基于AT89C51單片機的智能水表設計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注，應用很廣、發展很快。而51單片機是各單片機中最為典型和最有代表性的一種。隨著我國城鎮建設的快速發展，有關城市的水、電、氣、暖表的管理和抄表出現的問題也日益突出，根據自來水網的改造、智能小區的建設以及實施“一戶一表”工程的需要，本文設計了一種基于AT89C5單片機的智能網絡水表，智能網絡IC卡水表通過集中器和上位機管理系統連接，將水表的數據傳輸給遠方的上位機，同時上位機管理系統通過集中器對智能網絡水表進行監測和管理。本文采用AT89C51單片機作為主控芯片，開發一種基于IC卡技術的智能水表。該智能水表可實現總水量累計、月水量統計、水費計算與管理(報警金額、基礎水量、計劃水量),以及水閥控制等功能。同時具有預存水費、欠費提示、欠費停水等功能。關鍵詞：智能水表AT89C51IC卡技術基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共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選題意義和經濟效益 21.2.1遠程集中抄表系統及智能網絡水表的推廣應用前景 21.2.2社會效益 21.2.3設計的技術指標 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容 61.4.1智能卡表及系統數據存儲的安全性分析 71.4.2智能卡表及系統數據交換的安全性分析 91.5論文的主要內容 11第二章整體設計與PROTELL簡介 122.1遠程集中抄表系統的總體概述 122.2遠程集中抄表系統整體結構 122.2.1上位機管理系統 132.2.2集中器 132.2.3智能網絡水表 132.3設計方案論證 142.3.1傳輸抄表方式 142.4protel電氣原理圖設計軟件 152.4.1protel電路板設計軟件 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計 203.1系統硬件組主框圖 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系統其他硬件的選擇和電路設計 233.3.1A/D轉換電路 233.3.2D/A轉換電路 253.3.3數據采集傳感器的選型 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鍵盤設計 33基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共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計全文共78頁，當前為第3頁。3.3.10防拆電路 343.3.11復位電路 343.3.12時鐘電路 35第四章智能水表的軟件設計 374.1軟件設計思想和組成 374.2主程序設計 374.3中斷服務程序設計 384.4子程序設計 394.4.1LCD顯示模塊 394.4.2數據采集模塊 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總程序設計 44第五章可靠性和抗干擾性設計 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第六章結論 50參考文獻 52致謝 53附錄 54一、英文資料翻譯 54二、相關程序 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計全文共78頁，當前為第4頁。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第4頁。第一章緒論隨著我國城鎮建設的快速發展，有關城市的水、電、氣、暖表的管理和抄表出現的問題也日益突出，根據自來水網的改造、智能小區的建設以及實施“一戶一表”工程的需要，本文設計了一種基于AT89C51單片機的智能網絡水表，智能網絡IC卡水表通過集中器和上位機管理系統連接，將水表的數據傳輸給遠方的上位機，同時上位機管理系統通過集中器對智能網絡水表進行監測和管理。針對傳統舊式水表存在的各種缺陷，本文介紹了目前市場上出現的各種智能水表，在大量收集和查閱國內外有關資料的基礎上，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，實現了用戶用水量的采集、計量、處理、存儲等，克服了傳統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進行了全面的介紹，該系統有三層網絡結構：上位機管理系統、集中器和智能網絡水表。智能網絡水表通過RS-480總線和集中器連接，集中器通過調制解調器MODEM和電話網連接，將數據通過電話網傳輸給上位機管理系統，降低成本的同時提高了數據傳輸的可靠性。同時上位機管理系統還可以和銀行聯網,組成四級網絡，為集中抄表系統的擴展奠定了基礎。這樣的設計代替了人工入戶抄表的抄表方式,大大方便了居民生活。本文所設計完成的智能水表具有功能完善,計量準確的優點。1.1研究背景當今社會科學技術高度發展，現代的建筑不僅融合了傳統的建筑特點，而且包括了高科技產品和現代科學技術，隨著現代通信技術、控制技術、網絡技術的發展，現在的智能建筑和智能小區很多已經實現了樓宇自動化，例如：寬帶上網、防盜、防火聯網報警等，同時耗能計量表出戶集中抄表、自動收費、聯網管理己成為現代智能建筑和智能小區的必備條件。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，但是現在仍有大量的智能建筑和智能小區的水、電、暖、煤氣等耗能計量表采用傳統計量技術和抄表方式，因此新的計量技術和抄表方式成為研發的熱點。現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。隨著通信技術和網絡技術的發展，遠程自動抄表方式將逐步替代傳統的抄表方式，這樣可以將耗能計量表的管理統一到物業中心，大大節省人力、物力和財力，而且可以實時監控耗能表的使用情況，有利于管理部門的管理，同時將物業中心的計算機和銀行的管理系統聯網，由銀行從業主的存款中扣除費用，真正實現了聯網收費。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第5頁。傳統的計量技術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，出現了智能化計量儀表。智能化儀器儀表是計算機技術向儀器儀表移植的產物，含有微計算機或微處理器的儀器儀表，具有對數據的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能。隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術的高速發展，智能化計量儀表朝著微型化、數字化和網絡化方向發展，并逐步取代舊式的計量儀表。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第5頁。