專利名稱：一種無線分體式計(jì)量表裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)量器具及其應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是涉及到一種無線分體式計(jì)量表裝置，包括單費(fèi)率或復(fù)費(fèi)率的普通機(jī)電式或全電子式水、電、氣和熱量計(jì)量表以及IC卡(預(yù)付費(fèi)或可控的后付費(fèi))水、電、氣和熱量計(jì)量表。其特征是將計(jì)量表的功能分割成有安全防護(hù)要求的“計(jì)量控制裝置”和沒有安全防護(hù)要求的“用戶接口裝置”兩部分，計(jì)量控制裝置和用戶接口裝置之間可以通過工作在ISM(Industry Science Medicine)頻帶的射頻收發(fā)(RF Transceiver)模塊進(jìn)行短距離雙向數(shù)據(jù)通訊。
背景技術(shù)：
水表、電表、氣表和熱量表(以下統(tǒng)稱計(jì)量表)是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫挠?jì)量器具。傳統(tǒng)的水、電、氣計(jì)量表是一種機(jī)械式電量或流量(水、氣)計(jì)量裝置，通過機(jī)械或脈沖驅(qū)動(dòng)的字輪(也稱字車、度輪、計(jì)度器)顯示計(jì)量數(shù)據(jù)；熱量表是一種新興的機(jī)電式計(jì)量表，一般通過機(jī)械測(cè)量流量和電子測(cè)量溫度計(jì)算和顯示所消耗的熱量。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，為了降低計(jì)量表的成本和提高計(jì)量精度，或者為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表和(或)分時(shí)付費(fèi)和(或)階梯付費(fèi)功能要求，出現(xiàn)了機(jī)電式和全電子式計(jì)量表(在此統(tǒng)稱為電子式計(jì)量表)。其中，仍然普遍應(yīng)用的機(jī)電式計(jì)量表采用傳感器(Sensor)將機(jī)械基表的計(jì)量信號(hào)(例如電量、流量)轉(zhuǎn)換成計(jì)量電信號(hào)；已經(jīng)普遍應(yīng)用的全電子式電表通過計(jì)量芯片(例如AD7755芯片)對(duì)電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采樣和運(yùn)算處理后輸出計(jì)量電信號(hào)；將會(huì)得到普遍應(yīng)用的全電子水、氣、熱量表通過采用超聲波和其他電子流量測(cè)量技術(shù)輸出計(jì)量電信號(hào)。通用或?qū)Ｓ梦⒖刂破鲗?duì)以上計(jì)量電信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算處理，最后在LED或LCD顯示器上顯示出計(jì)量表相關(guān)的運(yùn)行信息。
普通電子式計(jì)量表通過人工抄表進(jìn)行收費(fèi)(先使用后付費(fèi))，還有一些電子式計(jì)量表通過遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表進(jìn)行計(jì)費(fèi)和收費(fèi)(一般仍然是先使用后付費(fèi))，在此稱之為遠(yuǎn)傳計(jì)量表，另有一些電子式計(jì)量表通過IC卡實(shí)現(xiàn)用戶自助的離線付費(fèi)(預(yù)付費(fèi)或可控的后付費(fèi))以及不完全的數(shù)據(jù)采集功能，在此稱之為IC卡計(jì)量表。根據(jù)特殊需要也可以將遠(yuǎn)傳和IC卡付費(fèi)功能相結(jié)合，構(gòu)成一種遠(yuǎn)傳IC卡計(jì)量表。目前常見的遠(yuǎn)傳計(jì)量表主要有如下四種信號(hào)或數(shù)據(jù)傳輸方案
(1)電力線載波遠(yuǎn)傳是最方便實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)傳電表技術(shù)方案。但是由于載波器件和電網(wǎng)噪聲等方面的原因在國(guó)內(nèi)還沒有得到普遍應(yīng)用，比較可靠的應(yīng)用方式是計(jì)量表和不遠(yuǎn)處(例如居民小區(qū)物業(yè)部門)的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行載波通訊，或者和設(shè)置在類似場(chǎng)所的集中器進(jìn)行載波通訊，集中器再通過常規(guī)的有線(例如電話線)或無線(例如GSM通訊網(wǎng)絡(luò))和遠(yuǎn)端的后臺(tái)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
(2)計(jì)量信號(hào)遠(yuǎn)傳主要針對(duì)小范圍內(nèi)價(jià)格敏感水、氣遠(yuǎn)傳計(jì)量表。是將計(jì)量表(一般只包括基表和傳感電路)的計(jì)量信號(hào)(例如計(jì)量脈沖信號(hào))傳輸?shù)胶笈_(tái)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。這種信號(hào)遠(yuǎn)傳抄表方式是單向的信號(hào)傳輸，傳輸距離有限，容易丟失計(jì)量信號(hào)或者遭受不易察覺的人為攻擊和破壞。
