基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計

基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計PAGEIPAGE73摘要單片機自20世紀70年代問世以來，以其極高的性能價格比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣、發(fā)展很快。而51單片機是各單片機中最為典型和最有代表性的一種。隨著我國城鎮(zhèn)建設(shè)的快速發(fā)展，有關(guān)城市的水、電、氣、暖表的管理和抄表出現(xiàn)的問題也日益突出，根據(jù)自來水網(wǎng)的改造、智能小區(qū)的建設(shè)以及實施“一戶一表”工程的需要，本文設(shè)計了一種基于AT89C5單片機的智能網(wǎng)絡(luò)水表，智能網(wǎng)絡(luò)IC卡水表通過集中器和上位機管理系統(tǒng)連接，將水表的數(shù)據(jù)傳輸給遠方的上位機，同時上位機管理系統(tǒng)通過集中器對智能網(wǎng)絡(luò)水表進行監(jiān)測和管理。本文采用AT89C51單片機作為主控芯片，開發(fā)一種基于IC卡技術(shù)的智能水表。該智能水表可實現(xiàn)總水量累計、月水量統(tǒng)計、水費計算與管理(報警金額、基礎(chǔ)水量、計劃水量),以及水閥控制等功能。同時具有預(yù)存水費、欠費提示、欠費停水等功能。關(guān)鍵詞：智能水表AT89C51IC卡技術(shù)基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第1頁。

Abstract基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第1頁。Becauseofitsextremelyhighperformance-priceratio,thesingle-chipcomputer(SCC)hasbeenpaidgreatattentiontoeversinceitcameoutin1970sof20thCentury,andhasgainedanextensiveapplicablefieldandfastdevelopment.AmongallkindsofSCCs,51SCCisthemosttypicalandrepresentativeone.Moreandmoreprobelemsarearisingonthemanagementandrecord-readingofwatermeter,electricitymeter,andnaturalgasmatersystemsasthecommunitydevelopmentisgrowingfast.Aimingtoslovetheseproblems,thethesisdesignedaremotecentralmeterreadingsystemandintelligentwatersystem,developmentofintelligentresidentcommunityandthehighdemandofonemeterperfamilyproject.Thisintelligentwatermaterwillcollectthedataandtransferittotheremoteupper-levelmanagingsystemviaconcentratorandupper-levelmanagementsystem,whiletheupper-levelmanagementsystemisresponsibleformonitoringandmanagingintelligentwatermeternetwork.Inthispaper,AT89C51SCMasamasterchip,thedevelopmentofICcardtechnologybasedontheintelligentmeter.Theintelligentmetercanrealizetheaccumulatedwater,water,statistics,computingandmanagementofwater(theamountofalarm,basicwater,thewaterplan),andvalvecontrolfunctions.Atthesametimewithstoredwateranddelinquenttips,delinquentwater,andotherfunctions.基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第2頁。KEYWORDS:IntelligentwatermeterAT89C51ICcardtechnology基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第2頁。摘要 I第一章緒論 11.1研究背景 11.2選題意義和經(jīng)濟效益 21.2.1遠程集中抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的推廣應(yīng)用前景 21.2.2社會效益 21.2.3設(shè)計的技術(shù)指標 31.2.4采用的控制芯片 31.2.5采用的抄表方式 31.3智能水表市場 51.4智能卡表的安全性內(nèi)容 61.4.1智能卡表及系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的安全性分析 71.4.2智能卡表及系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的安全性分析 91.5論文的主要內(nèi)容 11第二章整體設(shè)計與PROTELL簡介 122.1遠程集中抄表系統(tǒng)的總體概述 122.2遠程集中抄表系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 122.2.1上位機管理系統(tǒng) 132.2.2集中器 132.2.3智能網(wǎng)絡(luò)水表 132.3設(shè)計方案論證 142.3.1傳輸抄表方式 142.4protel電氣原理圖設(shè)計軟件 152.4.1protel電路板設(shè)計軟件 162.4.2原理圖的繪制 162.4.3PCB圖的繪制 17第三章智能水表的硬件設(shè)計 203.1系統(tǒng)硬件組主框圖 203.2AT89C51單片機性能介紹 203.2.1AT89C51單片機的特性 203.2.2AT89C51單片機的引腳說明 213.2.3AT89C51單片機的振蕩器特性 223.2.4.芯片擦除： 233.3系統(tǒng)其他硬件的選擇和電路設(shè)計 233.3.1A/D轉(zhuǎn)換電路 233.3.2D/A轉(zhuǎn)換電路 253.3.3數(shù)據(jù)采集傳感器的選型 263.3.4LCD顯示 283.3.5控制閥門的選型 303.3.6電源電路 313.3.7IC卡接口電路 323.3.8鍵盤設(shè)計 33基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第3頁。3.3.9報警電路 33基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第3頁。3.3.10防拆電路 343.3.11復(fù)位電路 343.3.12時鐘電路 35第四章智能水表的軟件設(shè)計 374.1軟件設(shè)計思想和組成 374.2主程序設(shè)計 374.3中斷服務(wù)程序設(shè)計 384.4子程序設(shè)計 394.4.1LCD顯示模塊 394.4.2數(shù)據(jù)采集模塊 404.4.3電機控制模塊 404.4.4低電壓檢測模塊 404.4.5IC卡處理模塊 414.5總程序設(shè)計 44第五章可靠性和抗干擾性設(shè)計 455.1對IC卡水表攻擊種類 455.2對水表的物理性攻擊的防范辦法 465.3IC卡水表中干擾的種類 47第六章結(jié)論 50參考文獻 52致謝 53附錄 54一、英文資料翻譯 54二、相關(guān)程序 641、鍵盤程序 642、LCD1602的顯示程序 663、欠壓報警程序 684、蜂鳴器程序 695、時鐘程序 70三、電路原理圖 73基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第4頁?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第4頁。第一章緒論隨著我國城鎮(zhèn)建設(shè)的快速發(fā)展，有關(guān)城市的水、電、氣、暖表的管理和抄表出現(xiàn)的問題也日益突出，根據(jù)自來水網(wǎng)的改造、智能小區(qū)的建設(shè)以及實施“一戶一表”工程的需要，本文設(shè)計了一種基于AT89C51單片機的智能網(wǎng)絡(luò)水表，智能網(wǎng)絡(luò)IC卡水表通過集中器和上位機管理系統(tǒng)連接，將水表的數(shù)據(jù)傳輸給遠方的上位機，同時上位機管理系統(tǒng)通過集中器對智能網(wǎng)絡(luò)水表進行監(jiān)測和管理。