需求，应用前景广阔。
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[收稿日期：202128]
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