(3)有線或短距離無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳是目前比較常見的水、氣表遠(yuǎn)傳計(jì)量表的實(shí)現(xiàn)方案。是指計(jì)量表通過有線(例如485總線)或者ISM頻段的短距離無線通訊方式和不遠(yuǎn)處的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)或集中器進(jìn)行通訊。其中有線通訊方式因?yàn)樾枰C合布線會(huì)增加系統(tǒng)成本，特別是對(duì)于已經(jīng)使用普通計(jì)量表的用戶需要另外布線才能使用這種遠(yuǎn)傳表；短距離無線遠(yuǎn)傳計(jì)量表適用于對(duì)已經(jīng)使用普通計(jì)量表的用戶進(jìn)行改造，但是由于傳輸距離有限，不適用于較遠(yuǎn)距離的遠(yuǎn)程抄表，而且由于存在通訊可靠性和信號(hào)干擾，難以滿足隨時(shí)、準(zhǔn)確遠(yuǎn)程抄表的要求。
(4)遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳是在遠(yuǎn)傳計(jì)量表內(nèi)嵌入包括GSM模塊在內(nèi)的移動(dòng)通訊模塊和移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的遠(yuǎn)端后臺(tái)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表和控制的目的。但是由于移動(dòng)通訊模塊成本和功耗較高，而且存在通訊費(fèi)用的問題，尚不適用于普通居民用戶的計(jì)量表。目前已有在工業(yè)和商業(yè)用戶電表(特別是三相電表)或者變壓器負(fù)荷控制系統(tǒng)上使用移動(dòng)通訊無線抄表的應(yīng)用，在國(guó)外(例如瑞典)由于支付能力強(qiáng)也有計(jì)劃針對(duì)居民用戶使用這種無線抄表技術(shù)。
為了解決欠費(fèi)問題，近年來出現(xiàn)了以IC卡作為電子支付手段的IC卡計(jì)量表，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)不完全的(非實(shí)時(shí)的)數(shù)據(jù)采集功能。為了保證用戶按時(shí)按量付費(fèi)，一般還需要設(shè)置繼電器開關(guān)(電表)或電控閥門(水、氣、熱量表)。早期的IC卡計(jì)量表是在傳統(tǒng)的機(jī)械基表(水、電、氣)或電子式表頭(電表)的計(jì)量信號(hào)單元的基礎(chǔ)上增加IC卡付費(fèi)控制單元改造而成的。計(jì)量信號(hào)單元通過較短的信號(hào)線向IC卡付費(fèi)控制單元提供計(jì)量電信號(hào)。這種IC卡計(jì)量表也算是一種有線分體式IC卡表，但這里分體的含義是指計(jì)量信號(hào)單元和IC卡付費(fèi)控制單元的分體，是一種產(chǎn)品過渡階段的實(shí)施方案。
目前常見的電子式計(jì)量表，不論是機(jī)電式還是全電子式計(jì)量表，也不論是普通電子式計(jì)量表、遠(yuǎn)傳計(jì)量表或者IC卡計(jì)量表，通常都是將計(jì)量信號(hào)單元和電子控制單元部分在結(jié)構(gòu)上組成一個(gè)精巧的整體，一體化的電子式計(jì)量表成為產(chǎn)品主流。
然而，一體化計(jì)量表在應(yīng)用過程中存在一些難以克服的問題，舉例說明如下(1)由于電子式計(jì)量表存在LED或LCD顯示窗口，另外IC卡計(jì)量表特別是接觸式IC卡計(jì)量表存在插卡口，難于做到嚴(yán)格密封，對(duì)于溫度、濕度、鹽份、油膩等環(huán)境條件比較敏感；(2)由于電表包括IC卡電表通常放置在樓道等公共空間，很容易被外界接觸到，發(fā)生跳線(bypass)、接地等偷電行為和其他一些惡意的攻擊和破壞，包括向IC卡口內(nèi)灌水、插鐵片、用高壓點(diǎn)火器沖擊等數(shù)十種攻擊和破壞的方法，而且管理方很難抓這些攻擊和破壞者。除了采用進(jìn)線套管和電表箱之外，目前還沒有其他更好的防護(hù)手段。這些人為的攻擊和破壞一方面造成了較大的費(fèi)用偷漏，另一方面也顯著增加了設(shè)備的安裝、維護(hù)和管理成本。
(3)目前常見的電子式計(jì)量表通常采用LED數(shù)碼或LCD液晶顯示，LED顯示耗電相對(duì)較高且信息量不足，LCD顯示又存在低溫和亮度方面的問題。LCD顯示盡管是一種發(fā)展方向，但是在寒冷的地區(qū)，采用具有良好低溫特性的LCD無疑會(huì)增加計(jì)量表的成本，而且LCD顯示要求較好的環(huán)境亮度，采用帶背光的LCD也會(huì)顯著增加計(jì)量表的成本。
(4)目前的各種機(jī)械式或電子式計(jì)量表，受其結(jié)構(gòu)和功能限制，在外觀設(shè)計(jì)上無論怎樣改進(jìn)仍然難以像家電一樣美觀，所以人們往往希望將它們放置在一個(gè)不顯眼的角落，或者干脆將他們包在柜體內(nèi)部。
(5)目前的IC卡計(jì)量表通常放置在室外或其他角落，需要用戶有意識(shí)地留意計(jì)量表的顯示和報(bào)警信息并及時(shí)充值，否則很容易出現(xiàn)自動(dòng)切斷水、電、氣、熱供應(yīng)的情況，給用戶日常生活帶來不便。
(6)目前的IC卡計(jì)量表即便在技術(shù)層面上能夠使用一張用戶IC卡實(shí)現(xiàn)水、電、氣和熱量表的付費(fèi)，但是各計(jì)量表本身仍然是獨(dú)立的，沒有可以共享的軟硬件資源，一方面帶來投資浪費(fèi)，另一方面也不方便用戶的使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠更好地適應(yīng)環(huán)境條件和防止外界攻擊和破壞，并具有安全、方便、實(shí)用、美觀特點(diǎn)的無線分體式計(jì)量表裝置及其應(yīng)用方法，克服以上技術(shù)背景分析中所提出的普通計(jì)量表存在的問題。