針對傳統(tǒng)舊式水表存在的各種缺陷，本文介紹了目前市場上出現(xiàn)的各種智能水表，在大量收集和查閱國內(nèi)外有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，提出了一種低功耗的智能水表，這種智能水表以AT89C51單片機為核心，實現(xiàn)了用戶用水量的采集、計量、處理、存儲等，克服了傳統(tǒng)舊時水表存在的偷水、漏水等缺陷。同時本文對水表的遠程集中抄表系統(tǒng)進行了全面的介紹，該系統(tǒng)有三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：上位機管理系統(tǒng)、集中器和智能網(wǎng)絡(luò)水表。智能網(wǎng)絡(luò)水表通過RS-480總線和集中器連接，集中器通過調(diào)制解調(diào)器MODEM和電話網(wǎng)連接，將數(shù)據(jù)通過電話網(wǎng)傳輸給上位機管理系統(tǒng)，降低成本的同時提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。同時上位機管理系統(tǒng)還可以和銀行聯(lián)網(wǎng),組成四級網(wǎng)絡(luò)，為集中抄表系統(tǒng)的擴展奠定了基礎(chǔ)。這樣的設(shè)計代替了人工入戶抄表的抄表方式,大大方便了居民生活。本文所設(shè)計完成的智能水表具有功能完善,計量準確的優(yōu)點。1.1研究背景當今社會科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展，現(xiàn)代的建筑不僅融合了傳統(tǒng)的建筑特點，而且包括了高科技產(chǎn)品和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的智能建筑和智能小區(qū)很多已經(jīng)實現(xiàn)了樓宇自動化，例如：寬帶上網(wǎng)、防盜、防火聯(lián)網(wǎng)報警等，同時耗能計量表出戶集中抄表、自動收費、聯(lián)網(wǎng)管理己成為現(xiàn)代智能建筑和智能小區(qū)的必備條件。這里的耗能計量表是指用于居民住宅耗能計量的儀表，包括水、電、暖、煤氣表等，但是現(xiàn)在仍有大量的智能建筑和智能小區(qū)的水、電、暖、煤氣等耗能計量表采用傳統(tǒng)計量技術(shù)和抄表方式，因此新的計量技術(shù)和抄表方式成為研發(fā)的熱點?，F(xiàn)在對于耗能計量表的抄表方式多為人工入戶抄表，而且歸各個管理部門收費，這種收費方式存在很多的弊端：(1)抄表工作勞動強度大、效率低；(2)管理費用高；(3)入戶抄表難度大，而且存在安全隱患等。隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠程自動抄表方式將逐步替代傳統(tǒng)的抄表方式，這樣可以將耗能計量表的管理統(tǒng)一到物業(yè)中心，大大節(jié)省人力、物力和財力，而且可以實時監(jiān)控耗能表的使用情況，有利于管理部門的管理，同時將物業(yè)中心的計算機和銀行的管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，由銀行從業(yè)主的存款中扣除費用，真正實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)收費?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第5頁。傳統(tǒng)的計量技術(shù)和抄表方式所使用的儀器儀表多為舊式儀器儀表，這些儀器儀表已經(jīng)無法滿足社會的需要，它們存在著精度低、體積大、可靠性差等缺陷，針對舊式儀器儀表的缺陷，出現(xiàn)了智能化計量儀表。智能化儀器儀表是計算機技術(shù)向儀器儀表移植的產(chǎn)物，含有微計算機或微處理器的儀器儀表，具有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)的高速發(fā)展，智能化計量儀表朝著微型化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，并逐步取代舊式的計量儀表?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第5頁。水表是記錄流經(jīng)封閉滿管道中水流量的一種儀表，它是一種積算式速度流量計，原理上是利用活動壁的容積室的機械作用或水流推動渦輪等活動元件，使之旋轉(zhuǎn)以連續(xù)確定水流量。水表性能的好壞直接影響著人們的日常生活以及水資源管理工作的效率和科學(xué)化水平。而舊式水表存在著偷水、漏水等嚴重問題，用先進的智能化水表取代舊式水表已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢[1]。1.2選題意義和經(jīng)濟效益1.2.1遠程集中抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的推廣應(yīng)用前景隨著我國城鎮(zhèn)建設(shè)步伐的加快，城市水、電、氣等建設(shè)規(guī)模日益龐大，管理工作越來越復(fù)雜，而且越來越繁重，在這種情況下傳統(tǒng)的管理模式已經(jīng)暴露出各種弊端，與城鎮(zhèn)的現(xiàn)代化建設(shè)不相適應(yīng)。對于水表計量計費而言，實現(xiàn)水表的遠程集中抄表有以下優(yōu)點：(1)可以有效地解決入戶抄表效率低的問題，提高自來水公司的用水管理水平和管理效率，杜絕水費的拖欠；(2)避免干擾居民生活，杜絕安全隱患；(3)遠程集中抄表可以使管理部門隨時了解居民的用水情況，而且使抄表工作不受時間的限制。長期以來，我國城鎮(zhèn)居民使用的水表普遍是普通機械旋翼濕式水表，這種水表價格低廉、性能比較穩(wěn)定，但是存在著偷水、漏水等現(xiàn)象。智能網(wǎng)絡(luò)水表的使用相對于傳統(tǒng)的水表有以下優(yōu)點：(1)可以杜絕普通水表的偷水、漏水現(xiàn)象；(2)其智能化的設(shè)計可以使居民隨時了解用水量和單價水費，大大方便了居民生活；(3)這種水表配備有數(shù)據(jù)通信的接口，可以方便與集中器進行連接；(4)這種水表可以防止強磁干擾、拆卸等所造成的計量不準確，上位機管理系統(tǒng)可以監(jiān)控水表的狀態(tài)和運行。我國傳統(tǒng)的水表水量計量和抄表管理模式己經(jīng)不適應(yīng)社會和經(jīng)濟的發(fā)展，在這種情況下，遠程集中抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的推廣使用，符合國內(nèi)外水表和抄表管理模式的發(fā)展狀況以及未來趨勢，具有很好的推廣前景。根據(jù)對各大城市自來水公司的實際調(diào)查，相對于傳統(tǒng)水表和抄表模式，遠程集中抄表系統(tǒng)和智能水表有很好的經(jīng)濟效益：(1)降低人工費用；(2)降低偷水、漏水費用；(3)降低水表的管理費用：如果使用智能網(wǎng)絡(luò)水表，自來水公司每月用于用水監(jiān)控和管理的費用將大大降低。1.2.2社會效益基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第6頁。遠程集中抄表系統(tǒng)和智能網(wǎng)絡(luò)水表的推廣使用不僅具有很好的經(jīng)濟效益，而且具有很好的社會效益：基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第6頁。(1)智能網(wǎng)絡(luò)水表系統(tǒng)為實現(xiàn)國家建設(shè)部在小康住宅標準中提出的推廣應(yīng)用戶外計量(含水、電、暖、燃氣表)技術(shù)提供了有利的保障；(2)智能網(wǎng)絡(luò)水表系統(tǒng)能夠避免水表計量和收費過程中的各種錯計、漏計用水量和拖欠水費等現(xiàn)象；(3)遠程集中抄表系統(tǒng)有利于促進科技進步和新材料的研制。1.2.3設(shè)計的技術(shù)指標本次設(shè)計的智能網(wǎng)絡(luò)水表的主要技術(shù)指標有：(1)工作電壓：3.6士0.6V；(2)靜態(tài)電流：(30MA)；(3)閥門正常工作次數(shù)：>100次；1.2.4采用的控制芯片控制芯片是智能網(wǎng)絡(luò)水表系統(tǒng)和智能網(wǎng)絡(luò)水表的核心部分，采用何種控制芯片要從它的功耗和性能方面結(jié)合考慮，單獨考慮芯片的功耗而忽略其性能是不合適的，要做到采用的芯片功耗盡可能低，同時也要滿足智能網(wǎng)絡(luò)水表系統(tǒng)和智能網(wǎng)絡(luò)水表的各項功能。