為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的基本思路是根據(jù)計(jì)量表的功能特點(diǎn)將其分割成需要安全防護(hù)的“計(jì)量控制裝置”和不需要安全防護(hù)的“用戶接口裝置”兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，在這兩個(gè)裝置內(nèi)分別設(shè)置射頻收發(fā)模塊，共同構(gòu)成一種可以短距離雙向無線通訊的分體式計(jì)量表裝置。
其中，計(jì)量控制裝置需要安全防護(hù)但是沒有按鍵、顯示和IC卡等用戶接口，可以制成類似黑盒子的密封結(jié)構(gòu)并置于不易觸及的地方(例如室外)，為描述方便起見，以下也稱計(jì)量控制裝置為室外裝置。用戶接口裝置沒有安全防護(hù)要求，可以制成小巧、美觀的類似開關(guān)面板的結(jié)構(gòu)并置于環(huán)境良好且使用方便的地方(例如室內(nèi))，為描述方便起見，以下也稱用戶接口裝置為室內(nèi)裝置。
本發(fā)明所涉及的計(jì)量控制裝置和用戶接口裝置與短距離無線遠(yuǎn)傳計(jì)量表和集中器(后臺(tái)計(jì)費(fèi)系統(tǒng))有形式上的相似之處，但在功能特點(diǎn)和應(yīng)用方式上有很大的區(qū)別，具體分析說明如下首先，在功能上遠(yuǎn)傳計(jì)量表是一種具有無線通訊、計(jì)量和顯示等功能的完整的計(jì)量表，而本發(fā)明所涉及的計(jì)量控制裝置只需具有最基本的計(jì)量和通訊功能，本身不算是一個(gè)完整的計(jì)量表，其顯示和其他用戶接口功能是通過與用戶接口裝置之間的無線數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)的。遠(yuǎn)傳計(jì)量表的通訊功能是在其本身的計(jì)量和顯示功能之外增加的一種服務(wù)功能，遠(yuǎn)端集中器不屬于用戶計(jì)量表的一部分，本發(fā)明所涉及的計(jì)量控制裝置和用戶接口裝置配合構(gòu)成一個(gè)完整的，面向最終用戶使用的計(jì)量表裝置。
其次，遠(yuǎn)傳計(jì)量表的通訊對(duì)象是收費(fèi)管理方的集中器，后臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過集中器采集眾多用戶的遠(yuǎn)傳計(jì)量表的計(jì)量信息并提供計(jì)費(fèi)和收費(fèi)服務(wù)，典型的工作方式是一個(gè)集中器作為主動(dòng)方(host)對(duì)多個(gè)作為被動(dòng)方(slave)的遠(yuǎn)傳計(jì)量表的一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)通訊，為了避免通訊沖突，原則上遠(yuǎn)傳計(jì)量表不應(yīng)主動(dòng)向集中器發(fā)送數(shù)據(jù)。本發(fā)明所涉及的計(jì)量控制裝置和用戶接口裝置之間典型的通訊方式是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互為主機(jī)，通常情況下由計(jì)量控制裝置根據(jù)計(jì)量運(yùn)行情況向用戶接口裝置發(fā)送最新的計(jì)量信息，也可以通過插卡或按鍵觸發(fā)用戶接口裝置向計(jì)量控制裝置發(fā)送充值、更新顯示、參數(shù)設(shè)置等命令請(qǐng)求。
再次，本發(fā)明所涉及的無線分體式計(jì)量表裝置是針對(duì)某一個(gè)單一用戶的，其中用戶接口裝置放置在用戶室內(nèi)并由該用戶唯一使用，根據(jù)需要，某一個(gè)用戶接口裝置可以由該用戶的多個(gè)(例如單相和三相)電能計(jì)量控制裝置或多種(例如水、電、氣)計(jì)量控制裝置共用。由于該用戶的用戶接口裝置和計(jì)量控制裝置的距離較近(例如室內(nèi)和室外)，相對(duì)于無線遠(yuǎn)傳表和集中器的較遠(yuǎn)距離，可以更好地保證數(shù)據(jù)通訊的準(zhǔn)確性和可靠性。
再次，遠(yuǎn)傳計(jì)量表的主要功能是遠(yuǎn)程抄表，本身一般沒有必要使用IC卡付費(fèi)。本發(fā)明所涉及的無線分體式計(jì)量表裝置，既可以實(shí)現(xiàn)特定的計(jì)量顯示功能，也可以實(shí)現(xiàn)IC卡付費(fèi)和通斷控制功能，通常情況下，用戶接口裝置是插在用戶市內(nèi)的電源插座上由交流市電經(jīng)過整流穩(wěn)壓后供電，市電斷電時(shí)可以通過可更換的電池臨時(shí)供電。另外，可以利用用戶IC卡存儲(chǔ)可編程的操作流程命令序列，使得用戶接口裝置具有通用性和互換性，用戶可以隨時(shí)更換有故障的用戶接口裝置，甚至可以用自己的IC卡到鄰居家的用戶接口裝置上插卡對(duì)自家的計(jì)量控制裝置進(jìn)行充值操作。這些功能和應(yīng)用方式，是目前的無線遠(yuǎn)傳表沒有實(shí)現(xiàn)的。
下面分別闡述本發(fā)明所涉及的計(jì)量控制裝置和用戶接口裝置的實(shí)現(xiàn)方案。
(1)計(jì)量控制裝置我們知道，對(duì)于電子式計(jì)量表，其最主要的功能是計(jì)量功能，計(jì)量功能單元也最需要防止外界攻擊和破壞。所以我們將實(shí)現(xiàn)計(jì)量和無線通訊功能的微控制器(Micro Controller Unit，MCU)、計(jì)量模塊、AC-DC電源、射頻收發(fā)模塊組成計(jì)量控制裝置的基本功能單元，對(duì)于水、氣表等不方便使用交流供電的情況，使用內(nèi)置或外置電池供電。除此之外，為了實(shí)現(xiàn)IC卡付費(fèi)、復(fù)費(fèi)率計(jì)費(fèi)、安全數(shù)據(jù)交換和方便檢修維護(hù)，根據(jù)需要可選增加以下附加的功能單元通斷控制模塊、SAM模塊、硬件時(shí)鐘、備用電池和指示燈。
●MCU用來實(shí)現(xiàn)通訊、運(yùn)算和對(duì)其他功能單元的控制，可以是獨(dú)立的通用芯片，也可以選擇和計(jì)量、時(shí)鐘等功能單元集成到一起的專用芯片，也有和射頻收發(fā)功能單元集成在一起的MCU芯片可以選用；●計(jì)量模塊是指電表的計(jì)量芯片(例如AD7755)或者水、氣表的計(jì)量信號(hào)脈沖轉(zhuǎn)換電路(例如干簧管或光電開關(guān)電路)；
●AC-DC電源包括電表中的變壓器、整流(例如硅橋)以及直流穩(wěn)壓電路(例如7805)，為了安全和方便起見，水、氣和熱量表一般使用內(nèi)置或外置電池供電；●射頻收發(fā)模塊是指數(shù)字信號(hào)單片射頻收發(fā)芯片(RF Transceiver)，例如挪威Nordic公司的nRF403芯片或Chipcon公司的CC1020芯片加上少量外圍器件構(gòu)成，和MCU的I/O接口連接，一般射頻芯片采用FSK調(diào)制方式，工作于ISM頻段，采用簡(jiǎn)單透明的數(shù)據(jù)傳輸。
在以上基本計(jì)量功能單元的基礎(chǔ)上，對(duì)于IC卡計(jì)量表，另外一個(gè)必要的并需要安全防護(hù)的附加功能單元是通斷控制單元，包括控制IC卡電表的繼電器或通過繼電器控制負(fù)荷開關(guān)在必要時(shí)切斷或接通供電，或者控制IC卡水、氣和熱量表的閥門在必要時(shí)的關(guān)閉或打開。同時(shí)，由于涉及到IC卡付費(fèi)的數(shù)據(jù)安全性，宜于在計(jì)量控制裝置中采用SAM(Secure Access Module)安全存取模塊作為IC卡計(jì)量表的附加功能單元，用來存儲(chǔ)計(jì)量控制裝置的敏感數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)IC卡和計(jì)量控制裝置(SAM模塊)之間的安全報(bào)文數(shù)據(jù)交換。為了方便對(duì)封閉的計(jì)量控制裝置進(jìn)行故障檢修，可以使用本人在另外一個(gè)專利申請(qǐng)中提出的使用雙界面IC卡芯片做成的SAM模塊，通過便攜設(shè)備對(duì)計(jì)量控制裝置進(jìn)行非接觸數(shù)據(jù)操作。為了方便指示普通電子式計(jì)量表或IC卡計(jì)量表的工作狀態(tài)，可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)LED狀態(tài)指示燈指示計(jì)量控制裝置的上電、計(jì)量、通訊等工作狀態(tài)。
對(duì)于支持復(fù)費(fèi)率普通電子式或IC卡計(jì)量表，硬件時(shí)鐘以及保持時(shí)鐘連續(xù)工作的內(nèi)置電池也是計(jì)量控制裝置的必要的附加功能單元。其中硬件時(shí)鐘有很多成熟的芯片可以選擇，集成了計(jì)量功能的電表專用微控制器往往也包含了硬件時(shí)鐘電路；內(nèi)置電池對(duì)于電表而言一般采用焊接在電路板上的鋰電池并和以上所述的電源模塊配合，在市電斷電時(shí)給時(shí)鐘芯片供電，在市電上電時(shí)對(duì)后備電池充電，對(duì)于使用內(nèi)置電池供電的水、氣表，時(shí)鐘芯片可共用相同的內(nèi)置電池，對(duì)于使用可更換外置電池的水、氣表，時(shí)鐘芯片需要單獨(dú)配置備用內(nèi)置電池。
(2)用戶接口裝置用戶接口裝置放置在用戶室內(nèi)容易查看和使用的地方，其最基本的功能是顯示來自計(jì)量控制裝置的計(jì)量信息。由于顯示是動(dòng)態(tài)刷新的，沒有特殊的安全防護(hù)要求。我們將實(shí)現(xiàn)顯示和無線通訊功能的MCU、LCD顯示、AC-DC電源、電池和射頻收發(fā)模塊組成用戶接口裝置的基本功能單元。
●MCU的主要功能是顯示和通訊，可以采用低端廉價(jià)的通用芯片實(shí)現(xiàn)特定的應(yīng)用功能，最大限度地降低成本。
●LCD顯示采用定制的LCD液晶顯示器，工作在常溫條件下，最大限度地降低成本。為了提供用戶接口裝置的通用性或?qū)崿F(xiàn)一戶多表，可以在LCD顯示器上定制水、電、氣、熱量多個(gè)和多種計(jì)量表數(shù)據(jù)項(xiàng)，包括剩余量、累計(jì)用量、時(shí)間、費(fèi)率及其他與一個(gè)(種)或多個(gè)(種)計(jì)量表的運(yùn)行、付費(fèi)和管理相關(guān)的信息。
●AC-DC電源和電池，AC-DC電源實(shí)現(xiàn)交流(AC)到直流(DC)的轉(zhuǎn)換以及，電池一般采用可更換的外置電池，在有交流市電供電的情況下，可以將用戶接口裝置連接室內(nèi)電源使用，在市電斷電的情況下由用戶自行安裝和更換電池供電。
●射頻收發(fā)模塊與計(jì)量控制裝置中的射頻收發(fā)模塊配對(duì)使用，在微控制器的控制下實(shí)現(xiàn)和計(jì)量控制裝置之間的數(shù)據(jù)交換。
除此之外，根據(jù)功能需要可選配置其他附加功能單元包括實(shí)現(xiàn)功能設(shè)置、觸發(fā)或切換的簡(jiǎn)易按鍵，實(shí)現(xiàn)IC卡付費(fèi)的IC卡接口，實(shí)現(xiàn)提醒報(bào)警功能的蜂鳴器。