1.2.5采用的抄表方式現(xiàn)在遠程集中抄表系統(tǒng)有很多種抄表方式，結(jié)合實際情況，采用合適的抄表方式是保證數(shù)據(jù)可靠傳輸，進行實時監(jiān)控的關(guān)鍵。本次設(shè)計采用的抄表方式適合大容量的水表數(shù)據(jù)采集，同時上位機管理系統(tǒng)可以通過集中器對水表進行實時監(jiān)控。在國外集中抄表系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展起步較早，對集中抄表技術(shù)的研究起步也較早，且比較深入，從標準的制定到抄表專用芯片的生產(chǎn)都比較成熟，多種集中抄表技術(shù)得到了相對廣泛的、成功的應(yīng)用，在發(fā)達國家基本上都實現(xiàn)了遠程集中抄表。對于適合于遠程集中抄表的智能水表而言，國外幾家大水表公司，如瑞典ABB公司、德國MEILEK公司及以色列ARAD公司推出的總線制智能水表，這些公司定做了一體化芯片(將采集、存儲、傳輸電路集成于一體的專用芯片)，固件到表體上。這種水表由于采集計數(shù)工作單元均裝配在智能水表內(nèi)并密封，水表的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲等基礎(chǔ)工作全由水表本身完成，上位機不參與底層數(shù)據(jù)采集，僅進行通信聯(lián)系，消除了外界因素對計量的影響。另外因智能水表引出的總線通、斷不影響單表數(shù)據(jù)采集和保存，也不影響其它水表數(shù)據(jù)的讀出，即使本次讀數(shù)時該表總線出現(xiàn)故障，只需重新掛接好總線，無需重新置數(shù)，水表的真實讀數(shù)仍可繼續(xù)讀出，其安全性、穩(wěn)定性是比較可靠的。但是成本較高，推廣普及較慢?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第7頁。通過電力線載波技術(shù)進行遠程集中抄表的智能水表，國外的很多大公司和研究所已經(jīng)開發(fā)出了相對應(yīng)用于電力線載波技術(shù)的器件和元件，電力線載波技術(shù)的關(guān)鍵是電力線載波專用芯片，國外很多公司生產(chǎn)出這種專用芯片，使遠程集中抄表和控制變得可靠。瑞典ABB公司開發(fā)的無線發(fā)射式水表，除安裝常規(guī)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲模塊外，另設(shè)置無線發(fā)射裝置，通過遠程接收裝置接收信號，此種水表不需敷設(shè)線路和線路維護、安裝方便。但是種無線發(fā)射式水表占用頻率點需長期交付一定的租用金和管理費?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第7頁。國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀相對于國外遠程集中抄表和智能化水表的發(fā)展，我國在這方面的技術(shù)起步較晚，但是發(fā)展十分迅速。RS-85總線傳輸方式已經(jīng)廣泛應(yīng)用在集中抄表系統(tǒng)中，在我國些大中城市，無線傳輸抄表方式也廣泛使用，經(jīng)過技術(shù)的改進，這種抄表方式已經(jīng)取得了明顯的效果；電力線載波技術(shù)更是發(fā)展迅速，尤其在電能表自動抄表方面使用最多。對于傳統(tǒng)水表出現(xiàn)的缺陷，我國市場上出現(xiàn)了很多種智能化水表，具體分類如圖1-1所示。圖1-1智能水表分類圖(1)最早出現(xiàn)的是磁卡式水表，這種水表是IC卡智能水表的雛形，但是由于存在磁卡失磁的問題，這種水表很快被淘汰。(2)九十年代初期，IC卡智能水表成為研究的重點，但是當時水表中電路的主控芯片功耗大、數(shù)據(jù)采集精度、水表閥門的質(zhì)量和缺乏國家行業(yè)的統(tǒng)一標準等問題使早期的IC卡智能水表發(fā)展和推廣比較緩慢。隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)的進步和2001年國家建設(shè)部頒布了《IC卡冷水水表》的行業(yè)標準，這樣促使了IC卡智能水表迅速發(fā)展。現(xiàn)在的IC卡智能水表主要有：接觸式IC卡智能水表、階梯式IC卡預(yù)付費智能水表、非接觸式IC卡(射頻卡)智能水表等(1)接觸式IC卡智能水表：可以顯示用水量、現(xiàn)行水價、剩余金額等數(shù)據(jù)；欠壓報警；防盜水等功能。接觸式IC卡智能水表的缺點是：有外露電極，電路只能部分密封，防潮性能差，在潮濕環(huán)境下，IC卡會出現(xiàn)數(shù)據(jù)失誤，長期使用觸點生銹、腐蝕?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第8頁。(2)階梯式IC卡預(yù)付費水表(又名分量計費水表和復(fù)費率計費水表)：具有水量定額平價、超額高價的自動階梯式計費功能。這種水表可以根據(jù)階梯水價的劃分和水表應(yīng)用軟件的修改，擴展這種階梯式水表的功能，例如二段式、三段式以及多段式收費功能。二段式收費是第一段定額水量平價，超額水量高價；三段式收費是在二段式的基礎(chǔ)上增加了一段鼓勵水量，這段鼓勵水量低價，這樣可以鼓勵居民節(jié)約用水；多段式收費具有二段和三段收費的功能，而且具有階梯上行和階梯下行的收費功能。具有這種功能的水表不僅可以運用在用戶用水量計量中，還可以運用在某些工業(yè)流體的計量上?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第8頁。(3)非接觸式IC卡水表：采用射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)，通過無線電磁波傳遞技術(shù)進行信息的讀寫。非接觸式IC卡水表的優(yōu)點是：第一，沒有任何機械觸點，因此沒有磨損和腐蝕問題。第二，電路全樹脂密封，徹底解決了防潮、防水的問題。第三，與接觸式IC卡相比，非接觸式IC卡無任何外露電極，因此有效地抗擊外部的強電干擾。使用非接觸式IC卡完全密封無裸露芯片，不怕劃傷、不怕磨損更不怕水洗，無需擔(dān)心芯片脫落、靜電擊穿、彎曲損壞等問題。但是這種水表的主要缺點是：雖然非接觸IC卡是采用無線電波進行數(shù)據(jù)交換的，因此水表電子控制系統(tǒng)可以進行完全密封，防水性能最好，但是里面的冷凝水卻出不來，長期腐蝕線路板。而且非接觸式卡本身沒有電池，需要設(shè)備首先產(chǎn)生電磁輻射，通過感應(yīng)電為卡提供能源，持卡工作后，通過高頻電波與設(shè)備交換信息，因此數(shù)據(jù)交換不可靠，產(chǎn)品成本也較高。(3)遠傳水表是將用戶用水量數(shù)據(jù)遠傳給上位機管理系統(tǒng)，現(xiàn)在我國出現(xiàn)了幾種遠傳水表，包括無線遠傳水表、電力線載波水表和攝像直讀式遠傳水表等。其中：=1\*GB3①無線遠傳水表：這種水表除安裝常規(guī)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲模塊外，另設(shè)置無線發(fā)射裝置，通過遠程接收裝置接收信號，此種水表不需敷設(shè)線路和線路維護、安裝方便。這種無線遠傳水表利用無線通信設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸給樓下的集中器，集中器通過有線方式與上位機相連，進行自動抄表。這樣減少了單表的成本，不必為占用頻率點需交付一定的租用金和管理費。在我國的天津無線遠傳水表成為自來水表改造的重點，在2003年天津安裝了25萬塊遠傳水表，當時由于技術(shù)和管理的原因，這其中很多水表沒有正常運行，但現(xiàn)在經(jīng)過技術(shù)改進和管理的到位，這些水表己經(jīng)能夠正常運行。天津市計劃在2005年有63萬用戶使用無線遠傳水表，北京市同樣有這樣的舉措。=2\*GB3②電力線載波水表：隨著我國的低壓載波技術(shù)的進步發(fā)展，出現(xiàn)了利用低壓電力線作為通信載體的智能遠傳水表出現(xiàn)了，但是作為低壓電力線載波技術(shù)關(guān)鍵的電力線載波專用芯片大都由國外的公司生產(chǎn)。但是我國電網(wǎng)干擾較大，所以這些芯片的可靠使用還存在問題，利用電力線作為通信載體的智能遠傳水表的廣泛應(yīng)用還需要一些時日。=3\*GB3③攝像直讀式遠傳水表：這種水表是在智能水表上安裝針孔攝像頭，這種攝像頭本身有發(fā)光二極管，可以全天候拍照，使用壽命長，電流很小，布線方便，使用這種智能水表可以拍攝下水表用水量的圖片，通過手持機或者通過有線方式傳輸給遠方的控制室。但是這種遠傳水表成本較大，在上海等市有一定規(guī)模的使用[2]。1.3智能水表市場智能水表市場如同電表市場一樣，同樣具有極大的潛力。從1998年開始，國內(nèi)電表行業(yè)進行了大規(guī)模IC卡電表改造工程。短短的3年內(nèi)，全國完成了500萬只IC卡電表改造，加上新建樓房的安裝數(shù)量，IC卡電表總的需求量已經(jīng)超過了1100萬只。從當前的種種跡象來看，水表大規(guī)模更新?lián)Q代的機會也即將來臨。其主要原因：一是原國家計委、水利部等5部委聯(lián)合決定，全國所有城市要在2005年年底以前全部實行居民生活用水階梯式計量水價的政策。二是目前IC卡智能水表的技術(shù)已經(jīng)成熟，具備了大面積推廣應(yīng)用產(chǎn)品基礎(chǔ)。三是水資源的短缺使得政府和自來水公司不得不加快階梯水價的實施步伐。基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第9頁。水資源短缺是我國的基本國情，缺水給中國經(jīng)濟發(fā)展和社會生活帶來巨大的負面影響。水資源的短缺推動了水行業(yè)的水價改革，這些價格改革有效地提高了公民的節(jié)水意識。為了更有效緩解我國水資源短缺的問題，原國家計委、水利部等5部委聯(lián)合決定，全國所有城市要在2005年年底以前全部實行居民生活用水階梯式計量水價的政策。階梯式水價是指對居民用水有上限規(guī)定，如果用水超過一定的標準，同樣1立方米的水，將收取更多的水費，用水越多，每立方米單價便越高，用價格杠桿節(jié)約水資源。天津、哈爾濱、銀川等14個城市已經(jīng)率先開展了城市供水價格改革試點工作，實行了階梯式計量水價?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第9頁。階梯水價是保證水資源的供給與需求達到平衡的基本手段。但是水計量手段落后卻是制約階梯水價的最大障礙。長期以來供水企業(yè)只抄總表，住在住宅單元內(nèi)的居民從來就沒有與供水企業(yè)發(fā)生供用水的經(jīng)濟關(guān)系。如果自來水公司不能準確地知道用戶每月的用水量，如何實施階梯水價？正因如此，一些城市提出階梯水價短期內(nèi)不會實行。除了受到“抄表到戶”的條件制約外，還受到“抄表的及時性和準確性及水表出戶”等因素制約。據(jù)介紹，居民階梯水價實施的前提條件是“一戶一表，抄表到戶”。但目前我國不少老房子不適宜改造，有的地區(qū)還有不少高層建筑住戶享受躉售政策等問題，制約著階梯水價的推進?，F(xiàn)狀是，有的幾個月抄一次或自報水量。這說明人工入戶抄表已不符合當前的需要，同時由于生活質(zhì)量的提高，人們對私密性、安全性等問題開始重視，這就需要采取技術(shù)手段來解決。實現(xiàn)階梯水價在當前面臨的最大困難就是水計量手段的落后。IC卡智能水表是實現(xiàn)階梯水價的最現(xiàn)實選擇。IC卡智能水表是一種利用現(xiàn)代微電子技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、I卡技術(shù)對用水量進行計量并進行用水數(shù)據(jù)傳遞及結(jié)算交易的新型水表。它除了可對用水量進行記錄和電子顯示外，還可以按照約定對用水量進行自動控制，并且自動完成階梯水價的水費計算，同時可以進行用水數(shù)據(jù)存儲的功能。由于其數(shù)據(jù)傳遞和交易結(jié)算通過IC卡進行，因而可以實現(xiàn)由工作人員上門抄表收費到用戶自己去營業(yè)所交費的轉(zhuǎn)變。IC卡交易系統(tǒng)還具有交易方便、計算準確、可利用銀行進行結(jié)算等特點。雖然各個廠家提出實現(xiàn)階梯水價的技術(shù)手段很多，但從實際應(yīng)用情況來看，IC卡智能水表還是最現(xiàn)實的選擇。一方面有了電表行業(yè)IC卡智能電表成功應(yīng)用的先例，證明在技術(shù)上是成熟的，另一方面，城市居民大部分已經(jīng)接受了IC卡智能電表的用電習(xí)慣，面對IC卡智能水表時，更容易適應(yīng)。第三，IC卡智能水表不僅能實現(xiàn)階梯水價，而且可以幫助自來水公司用最簡單的方式收費，解決拖欠水費的難題。盡管對階梯水價的技術(shù)實現(xiàn)手段仍然有爭議，但IC卡智能水表已經(jīng)成為應(yīng)用最廣的產(chǎn)品。從近期的情況看，許多城市如北京、重慶、天津、南京、銀川、哈爾濱、沈陽、庫爾勒、石家莊等城市都已經(jīng)開始實施IC卡水表改造工程。不僅如此，隨著定額用水的實施，大型企事業(yè)單位，如學(xué)校、部隊、工廠、醫(yī)院、礦山等，為了降低成本，節(jié)約用水，都在進行IC卡水表改造。如此巨大的需求量，吸引了大量廠家投身其中。IC卡智能水表經(jīng)過8年的發(fā)展，技術(shù)上也已經(jīng)成熟，具備了大面積推廣應(yīng)用的條件。IC卡智能水表大規(guī)模更新?lián)Q代的時代已經(jīng)到來，紛紛搶占區(qū)域市場成為水表企業(yè)競爭的焦點，機會是平等的，只要努力，相信水表業(yè)將迎來盛夏[3]！1.4智能卡表的安全性內(nèi)容基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第10頁。隨著“一戶一表”工程的實施，利用IC卡作為傳輸介質(zhì)，采用預(yù)付費的收費方式對公用事業(yè)儀表進行抄表收費管理的模式得到了迅速的發(fā)展，并且逐漸從物業(yè)小區(qū)管理方式發(fā)展到行業(yè)或城市管理方式。由于用戶的結(jié)算信息和公用儀表的計量信息都是通過用戶手中的IC卡進行傳輸?shù)?，用戶的分布又是一個十分復(fù)雜、分散的群體，因此如何保證用戶卡中傳遞信息的安全性已經(jīng)變成一個十分重要的問題。這個問題解決的好壞，將直接影響IC卡表以及預(yù)付費管理系統(tǒng)的推廣使用。基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第10頁。在智能卡表和預(yù)付費管理系統(tǒng)之間，信息的傳遞是通過IC卡作為傳輸介質(zhì)進行的，安全性的主要內(nèi)容是如何保證IC卡中信息的安全性，與此相關(guān)，還要保證不能用非法的手段獲得或者修改智能卡表中的數(shù)據(jù)信息。對IC卡和智能卡表中的信息安全性保護主要體現(xiàn)在對數(shù)據(jù)信息進行非法攻擊的防護上，常用的攻擊行為有以下幾種：1、截取信道中的信息：通過非法設(shè)備以及相關(guān)技術(shù)手段讀取IC卡中存儲的數(shù)據(jù)信息以及在IC卡與智能卡表進行操作時截取數(shù)據(jù)交換信息。2、破譯IC卡中的信息：攻擊者在采用上述兩種方式截獲數(shù)據(jù)信息后，根據(jù)IC卡中數(shù)據(jù)信息的變化情況以及數(shù)據(jù)交換過程中數(shù)據(jù)流的變化，對數(shù)據(jù)進行分析，從而確認IC卡中所有數(shù)據(jù)的含義以及數(shù)據(jù)流的變化規(guī)則，完成對IC卡以及智能卡表中數(shù)據(jù)信息的破譯，進而達到非法改變數(shù)據(jù)信息的目的。3、復(fù)現(xiàn)IC卡中的數(shù)據(jù)信息：攻擊者在截獲數(shù)據(jù)信息后，并不對數(shù)據(jù)進行分析破譯，而是記錄在特定操作中數(shù)據(jù)流的變化情況，在需要時，將記錄的數(shù)據(jù)流直接復(fù)制發(fā)送到IC卡或智能卡表，從而達到非法改變數(shù)據(jù)信息的目的。這種情況經(jīng)常發(fā)生在當IC卡與智能卡表之間進行數(shù)據(jù)交換采用加密處理的時候。在上述所描述的攻擊方法中，第一種方式是手段，由于IC卡和智能卡表全部由用戶掌握和使用，管理方無法做到實現(xiàn)實時跟蹤，因此在現(xiàn)實中是無法阻止攻擊者進行這種嘗試的。第二、三種方式是數(shù)據(jù)分析處理，是攻擊的目的所在。如果對IC卡與智能卡表之間的數(shù)據(jù)進行安全保護處理或者采用較為簡單的安全保護，攻擊是非常容易達到效果的。為此在設(shè)計智能卡表及其相關(guān)管理系統(tǒng)時，必須對數(shù)據(jù)的安全性給予高度的重視，從某種角度來說，一個智能卡表及系統(tǒng)設(shè)計是否成功，關(guān)鍵在于其對數(shù)據(jù)安全性的處理。1.4.1智能卡表及系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的安全性分析由于在智能卡表及系統(tǒng)中，IC卡是數(shù)據(jù)存儲和傳遞的載體，因此IC卡的數(shù)據(jù)存儲安全性是需要著重予以考慮的。在智能卡表及系統(tǒng)中所使用的都是集成電路卡(IC卡)，(從數(shù)據(jù)容量和安全性的角度以及讀寫設(shè)備的成本考慮，沒有使用磁條卡作為信息載體的，因此磁卡表的名稱是不準確的。)集成電路卡的核心是采用集成電路芯片來進行數(shù)據(jù)的存儲。目前廣泛使用的IC卡使用的是電可擦除數(shù)據(jù)存儲芯片(EEPROM)，這種芯片讀寫速度快，掉電后數(shù)據(jù)可以長期保存，并且數(shù)據(jù)可以反復(fù)進行擦寫。IC卡根據(jù)對EEPROM讀寫處理方式的不同，可以分為存儲卡、邏輯加密卡以及智能卡(CPU卡)三大類，它們具有不同的數(shù)據(jù)保護安全級別。1、存儲卡：存儲卡是直接將EEPROM芯片封裝在卡片上，外部設(shè)備可以直接訪問到EEPROM中的任何一個單元?