由于IC卡和計(jì)量控制裝置之間的身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)交換可以使用安全報(bào)文透明傳輸，也即使用IC卡付費(fèi)的用戶接口裝置也只是實(shí)現(xiàn)IC卡的數(shù)據(jù)傳輸，本身并不需要特別的安全防護(hù)。對(duì)于使用IC卡的用戶接口裝置，MCU的應(yīng)用程序可以是通用的，計(jì)量控制裝置和用戶接口裝置的工作參數(shù)和工作流程，以及兩者之間的數(shù)據(jù)交換流程可以通過IC卡的數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)和改寫。
此外，后臺(tái)系統(tǒng)對(duì)于IC卡的發(fā)行、充值和數(shù)據(jù)采集操作可以和目前的一體化IC卡表系統(tǒng)兼容，而且，由于用戶接口裝置在用戶室內(nèi)，用戶IC卡可以在完成相關(guān)操作后從用戶接口裝置中拔出，也可以長(zhǎng)時(shí)間插在用戶接口裝置中，不存在插卡等待時(shí)間長(zhǎng)短的問題，不像安裝在公共空間的一體化IC卡表，因?yàn)樵谕瓿蒊C卡操作后需要拔出IC卡另外存放，所有要求盡量縮短用戶插卡等待時(shí)間，同時(shí)避免操作中途拔卡出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤操作。
由于計(jì)量控制裝置減少了按鍵、顯示器和IC卡接口，在用戶接口裝置中增加這些功能單元并沒有增加成本，反而可以因?yàn)椴捎贸靥匦缘腖CD顯示器和降低IC卡插口防護(hù)要求而減少了部分器件成本。
本發(fā)明的無線分體式計(jì)量表裝置的典型應(yīng)用模式是一戶一表，一個(gè)用戶接口裝置和一個(gè)計(jì)量控制裝置配套使用的，計(jì)量控制裝置完成單用戶的水、電、氣和熱量其中之一項(xiàng)的計(jì)量和無線數(shù)據(jù)通訊功能，根據(jù)需要可以在計(jì)量控制裝置內(nèi)配置開關(guān)或閥門通斷控制單元，在用戶接口裝置內(nèi)配置IC卡接口實(shí)現(xiàn)IC卡付費(fèi)功能。
為了進(jìn)一步降低由于增加了射頻收發(fā)模塊和用戶接口裝置中的微控制器所帶來的成本的增加，本發(fā)明也適用于一戶多表和一表多戶的應(yīng)用模式。其中，一戶多表是指一個(gè)用戶接口裝置和該用戶的一個(gè)(種)以上的計(jì)量控制裝置配套使用，每個(gè)(種)計(jì)量控制裝置完成單一的計(jì)量和無線數(shù)據(jù)通訊功能，根據(jù)需要可以在計(jì)量控制裝置內(nèi)配置開關(guān)或閥門通斷控制模塊，在用戶接口裝置內(nèi)配置IC卡接口使用一張或多張IC卡實(shí)現(xiàn)付費(fèi)功能。一表多戶是指導(dǎo)一個(gè)以上的用戶接口裝置分別和一個(gè)多用戶計(jì)量控制裝置配套使用，所述的多用戶計(jì)量控制裝置可以同時(shí)完成多用戶計(jì)量功能，共用一個(gè)射頻收發(fā)模塊分別和其中一個(gè)用戶接口裝置進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通訊，根據(jù)需要可以在所述的多用戶計(jì)量控制裝置內(nèi)配置多個(gè)開關(guān)或閥門通斷控制模塊，在每個(gè)用戶接口裝置內(nèi)配置IC卡接口實(shí)現(xiàn)IC卡付費(fèi)功能。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)現(xiàn)做進(jìn)一步的說明。


附圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的分體式復(fù)費(fèi)率IC卡一戶多表計(jì)量表裝置的電路結(jié)構(gòu)圖；附圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的分體式復(fù)費(fèi)率IC卡一表多戶計(jì)量表裝置的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
在具體描述實(shí)施例之前，簡(jiǎn)單說明一下相關(guān)概念所謂“復(fù)費(fèi)率”主要是指“分時(shí)”電價(jià)和“階梯”水價(jià)，氣表通常沒有復(fù)費(fèi)率的概念；所謂“分體式計(jì)量表裝置”是指以無線通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的“用戶接口裝置”和“計(jì)量控制裝置”所構(gòu)成的計(jì)量表裝置；所謂的“一戶”是指使用一個(gè)“用戶接口裝置”的用戶；所謂“多表”既可以指該用戶的水、電、氣多種“計(jì)量控制裝置”，也可以是該用戶的水、電、氣其中一種“計(jì)量控制裝置”之中的多個(gè)?！耙粦舳啾怼睉?yīng)用模式的實(shí)施特例，是由一個(gè)“用戶接口裝置”和其中一個(gè)“計(jì)量控制裝置”所構(gòu)成的“一戶一表”的應(yīng)用模式，所謂“一表多戶”是指一個(gè)計(jì)量控制裝置具有多用戶計(jì)量控制功能，共用一個(gè)射頻收發(fā)模塊，分別和該用戶的用戶接口裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
實(shí)施例1如圖1所示是分體式復(fù)費(fèi)率IC卡一戶多表計(jì)量表裝置的電路結(jié)構(gòu)圖，包括一個(gè)用戶接口裝置1和面向電量計(jì)量的計(jì)量控制裝置1和面向水量計(jì)量的計(jì)量控制裝置2所構(gòu)成“一戶多表”的應(yīng)用模式，具體應(yīng)用中可能只有其中一個(gè)計(jì)量控制裝置，也可能有更多的包括氣、熱量計(jì)量的計(jì)量控制裝置。