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第11頁。由于存儲卡中只有EEPROM一個芯片，因此IC卡的對外接口實際上就是EEPROM的對外接口，這樣外部讀寫設(shè)備就可以十分方便地對EEPROM進行數(shù)據(jù)讀寫操作，作為IC卡而言，無法對合法或非法的讀寫設(shè)備進行判斷和識別，非常容易進行攻擊。存儲卡只是用來對數(shù)據(jù)進行存儲，而無法對數(shù)據(jù)進行安全性保護，因此存儲卡不具備數(shù)據(jù)安全性保護措施，數(shù)據(jù)安全級別很低?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第11頁。2、邏輯加密卡：邏輯加密卡是在將EEPROM芯片封裝在卡片上的同時，將一組硬件邏輯電路也封裝在卡片上，外部讀寫設(shè)備必須通過硬件邏輯電路的判斷后才能訪問到EEPROM中的任何一個單元。由于在IC卡中存在一組硬件邏輯加密電路，EEPROM芯片的接口并不直接對外，在初始狀態(tài)IC卡芯片中的數(shù)據(jù)開關(guān)處于斷開狀態(tài)。外部讀寫設(shè)備在訪問IC卡芯片中的EEPROM單元之前，必須首先發(fā)一組數(shù)據(jù)給硬件邏輯電路，硬件邏輯電路在判斷數(shù)據(jù)的合法性后(即密碼校驗)，才決定是否將IC卡內(nèi)的開關(guān)閉合。只有密碼校驗正確后，硬件邏輯電路才能將開關(guān)閉合，這時外部讀寫設(shè)備才能對EEPROM中的數(shù)據(jù)進行讀寫操作，這樣邏輯加密卡就可以對外部合法和非法的讀寫設(shè)備進行識別判斷。通過這種方式，邏輯加密卡對內(nèi)部EEPROM中的數(shù)據(jù)進行了安全性保護，因此邏輯加密卡具備數(shù)據(jù)安全性保護措施。但邏輯加密卡的安全性級別并不是很高，有兩種攻擊方式可以對其進行攻擊測試，一種是當合法讀寫設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)進行密碼校驗時，非法設(shè)備可以跟蹤到校驗密碼，這樣今后非法設(shè)備通過重放也可以通過密碼校驗，從而對邏輯加密卡進行數(shù)據(jù)攻擊；另一種方法是非法設(shè)備在跟蹤到合法設(shè)備已經(jīng)通過邏輯加密卡的密碼校驗，IC卡內(nèi)部開關(guān)閉合后，再通過數(shù)據(jù)線對邏輯加密卡中EEPROM的數(shù)據(jù)進行攻擊破壞。因此邏輯加密卡雖然具備一定的數(shù)據(jù)安全性保護，但它的安全級別依然較低，具備一定的手段仍然是可以攻破的。造成這種情況出現(xiàn)的原因是因為邏輯加密卡中的安全性是依賴一組硬件邏輯電路，這種電路只有判斷能力，但不具備分析處理能力，因此不能及時發(fā)現(xiàn)和處理變化的環(huán)境。3、智能卡(CPU卡)：智能卡是在將EEPROM芯片封裝在卡片上的同時，將微處理器芯片(CPU)也封裝在卡片上，外部讀寫設(shè)備只能通過CPU與IC卡內(nèi)的EEPROM進行數(shù)據(jù)交換，在任何情況下都不能再訪問到EEPROM中的任何一個單元。由于在智能卡中封裝了微處理器芯片(CPU)，這樣EEPROM的數(shù)據(jù)接口在任何情況下都不會與IC卡的對外數(shù)據(jù)線相連接。外部讀寫設(shè)備在與智能卡進行數(shù)據(jù)交換時，首先必須發(fā)指令給CPU，由CPU根據(jù)其內(nèi)部ROM中存儲的卡片操作系統(tǒng)(COS)對指令進行解釋，并進行分析判斷，在確認讀寫設(shè)備的合法性后，允許外部讀寫設(shè)備與智能卡建立連接。之后的數(shù)據(jù)操作仍然要由外部讀寫設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的指令，并且CPU對指令進行正確解釋后，允許外部讀寫設(shè)備和智能卡中的數(shù)據(jù)存儲區(qū)(RAM)進行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)交換成功后，在CPU的控制下，利用智能卡中的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，再將內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)與EEPROM中的數(shù)據(jù)進行交換?？梢钥吹剑跀?shù)據(jù)處理過程中，外部讀寫設(shè)備只是和CPU打交道，同時數(shù)據(jù)交換也只能和數(shù)據(jù)緩存區(qū)RAM進行，根本無法實現(xiàn)對智能卡中EEPROM數(shù)據(jù)的直接訪問。這樣就實現(xiàn)了對智能卡EEPROM中數(shù)據(jù)的安全保護，因此智能卡也具備數(shù)據(jù)安全性保護措施。與邏輯加密卡相比，由于智能卡內(nèi)部具有CPU芯片，在具有數(shù)據(jù)判斷能力的同時，也具備了數(shù)據(jù)分析處理能力，因此智能卡可以隨時區(qū)別合法和非法讀寫設(shè)備，并且由于有了CPU芯片，具備數(shù)據(jù)運算能力，還可以對數(shù)據(jù)進行加密解密處理，因此具備非常高的安全性，其安全級別很高。從對攻擊方式的分析可以看到，保證IC卡內(nèi)數(shù)據(jù)的安全性是最基本的要求，如果非法設(shè)備可以容易地與IC卡進行數(shù)據(jù)信息交換，進而進行分析處理，智能卡表及系統(tǒng)就不再具備任何安全性。因此提高IC卡的安全性是設(shè)計好的智能卡表及系統(tǒng)的關(guān)鍵?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第12頁。根據(jù)上面的分析，如果智能卡表及系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的安全性非常重視，應(yīng)該選用安全級別高的IC卡，從發(fā)展趨勢看，應(yīng)盡量選用智能卡作為智能卡表信息傳遞的介質(zhì)。基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第12頁。在設(shè)計實際的智能卡表系統(tǒng)時，安全性的指標也是相對而言的。如果設(shè)計的是單機版的物業(yè)小區(qū)管理系統(tǒng)，對安全性的要求不高，為簡化設(shè)計和降低成本，可以選用邏輯加密卡或存儲卡；但如果是行業(yè)管理部門或在大中城市推廣智能卡管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的安全性將是一個非常重要的指標，這時應(yīng)該首先選擇智能卡做為管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息載體。1.4.2智能卡表及系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的安全性分析根據(jù)上面的分析，在智能卡表及系統(tǒng)中選擇使用智能卡可以有效保證數(shù)據(jù)存儲的安全性，但即使這樣也只是阻止了非法讀寫設(shè)備直接對IC卡中數(shù)據(jù)的操作，并不能保證在IC卡與智能卡表或合法讀寫器之間進行數(shù)據(jù)交換時不被非法設(shè)備跟蹤破譯，要解決這種類型的非法攻擊，還需要采用安全認證以及對數(shù)據(jù)在傳輸時進行線路保護處理。1、安全認證：安全認證用來在讀寫設(shè)備(包括智能卡表)與IC卡進行數(shù)據(jù)交換之前，首先進行必要的安全認證，用來確認雙方身份的合法性。只有雙方身份確認后，才能建立相互之間聯(lián)系的通道進行必要的數(shù)據(jù)交換。如果雙方不能確認身份的合法性，則不能建立進行數(shù)據(jù)交換的通道。安全認證有兩種方式可以實現(xiàn)，一是通過密碼進行安全認證；一是通過密鑰進行安全認證。(1)讀寫設(shè)備發(fā)送密碼到IC卡(2)IC卡進行密碼比較(3)IC卡將比較結(jié)果返回讀寫設(shè)備IC卡在進行密碼比較時，如果讀寫設(shè)備發(fā)來的密碼與IC卡中存儲的密碼相同，IC卡向讀寫設(shè)備返回密碼認證通過的結(jié)果，并打開IC卡數(shù)據(jù)與外部進行交換的權(quán)限。如果密碼不同，則返回錯誤結(jié)果，IC卡數(shù)據(jù)與外部進行交換的權(quán)限被關(guān)閉。在邏輯加密卡中使用的就是這種認證方式，同時智能卡中的口令密鑰認證也是采用這種方式進行的。密碼認證的方式比較簡單實用，是一種常用的安全認證手段。其最大的缺陷在于進行認證的密碼在線路上進行了傳輸，如果非法設(shè)備跟蹤到密碼認證的第一步，就比較容易破譯整個密碼認證過程，這樣非法設(shè)備也能夠正確地與IC卡進行密碼認證，從而能夠非法與IC卡進行數(shù)據(jù)交換，而這個過程是無法阻止的。(1)讀寫設(shè)備向IC卡發(fā)取隨機數(shù)指令(2)IC卡向讀寫設(shè)備返回隨機數(shù)(3)讀寫設(shè)備用存儲的密鑰對隨機數(shù)進行加密運算，生成加密結(jié)果即密碼(4)讀寫設(shè)備發(fā)送密碼到IC卡(5)IC卡用存儲的密鑰和隨機數(shù)進行加密運算，并將生成的密碼和收到的密碼進行比較(6)IC卡將比較結(jié)果返回讀寫設(shè)備與密碼認證過程相比，密鑰認證增加了兩個內(nèi)容，一是引入了密鑰的概念，增加了加密運算過程；二是增加了產(chǎn)生隨機數(shù)的過程，有了這兩個過程，就可以有效地保證密鑰認證過程被非法跟蹤后，仍然能夠保證認證過程的安全性?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第13頁。密鑰是事先設(shè)置到讀寫設(shè)備和IC卡中的，它在認證過程中只參與運算，但不在線路中進行傳輸，這樣非法跟蹤是不可能截獲到密鑰的；由于有隨機數(shù)的概念，這樣每次進行密鑰認證雖然使用的是相同的密鑰，但經(jīng)過加密運算產(chǎn)生的密碼也是隨機的，無規(guī)律可循的，這樣非法跟蹤截獲到的密碼無法在下次進行認證時使用，只要不知道密鑰，非法設(shè)備就無法再向密碼認證那樣模擬安全認證的過程，也就不能非法與IC卡進行數(shù)據(jù)交換。基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第13頁。在這里值得特別指出的是加密運算過程也是保證密鑰認證安全性的一個非常重要的環(huán)節(jié)，加密運算的算法必須滿足下面的條件：(1)已知加密因子和密鑰可以計算出加密結(jié)果，即數(shù)據(jù)加密運算；(2)已知加密結(jié)果和密鑰可以推出加密因子，即數(shù)據(jù)解密運算；(3)已知加密因子和加密結(jié)果不可以推出密鑰；(4)加密算法應(yīng)該是公開的算法。這樣的加密算法就可以有效地保證密鑰的安全性。同時需要特別指出的是在智能卡表及系統(tǒng)中采用的算法一定應(yīng)該是國際上公認的具備上述特征的算法，只有采用這樣的算法，才能夠有效保證安全性，同時也能使智能卡表及系統(tǒng)具有兼容性和互換性。目前有些廠家采用自己編制的算法進行密鑰安全認證存在兩大隱患：一是算法未經(jīng)過權(quán)威部門認證，算法的安全級別實際上很低，其安全性完全取決于算法不公開，但即使不公開的算法也很容易被非法攻擊攻破，因為廠家的技術(shù)人員往往只是表具設(shè)計專家，而不是密碼安全算法專家，而進行非法攻擊的人員卻往往是密碼算法專家；二是由于安全原因算法不公開，系統(tǒng)的安全性就永遠和廠家的人員有關(guān)，而真正關(guān)心系統(tǒng)運行安全的行業(yè)管理部門卻不能掌握核心安全，同時也無法實現(xiàn)在系統(tǒng)中使用多家的智能卡表，從而對產(chǎn)品招標選型帶來不方便，在某種程度上，不安全的算法可能反而保護了產(chǎn)品性能并不高的廠家，因為即使發(fā)現(xiàn)智能卡表產(chǎn)品有性能缺陷，使用者卻由于安全算法的原因不能更換更好廠家的產(chǎn)品。目前國際上公認的加密算法主要分為兩大類型：一種是對稱加密算法，這種算法的加密密鑰和解密密鑰是相同的，代表性的算法有DES算法和DES算法；另一種算法是非對稱算法，這種算法的加密密鑰和解密密鑰是不相同的，代表性的算法有RSA算法。從安全性的角度來講，不對稱算法的安全性更高，但計算過程也更復(fù)雜，一般都應(yīng)用在需要對身份進行合法性認證，防偽認證等場合；對稱性算法也具有很高的安全性，算法相對比較簡單使用，目前金融應(yīng)用，公用事業(yè)應(yīng)用基本上都采用對稱算法。在智能卡表應(yīng)用中，如果是非金融的單機系統(tǒng)，采用DES算法比較適宜；如果考慮今后和金融系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)收費，則應(yīng)滿足銀行規(guī)范使用DES算法。2、數(shù)據(jù)的線路保護：線路保護是指讀寫設(shè)備和IC卡通過安全認證后進行數(shù)據(jù)交換傳輸時，要保證數(shù)據(jù)在線路上被非法設(shè)備截獲后不能進行破譯、竄改和重放復(fù)現(xiàn)。數(shù)據(jù)的線路保護分為兩個層面：一是數(shù)據(jù)的機密性保護；一是數(shù)據(jù)的完整性保護。數(shù)據(jù)的機密性保護是指對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)用密鑰進行加密處理后再進行傳輸。這樣在線路中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為密文數(shù)據(jù)，非法設(shè)備截獲后無法進行數(shù)據(jù)破譯和分析，接收方收到密文數(shù)據(jù)后再用解密密鑰進行解密重新得到明文數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的完整性保護是指在要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后面附加校驗碼字節(jié)，發(fā)送方將發(fā)送數(shù)據(jù)與線路保護密鑰以及隨機數(shù)進行運算，生成校驗碼后進行數(shù)據(jù)傳輸，接收方接收到數(shù)據(jù)后用相同的密鑰對接收到的數(shù)據(jù)重新計算校驗碼并與接收到的校驗碼進行比較，相同則接收數(shù)據(jù)有效，否則數(shù)據(jù)無效。由于密鑰不在線路上傳輸，這樣非法設(shè)備截獲數(shù)據(jù)后如果對數(shù)據(jù)進行竄改，必然會導(dǎo)致校驗碼不正確，接收方就能夠拒絕接受錯誤數(shù)據(jù)?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第14頁。由于校驗碼在運算過程中也有隨機數(shù)參與運算，因此即使采用相同的密鑰，將相同的數(shù)據(jù)進行多次傳輸，每次形成的校驗碼也是各不相同的，這樣非法設(shè)備即使截獲了某一次的合理數(shù)據(jù)，也不能在進行二次傳輸，這就有效避免了非法設(shè)備對數(shù)據(jù)進行重放復(fù)現(xiàn)?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第14頁。綜合運用上述兩種方法，就可以有效地保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性，也就最終實現(xiàn)了在公開的傳輸介質(zhì)或信道上，采用公開的加密算法進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)能夠是有效的，正確的，安全的。與此相對應(yīng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩圆皇且揽總鬏斝诺赖姆忾]性，加密算法的不公開性來保證的。綜合上面所討論的內(nèi)容，在智能卡表及系統(tǒng)中要具備高的數(shù)據(jù)安全性，一是要采用安全級別高的IC卡即智能卡(CPU卡)作為傳輸介質(zhì)，二是利用密鑰和相應(yīng)的加密算法進行數(shù)據(jù)的安全認證和有效傳輸。1.5論文的主要內(nèi)容本次論文各章的主要內(nèi)容如下：第一章闡述了研究背景和選題的意義以及經(jīng)濟效益和社會效益，介紹了遠程集中抄表系統(tǒng)和智能網(wǎng)絡(luò)水表的技術(shù)指標，還介紹了智能水表的市場前景，最后對智能水表的安全性進行了闡述。第二章主要進行了遠程集中抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的整體設(shè)計，首先闡述了遠程集中抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的總體結(jié)構(gòu)，然后分別介紹了上位機管理系統(tǒng)、集中器和智能網(wǎng)絡(luò)水表的主要功能，進行了設(shè)計方案的論證，最后比較詳細地介紹了設(shè)計過程中用的主要軟件PROTELL。第三章詳細闡述了智能水表的硬件設(shè)計，即智能水表各組成部分的設(shè)計，主要包括：主控微處理芯片、水量采集傳感器、信息顯示、控制閥門以及欠壓報警通等。對其中各個部件的選型和功能做了方案論證。第四章詳細闡述了智能水表的軟件設(shè)計，包括軟件設(shè)計的思想和任務(wù)，采用模塊化程序設(shè)計思想進行了各個模塊的程序設(shè)計。給出了各個子程序模塊的流程圖，以及重要模塊的程序。第五章詳細闡述了智能水表的可靠性和抗干擾行設(shè)計。第六章對全文和本次設(shè)計做了總結(jié)?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第15頁。