(1)用戶接口裝置用戶接口裝置的基本功能是顯示通過無線通訊方式接收到的來自計(jì)量控制裝置的計(jì)量信息，由微控制器01、LCD模塊02、AC-DC電源03、用戶可更換的電池04和射頻收發(fā)模塊05構(gòu)成用戶接口裝置1的必備的基本功能單元；用戶接口裝置1的附加功能提供IC卡付費(fèi)、功能切換和報(bào)警提示功能，由IC卡接口06、按鍵07和蜂鳴器08構(gòu)成用戶接口裝置1的可選的附加功能單元。具體說明如下微控制器01可以采用低成本的8051內(nèi)核或PIC系列單片機(jī)，在復(fù)位電路、晶體時(shí)鐘電路和其他一些電阻、電容器件的配合下工作，其主要功能是控制射頻收發(fā)模塊05和計(jì)量控制裝置進(jìn)行無線通訊并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，控制LCD顯示模塊02顯示計(jì)量和其他運(yùn)行狀態(tài)信息，通過IC卡接口6操作用戶IC卡，通過查詢或中斷方式獲取按鍵7的狀態(tài)，啟動(dòng)或切換相關(guān)控制功能，通過蜂鳴器8提供報(bào)警和提示信息。
LCD模塊02定制了與水、電、氣、熱量計(jì)量和付費(fèi)相關(guān)的顯示數(shù)據(jù)項(xiàng)，包括剩余量、累計(jì)用量、費(fèi)率、金額、時(shí)間及其他運(yùn)行狀態(tài)信息，LCD模塊02通過串行或并行接口和微控制器01連接。
AC-DC電源03完成交流(AC)市電到直流(DC)電源的變換，典型實(shí)現(xiàn)方案包括變壓器以及整流和穩(wěn)壓電路。在市電斷電的情況下由用戶可更換的電池04供電。
射頻收發(fā)模塊05可以選用多種成熟的射頻收發(fā)芯片，例如Chipcon公司的CC1020單片射頻收發(fā)芯片，配合一些包括電阻、電容、電感和晶振在內(nèi)的周邊器件及天線電路，CC1020芯片通過PCLK、PDI、PDO、DIO、DCLK等數(shù)字接口端和微控制器01的通用I/O接口連接。
IC卡接口06可以由微控制器01的通用I/O接口通過軟件時(shí)序?qū)崿F(xiàn)IC卡同步通訊協(xié)議(對(duì)于存儲(chǔ)卡)和(或)T＝0和(或)T＝1的異步通訊協(xié)議(對(duì)于CPU卡)，也可以通過微控制器01的串行接口(UART)或者由微控制器01控制專用IC卡接口芯片實(shí)現(xiàn)和CPU卡的異步通訊。CPU卡還需要提供專門的時(shí)鐘(例如3.57MHz)，一般在1-5MHz范圍內(nèi)也可以共用(或分頻)微控制器01的時(shí)鐘。
按鍵07和微控制器01的連接方式有直接查詢、中斷查詢、矩陣查詢等多種實(shí)現(xiàn)方式，按鍵數(shù)量較少的時(shí)候可以采用直接查詢或中斷查詢；蜂鳴器08通?？梢杂晌⒖刂破?1的I/O接口通過三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作。
(2)計(jì)量控制裝置本實(shí)施例給出了計(jì)量控制裝置1和計(jì)量控制裝置2兩種功能比較全面的實(shí)施方案，分別面向復(fù)費(fèi)率的電量和水量計(jì)量和控制，構(gòu)成單個(gè)用戶接口裝置和多個(gè)計(jì)量控制裝置配套使用的一戶多表的應(yīng)用模式，作為一戶多表應(yīng)用模式的特例，實(shí)際應(yīng)用中更典型的是一個(gè)用戶接口裝置和一個(gè)計(jì)量控制裝置配套使用的一戶一表的應(yīng)用模式。計(jì)量控制裝置可以只實(shí)現(xiàn)包括計(jì)量和通訊的基本功能，也可以實(shí)現(xiàn)其他部分或全部的附加功能。
計(jì)量控制裝置1由微控制器11、計(jì)量模塊12、AC-DC電源13、射頻收發(fā)模塊14構(gòu)成實(shí)現(xiàn)計(jì)量和通訊功能的必備的基本功能單元；由電池15、硬件時(shí)鐘16、SAM模塊17、開關(guān)控制18和狀態(tài)指示燈19構(gòu)成可選的附加功能單元。
對(duì)于計(jì)量控制裝置1的基本功能單元，微控制器11可以選用具有良好電磁兼容性(EMC)和可靠性的微控制器芯片，例如STM公司ST72系列微控制器；計(jì)量模塊12選用最常用的AD7755計(jì)量芯片，也可以選用其升級(jí)芯片例如AD7756或其他兼容芯片和微控制器11的通用和(或)專用接口連接；AC-DC電源13為整個(gè)裝置供電，由變壓器、整流電路和穩(wěn)壓電路組成；射頻收發(fā)模塊14和用戶接口裝置1配套，采用Chipcon公司的CC1020單片射頻收發(fā)芯片加上包括電阻、電容、電感、晶振、天線在內(nèi)的周邊器件組成，和微控制器11的通用接口連接。