第二章整體設(shè)計與PROTELL簡介基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第15頁。2.1遠程集中抄表系統(tǒng)的總體概述遠程集中抄表系統(tǒng)是一種不需要人員到達現(xiàn)場，利用特定的通信方式將用戶處的耗能計量表所記錄的各種數(shù)據(jù)傳送到遠程主控站的計算機網(wǎng)絡(luò)中，并由軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和計算的系統(tǒng)。遠程集中抄表系統(tǒng)結(jié)合了計算機技術(shù)和通信技術(shù)，在實際的使用中，可以采用多種通信方式，使遠程集中抄表系統(tǒng)更加完善。遠程集中抄表系統(tǒng)的主要優(yōu)點包括以下幾個方面：(1)遠程通信傳輸網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便：可以根據(jù)實際情況，選用有線或無線的傳輸方式；(2)實時或定時自動抄表，減輕人工勞動強度，提高經(jīng)濟效益：(3)提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準確性，克服人工抄表中的不確定因素，提高供水管理系統(tǒng)的管理水平和經(jīng)濟效益；(4)通過上位機管理系統(tǒng)，進行實時監(jiān)控，查處異常耗能計量表；(5)上位機數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫管理方便，報表自動生成，用戶繳費情況詳細，用戶查詢方便[4]。2.2遠程集中抄表系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)本文所設(shè)計的遠程集中抄表系統(tǒng)主要由上位機管理系統(tǒng)、集中器和智能網(wǎng)絡(luò)水表等三級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。它的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第16頁。圖2-1遠程抄表網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第16頁。2.2.1上位機管理系統(tǒng)上位機管理系統(tǒng)實際上就是一套以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的軟件管理系統(tǒng)，由一臺計算機、上位機管理軟件和一個調(diào)制解調(diào)器(MODEM)構(gòu)成，利用撥號通信完成集中抄表。上位機管理軟件包括數(shù)據(jù)庫管理模塊、水費水量模塊、小區(qū)管理模塊、用戶管理模塊、遠程通信模塊、實時監(jiān)控模塊等,系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊等,管理人員可以通過操作實現(xiàn)以下的一些功能：(1)錄入用戶資料，統(tǒng)計用戶用水量和交費情況；(2)定時或隨時抄收集中器的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行加工處理；(3)查詢智能網(wǎng)絡(luò)水表的運行情況，觀察用戶水表的運行狀態(tài)。此外，上位機管理系統(tǒng)還可以和銀行聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成四級網(wǎng)絡(luò)，同時將表計數(shù)據(jù)傳輸給銀行，由銀行從用戶在該行的存款賬戶上扣費。上位機管理系統(tǒng)和集中器是一對多的關(guān)系，管理的集中器數(shù)量受到管理中心采用的計算機的硬盤空間、采用的通信方式等方面的限制。2.2.2集中器集中器起著數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)和總線隔離的作用，它負責(zé)上位機和網(wǎng)絡(luò)水表的聯(lián)系。它的主要任務(wù)有兩項：一是完成和水表的通信，根據(jù)系統(tǒng)的要求接收某個水表的數(shù)據(jù)；二是根據(jù)系統(tǒng)要求完成和上位機的通信，將水表的數(shù)據(jù)信息傳輸給上位機管理系統(tǒng)。2.2.3智能網(wǎng)絡(luò)水表智能網(wǎng)絡(luò)水表是遠程集中抄表系統(tǒng)的終端，本文設(shè)計的智能網(wǎng)絡(luò)水表是一種集計量、計費、顯示、管理及控制于一體的高科技用水量自動計量儀表，通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與集中器、管理計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成多功能低功耗用水量遠程抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)了用水信息的采集、傳送及遠程水表的控制，使智能水表的功能更加完善。本次設(shè)計的智能網(wǎng)絡(luò)水表具有普通智能水表的全部功能：(1)數(shù)據(jù)采集：通過傳感器將水流量轉(zhuǎn)化為脈沖信號，記錄用水量。(2)信息顯示：顯示已用累計用水量、單價水費、剩余水量、水表閥門等。(3)欠壓提示：當水表內(nèi)的電池電壓不足時，水表顯示“電池欠壓”，提醒用戶更換電池等。除此之外，與其它各種智能水表相比，智能網(wǎng)絡(luò)水表最大的特點在于：(1)監(jiān)控功能：智能網(wǎng)絡(luò)水表可以監(jiān)控水表的運行狀況，如果出現(xiàn)異常，關(guān)閉水表的閥門，設(shè)置狀態(tài)位，方便上位機管理系統(tǒng)的查詢，從而有效防止偷水現(xiàn)象；(2)施工方便：網(wǎng)絡(luò)水表只需安裝一條總的傳輸線路就可以實現(xiàn)水表與集中器的數(shù)據(jù)通信，每戶居民的出線都可以接到這條總線上，從而方便了施工，同時降低了成本；基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第17頁。(3)全面防盜水：利用管理軟件監(jiān)控、鉛封及防反裝、防拆裝置，有效防止用戶盜水?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第17頁。2.3設(shè)計方案論證遠程集中抄表系統(tǒng)中關(guān)鍵要解決的問題是數(shù)據(jù)通信的問題，因而遠程集中抄表系統(tǒng)也隨著各種通信方式的發(fā)展而不斷發(fā)展起來。根據(jù)通信方式的不同，目前國內(nèi)外主要有以下幾種抄表方式，如圖2-2所示。圖2-2抄表方式分類圖2.3.1傳輸抄表方式主要包括：RS-485總線傳輸方式、基于LonWorks網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線傳輸方式、電力載波方式傳輸方式、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸方式和利用MODEM、電話網(wǎng)的傳輸方式等。(1)RS-85總線方式：是較早應(yīng)用的技術(shù)，技術(shù)非常成熟，現(xiàn)在在很多遠程集中抄表系統(tǒng)中大量采用。通常由一個采集終端通過RS-85總線采集一定數(shù)量基表的數(shù)據(jù)，基表為具有RS-85接口的電子表，采集終端通過專用電纜或RS-485總線，將采集到的數(shù)據(jù)送到集中器進行存儲和處理。抄收區(qū)域較大時，可以采用多個集中器級聯(lián)，一般由最高一級的集中器通過調(diào)制解調(diào)器接入電話網(wǎng)，再和上位機連接.(2)現(xiàn)場總線方式：現(xiàn)場總線是在微機測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多字節(jié)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景門.在智能住宅方面，LonWorks現(xiàn)場總線是現(xiàn)場總線技術(shù)中最被看好的技術(shù)之一。基于助LonWorks網(wǎng)絡(luò)的集中抄表系統(tǒng)，兼有局域網(wǎng)和測控網(wǎng)兩者的特性，可以方便的實現(xiàn)管理網(wǎng)和各種測控網(wǎng)的連接，通過由LonWorks網(wǎng)絡(luò)采集模塊對耗能計量表的數(shù)據(jù)進行采集，并把多個如此模塊連成LonWorks網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個比較大的集中器，同時對上千個耗能計量表進行數(shù)據(jù)采集，這些數(shù)據(jù)可以通過電話網(wǎng)或?qū)＞€傳輸?shù)竭h方的上位機管理系統(tǒng)?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第18頁。(3)電力線載波(PLC)抄表方式：其原理是把水表、電表、氣表的數(shù)據(jù)通過采集終端設(shè)備將數(shù)據(jù)調(diào)制后，通過電力線傳送，在接收端解調(diào)還原成數(shù)據(jù)信號，在同一臺配電變壓供電范圍內(nèi)用戶統(tǒng)一編址，并由采集器巡回讀寫。電力線載波方式在國外已經(jīng)運用的很成熟，主要是由于國外的電網(wǎng)十分干凈，千擾較少，而且有專門電力載波芯片。在我國電網(wǎng)干擾比較大，從國外引進的電力載波芯片不合適我國的電網(wǎng)，現(xiàn)在雖然有些地區(qū)在使用電力載波方式，但是效果不是很理想。基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第18頁。(4)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)抄表方式：這是國外一種新興的抄表方式，系統(tǒng)的每個終端表計都設(shè)置一個IP地址，上位機的控制命令和數(shù)據(jù)傳輸通過Internet網(wǎng)絡(luò)進行。(5)利用MODEM、電話網(wǎng)的遠程抄表方式：系統(tǒng)采用MODEM將集中器的數(shù)據(jù)通過電話網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C，上位機通過撥號方式對各個集中器進行數(shù)據(jù)接收或向集中器發(fā)送控制指令，上位機管理系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲、分析、查詢等。無線傳輸方式主要包括兩種：無線傳輸抄表方式和GSM遠程集中抄表方式。(1)無線發(fā)射抄表方式：(2)GSM遠程集中抄表方式：將GSM(GlobalsystemforMobilecommunication)網(wǎng)絡(luò)的短消息技術(shù)應(yīng)用于集中抄表系統(tǒng)中。GSM遠程集中抄表系統(tǒng)主要由用戶端、主控站、GSM通信系統(tǒng)三大部分組成。系統(tǒng)的工作原理是主控站利用無線調(diào)制解調(diào)器，通過GSM無線網(wǎng)絡(luò)，分別向各個耗能計量表抄表模塊發(fā)送“抄表短消息”，耗能表抄表模塊收到“抄表短消息”后，向集中器發(fā)送“抄表指令”，集中器抄讀各采集器采集的各耗能表數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)組織成“耗能表讀數(shù)短消息”，再通過耗能表抄表模塊把信息回傳給主控站。就目前來講，智能網(wǎng)絡(luò)水表抄表又可以分為分線式抄表方式和總線式抄表方式兩種：(1)分線式抄表方式：分線式抄表方式具有遠程自動抄表功能，每塊基表通過引出一根導(dǎo)線連接到集中器，集中器定時抄取基表的數(shù)據(jù)，并且同時處理、存儲這些數(shù)據(jù)。分線制集中抄表模式導(dǎo)致了風(fēng)險集中，如果集中器掉電或出現(xiàn)其他嚴重故障則會使該集中器上的所有耗能計量表數(shù)據(jù)丟失，集中抄表的風(fēng)險無法有效分散，與測控系統(tǒng)強調(diào)的集中管理、分散控制的分布式設(shè)計思想相違背，而且施工布線比較復(fù)雜，抗干擾性差，可靠性不強。(2)總線式抄表方式：這種抄表方式是水表的采集、計數(shù)單元集成在智能水表內(nèi)，使得用水量數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲由智能水表本身完成，集中器和上位機不參與底層數(shù)據(jù)采集，僅進行通信聯(lián)系，這樣消除了外界對水表計量的影響，智能水表引出的總線的通、斷不影響水表的數(shù)據(jù)采集和存儲，本次上位機讀取該表的數(shù)據(jù)時出現(xiàn)故障，只需重新掛好總線，不需要重新置數(shù)，該水表的度數(shù)可以讀出，安全性和可靠性大大提高[5]。由于數(shù)據(jù)傳輸不是本文的重點，所以此塊內(nèi)容不再深入討論！2.4protel電氣原理圖設(shè)計軟件ProtelAdvancedSchematic，即高級電氣原理圖用于進行電子產(chǎn)品的電學(xué)設(shè)計。完成整個電子產(chǎn)品設(shè)計過程中電工、電子學(xué)階段設(shè)計，包括功能設(shè)計、邏輯設(shè)計、電路設(shè)計。電氣連接網(wǎng)絡(luò)表是把設(shè)計結(jié)果向其他EDA工具傳輸?shù)淖钪饕獢?shù)據(jù)形式。ADVSCH包含兩個獨立的編輯器，即電氣原理圖編輯器和電氣圖形符號庫編輯器?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第19頁。1、電氣原理圖編輯器(SchematicSheetEditor)電氣原理圖編輯器是AdvSch軟件包中主要處理器，用于制作、編輯、檢查和打印符合電氣設(shè)計方案的信息，包括圖紙、圖表及設(shè)計數(shù)據(jù)文件?；贏T89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第19頁。編輯器中含有：生成電氣連接關(guān)系網(wǎng)絡(luò)表、進行電氣設(shè)計規(guī)則檢查、制作出設(shè)計報告和打印高質(zhì)量圖紙等一系列設(shè)計活動所需的軟件工具。2、電氣圖形符號庫編輯器(SchematicLibraryEditor)電氣圖形符號庫編輯器簡稱庫編輯器是ADVSCH軟件包中另外一個文件處理器，用于制作、編輯和管理元器件的圖形符號庫。庫編輯器的基本操作和功能大致和原理圖編輯相同，只是附加了專用于制作元件和進行庫管理所需的工具。3、設(shè)計特點：（1）強大和完備的設(shè)計、表達能力（2）良好的開放性（3）強大的設(shè)計自動化功能（4）豐富而又靈活的編輯功能（5）在線式編輯及完善的庫管理（6）原理圖和PCB圖之間動態(tài)連接（7）滿足國際化設(shè)計要求（8）完備的輸出系統(tǒng)2.4.1protel電路板設(shè)計軟件ProtelAdvancedPCB，簡稱ADVPCB，用于進行電子產(chǎn)品的電路板設(shè)計，完成整個電子產(chǎn)品設(shè)計過程中物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計。包括印制電路板的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、元件的布局設(shè)計和電路的布線設(shè)計。設(shè)計的結(jié)果可以用光繪數(shù)據(jù)文件的形式輸出。ProtelADVPCB為用戶提供了一個完整的電路板設(shè)計環(huán)境，方便高效。既可以用它進行單純的手工設(shè)計，又可以和任何電氣原理設(shè)計軟件包一起構(gòu)成全自動的、集成化的、從構(gòu)思到產(chǎn)品的設(shè)計系統(tǒng)。設(shè)計特點：1、與電氣原理設(shè)計系統(tǒng)的動態(tài)連接2、良好的開放性3、強大的設(shè)計自動化功能4、強大而又靈活的編輯功能5、面向生產(chǎn)工藝的設(shè)計功能6、完備的輸出系統(tǒng)2.4.2原理圖的繪制由于智能水表系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到的元器件較多，如果把所有的元器件都畫在一張圖紙上，必將使整個原理圖顯得雜亂不堪。因此，必須對原理圖進行分類。智能水表的原理圖大概可以分為五大部分：(1)主CPU部分；(2)存儲器部分；(3)接甲電路部分；(4)鍵盤部分；(5)電源部分；原理圖繪制時應(yīng)注意以下幾點：基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第20頁。對于管腳很多的芯片，并不一定要畫出所有的引腳，對于不用的引腳可以隱含。這樣可以節(jié)省空間，使原理圖更加清晰明了(未用引腳可以在圖紙空白處標注) 。基于AT89C51單片機的智能水表設(shè)計全文共78頁，當前為第20頁。原理圖中管腳并不一定要按照元器件封裝順序那樣排列，應(yīng)該根據(jù)需要盡量使原理圖中的連線避免交叉，按照引腳性質(zhì)分類排列，使原理圖模塊化。對于復(fù)用v0，對引腳的標注應(yīng)該是其真正應(yīng)用的功能。原理圖應(yīng)按功能分為若干部分：如CPU、存儲器、接口電路等。原理圖中的元器件標號應(yīng)唯一，不能有重復(fù)。標號有一定的規(guī)范如電阻用R(reSiStor)，電容器用C(capacitor)，三極管用T，二極管用D(diode)芯片用IC(IntegrateCircuit)，連接器件用P(pLug)，電位器用W，晶振用J等等每個芯片的電源端應(yīng)加去偶電容。2.4.3PCB圖的繪制在原理圖的基礎(chǔ)上開始畫PCB圖。PCB圖的繪制是一件比較繁