計(jì)量控制裝置1的附加功能單元主要用來實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率、數(shù)據(jù)安全和斷電控制功能，其中電池15是給硬件時(shí)鐘16提供備用電源的，可采用內(nèi)置鋰電池并配置相應(yīng)的充、放電電路；硬件時(shí)鐘16有多種成熟的時(shí)鐘芯片可供選擇，需要配置晶體或RC諧振電路，一般通過I2C接口和微控制器11連接；由于涉及到IC卡付費(fèi)的數(shù)據(jù)安全性，采用SAM模塊17存儲(chǔ)敏感數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)IC卡和計(jì)量控制裝置1之間的安全報(bào)文數(shù)據(jù)交換，SAM模塊17由帶有CPU的IC卡芯片基于芯片操作系統(tǒng)(COS)構(gòu)成，通過通用I/O接口和(或)硬件串行通訊接口和微控制器11連接；開關(guān)控制18是指繼電器或通過繼電器控制負(fù)荷開關(guān)在必要時(shí)切斷或接通供電，由微控制器11的I/O接口加上適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路和開關(guān)控制18連接；另外，為了方便查看計(jì)量控制裝置1的工作狀態(tài)，可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)LED狀態(tài)指示燈19指示計(jì)量控制裝置的上電、計(jì)量、通訊等工作狀態(tài)。
計(jì)量控制裝置2由微控制器21、脈沖轉(zhuǎn)換22、電池23、射頻收發(fā)模塊24構(gòu)成實(shí)現(xiàn)計(jì)量和通訊功能的必備的基本功能單元；由硬件時(shí)鐘25、SAM模塊26、閥門控制27和狀態(tài)指示燈28構(gòu)成可選的附加功能單元。
計(jì)量控制裝置2和計(jì)量控制裝置1的不同之處主要有三個(gè)方面，其一是考慮安全和方便，采用電池23給整個(gè)裝置供電；其二是計(jì)量信號(hào)來源于基表，經(jīng)過脈沖轉(zhuǎn)換22產(chǎn)生可供微控制器21使用的電脈沖信號(hào)；其三是通斷控制是由微控制器21通過帶功率驅(qū)動(dòng)的閥門控制27實(shí)現(xiàn)電控閥門的開通或關(guān)斷。其他有關(guān)硬件時(shí)鐘25、SAM模塊26和狀態(tài)指示燈28的功能以及和微控制器21的接口和計(jì)量控制裝置1的相應(yīng)單元類似。
實(shí)施例2如圖2所示是分體式復(fù)費(fèi)率IC卡一表多戶計(jì)量表裝置的電路結(jié)構(gòu)圖，為了描述方便，本實(shí)施例給出了用戶接口裝置2和用戶接口裝置3分別和計(jì)量控制裝置3配套應(yīng)用的情況。實(shí)際應(yīng)用中可能有一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)用戶接口裝置，相應(yīng)的在計(jì)量控制裝置3中也有相同數(shù)量的計(jì)量和控制功能單元。實(shí)際應(yīng)用中一般只有電量計(jì)量存在多用戶表的情況，對(duì)于特殊應(yīng)用情況，例如農(nóng)電用戶，使用多用戶計(jì)量控制裝置可以進(jìn)一步降低成本。
(1)用戶接口裝置本實(shí)施例的用戶接口裝置2由微控制器31、LCD模塊32、AC-DC電源33、用戶可更換的電池34和射頻收發(fā)模塊35構(gòu)成用戶接口裝置2的必備的基本功能單元；用戶接口裝置2的附加功能提供IC卡付費(fèi)、功能切換和報(bào)警提示功能，由IC卡接口36、按鍵37和蜂鳴器38構(gòu)成用戶接口裝置2的可選的附加功能單元；本實(shí)施例的用戶接口裝置3由微控制器41、LCD模塊42、AC-DC電源43、用戶可更換的電池44和射頻收發(fā)模塊45構(gòu)成用戶接口裝置3的必備的基本功能單元；用戶接口裝置3的附加功能提供IC卡付費(fèi)、功能切換和報(bào)警提示功能，由IC卡接口46、按鍵47和蜂鳴器48構(gòu)成用戶接口裝置3的可選的附加功能單元。
本實(shí)施例的用戶接口裝置2、用戶接口裝置3與實(shí)施例1中的用戶接口裝置1在功能和實(shí)現(xiàn)方案是一致的，在此不予詳述。
(2)計(jì)量控制裝置本實(shí)施例的計(jì)量控制裝置3可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)用戶的計(jì)量、控制和通訊功能，實(shí)際應(yīng)用中可以有兩個(gè)以上用戶的計(jì)量、控制和通訊功能，其中計(jì)量和控制功能對(duì)于某一個(gè)用戶而言是獨(dú)立的，通訊功能可以共用同一個(gè)射頻收發(fā)模塊。
計(jì)量控制裝置3由微控制器51、計(jì)量模塊521、計(jì)量模塊522、AC-DC電源53、射頻收發(fā)模塊54構(gòu)成實(shí)現(xiàn)計(jì)量和通訊功能的必備的基本功能單元；由電池55、硬件時(shí)鐘56、SAM模塊57、開關(guān)控制581、開關(guān)控制582和狀態(tài)指示燈59構(gòu)成可選的附加功能單元。
本實(shí)施例的計(jì)量控制裝置3和實(shí)施例1中的計(jì)量控制裝置1的區(qū)別在于有一個(gè)以上的計(jì)量模塊和一個(gè)以上的開關(guān)控制模塊，其他功能模塊的實(shí)施例1中的計(jì)量控制裝置1相同，在此不必贅述。
權(quán)利要求
1.一種面向最終用戶使用的無線分體式計(jì)量表裝置，其特征包括(1)由微控制器、計(jì)量模塊、AC-DC電源、射頻收發(fā)(RF Transceiver)模塊、構(gòu)成的計(jì)量控制裝置；(2)由微控制器、LCD模塊、AC-DC電源、電池、射頻收發(fā)模塊構(gòu)成的用戶接口裝置，其中AC-DC電源和電池可以同時(shí)存在，在市電斷電的情況下由電池供電，也可以只使用AC-DC電源或電池供電；(3)所述的計(jì)量控制裝置和用戶接口裝置之間通過ISM頻帶短距離雙向無線通訊，實(shí)現(xiàn)水、電、氣和熱量的分體式計(jì)量和顯示，其中對(duì)于電能計(jì)量控制裝置而言，計(jì)量模塊通常采用機(jī)械式基表的計(jì)量脈沖轉(zhuǎn)換電路或者電子式計(jì)量芯片，對(duì)于水、氣、熱量計(jì)量控制裝置，通常采用基表脈沖轉(zhuǎn)換電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線分體式計(jì)量表裝置，其特征是所述的計(jì)量控制裝置還包括電池、硬件時(shí)鐘、SAM(Secure Access Module)安全存取模塊、通斷控制模塊和狀態(tài)指示燈，所述的用戶接口裝置還包括IC卡接口、按鍵和蜂鳴器，以實(shí)現(xiàn)水、電、氣、熱量的分體式計(jì)量、顯示、通斷控制和IC卡付費(fèi)功能，其中對(duì)于電能計(jì)量控制裝置，通斷控制模塊通常采用繼電器開關(guān)控制電路，對(duì)于水、氣、熱量計(jì)量控制裝置，通常采用電機(jī)或電磁閥門控制電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無線分體式計(jì)量表裝置，其特征是用戶接口裝置和計(jì)量控制裝置在結(jié)構(gòu)是分體的，由單個(gè)用戶接口裝置和一個(gè)或多個(gè)計(jì)量控制裝置配套使用，每個(gè)計(jì)量控制裝置完成單用戶的水、電、氣和熱量其中一項(xiàng)的計(jì)量和無線數(shù)據(jù)通訊功能，根據(jù)需要在計(jì)量控制裝置內(nèi)配置開關(guān)或閥門通斷控制模塊，在用戶接口裝置內(nèi)配置IC卡接口，通過一張或多張用戶IC卡實(shí)現(xiàn)付費(fèi)功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無線分體式計(jì)量表裝置，其特征是一個(gè)以上的用戶接口裝置和一個(gè)多用戶計(jì)量控制裝置配套使用，所述的多用戶計(jì)量控制裝置共用一個(gè)射頻收發(fā)模塊，分別和其中一個(gè)用戶接口裝置進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通訊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的無線分體式計(jì)量表裝置，其特征是在所述的多用戶計(jì)量控制裝置內(nèi)配置多個(gè)開關(guān)或閥門通斷控制模塊，在每個(gè)用戶接口裝置內(nèi)配置IC卡接口實(shí)現(xiàn)IC卡付費(fèi)功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的無線分體式計(jì)量表裝置，其特征是配套使用的計(jì)量控制裝置和用戶接口裝置之間以互為主機(jī)(host)的通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由計(jì)量控制裝置根據(jù)計(jì)量運(yùn)行情況向用戶接口裝置發(fā)送最新的計(jì)量信息或在用戶接口裝置上插入用戶IC卡或按鍵啟動(dòng)用戶接口裝置向計(jì)量控制裝置發(fā)送充值、更新顯示、參數(shù)設(shè)置和其他數(shù)據(jù)交換請(qǐng)求。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的無線分體式計(jì)量表裝置，其特征是對(duì)于計(jì)量控制裝置和用戶接口裝置的功能和數(shù)據(jù)交換流程是固定或靈活可編程方式，對(duì)于功能固定的情況，分別由計(jì)量控制裝置和用戶接口裝置中微控制器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)計(jì)量、通訊、顯示、付費(fèi)和控制功能；可編程功能適用于在用戶接口裝置中使用IC卡付費(fèi)的情況，用戶接口裝置本身是通用和可互換的，通過插入用戶IC卡和特定的計(jì)量控制裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其功能、參數(shù)和數(shù)據(jù)交換流程由IC卡數(shù)據(jù)文件定義，為了保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)陌踩裕谒龅挠?jì)量控制裝置中配置SAM安全存取模塊實(shí)現(xiàn)敏感數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及和用戶IC卡的安全報(bào)文數(shù)據(jù)交換。
全文摘要
一種能更好地適應(yīng)環(huán)境和防止攻擊、破壞，具有安全、方便、實(shí)用、美觀特點(diǎn)的無線分體式計(jì)量表裝置。技術(shù)方案是由微控制器、計(jì)量模塊、AC－DC電源、射頻收發(fā)模塊、電池、硬件時(shí)鐘、SAM模塊、通斷控制模塊和指示燈構(gòu)成需要安全防護(hù)的計(jì)量控制裝置，前四項(xiàng)是必備的基本功能單元，后五項(xiàng)是可選的附加功能單元；由微控制器、LCD模塊、AC－DC電源、電池、射頻收發(fā)模塊、IC卡接口、按鍵和蜂鳴器構(gòu)成不必特別安全防護(hù)的用戶接口裝置，前五項(xiàng)是必備的基本功能單元，后三項(xiàng)是可選的附加功能單元。計(jì)量控制裝置和用戶接口裝置之間可以短距離雙向無線通信，共同組成一種無線分體式計(jì)量表裝置，適合一戶一表、一戶多表和一表多戶應(yīng)用模式。
文檔編號(hào)G08C19/00GK1866309SQ200610001878
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2006年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月25日
發(fā)明者王耀, 邢小云 申請(qǐng)人:王耀, 邢小云