水表是記錄流經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，使之旋轉以連續確定水流量。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成為一種發展趨勢[1]。1.2選題意義和經濟效益1.2.1遠程集中抄表系統及智能網絡水表的推廣應用前景隨著我國城鎮建設步伐的加快，城市水、電、氣等建設規模日益龐大，管理工作越來越復雜，而且越來越繁重，在這種情況下傳統的管理模式已經暴露出各種弊端，與城鎮的現代化建設不相適應。對于水表計量計費而言，實現水表的遠程集中抄表有以下優點：(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、性能比較穩定，但是存在著偷水、漏水等現象。智能網絡水表的使用相對于傳統的水表有以下優點：(1)可以杜絕普通水表的偷水、漏水現象；(2)其智能化的設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)這種水表配備有數據通信的接口，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，上位機管理系統可以監控水表的狀態和運行。我國傳統的水表水量計量和抄表管理模式己經不適應社會和經濟的發展，在這種情況下，遠程集中抄表系統及智能網絡水表的推廣使用，符合國內外水表和抄表管理模式的發展狀況以及未來趨勢，具有很好的推廣前景。根據對各大城市自來水公司的實際調查，相對于傳統水表和抄表模式，遠程集中抄表系統和智能水表有很好的經濟效益：(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：如果使用智能網絡水表，自來水公司每月用于用水監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計全文共78頁，當前為第6頁。遠程集中抄表系統和智能網絡水表的推廣使用不僅具有很好的經濟效益，而且具有很好的社會效益：基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第6頁。(1)智能網絡水表系統為實現國家建設部在小康住宅標準中提出的推廣應用戶外計量(含水、電、暖、燃氣表)技術提供了有利的保障；(2)智能網絡水表系統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象；(3)遠程集中抄表系統有利于促進科技進步和新材料的研制。1.2.3設計的技術指標本次設計的智能網絡水表的主要技術指標有：(1)工作電壓：3.6士0.6V；(2)靜態電流：(30MA)；(3)閥門正常工作次數：>100次；1.2.4采用的控制芯片控制芯片是智能網絡水表系統和智能網絡水表的核心部分，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絡水表系統和智能網絡水表的各項功能。1.2.5采用的抄表方式現在遠程集中抄表系統有很多種抄表方式，結合實際情況，采用合適的抄表方式是保證數據可靠傳輸，進行實時監控的關鍵。本次設計采用的抄表方式適合大容量的水表數據采集，同時上位機管理系統可以通過集中器對水表進行實時監控。在國外集中抄表系統的技術發展起步較早，對集中抄表技術的研究起步也較早，且比較深入，從標準的制定到抄表專用芯片的生產都比較成熟，多種集中抄表技術得到了相對廣泛的、成功的應用，在發達國家基本上都實現了遠程集中抄表。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工作單元均裝配在智能水表內并密封，水表的數據采集、處理、存儲等基礎工作全由水表本身完成，上位機不參與底層數據采集，僅進行通信聯系，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、斷不影響單表數據采集和保存，也不影響其它水表數據的讀出，即使本次讀數時該表總線出現故障，只需重新掛接好總線，無需重新置數，水表的真實讀數仍可繼續讀出，其安全性、穩定性是比較可靠的。但是成本較高，推廣普及較慢。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第7頁。通過電力線載波技術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開發出了相對應用于電力線載波技術的器件和元件，電力線載波技術的關鍵是電力線載波專用芯片，國外很多公司生產出這種專用芯片，使遠程集中抄表和控制變得可靠。瑞典ABB公司開發的無線發射式水表，除安裝常規數據采集、處理、存儲模塊外，另設置無線發射裝置，通過遠程接收裝置接收信號，此種水表不需敷設線路和線路維護、安裝方便。但是種無線發射式水表占用頻率點需長期交付一定的租用金和管理費。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第7頁。國內發展現狀相對于國外遠程集中抄表和智能化水表的發展，我國在這方面的技術起步較晚，但是發展十分迅速。RS-85總線傳輸方式已經廣泛應用在集中抄表系統中，在我國些大中城市，無線傳輸抄表方式也廣泛使用，經過技術的改進，這種抄表方式已經取得了明顯的效果；電力線載波技術更是發展迅速，尤其在電能表自動抄表方面使用最多。對于傳統水表出現的缺陷，我國市場上出現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、數據采集精度、水表閥門的質量和缺乏國家行業的統一標準等問題使早期的IC卡智能水表發展和推廣比較緩慢。隨著計算機技術、信息技術、微電子技術、傳感器技術的進步和2001年國家建設部頒布了《IC卡冷水水表》的行業標準，這樣促使了IC卡智能水表迅速發展。現在的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、現行水價、剩余金額等數據；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，在潮濕環境下，IC卡會出現數據失誤，長期使用觸點生銹、腐蝕。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第8頁。(2)階梯式IC卡預付費水表(又名分量計費水表和復費率計費水表)：具有水量定額平價、超額高價的自動階梯式計費功能。這種水表可以根據階梯水價的劃分和水表應用軟件的修改，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流體的計量上。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第8頁。(3)非接觸式IC卡水表：采用射頻識別技術和IC卡技術，通過無線電磁波傳遞技術進行信息的讀寫。非接觸式IC卡水表的優點是：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據交換的，因此水表電子控制系統可以進行完全密封，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，需要設備首先產生電磁輻射，通過感應電為卡提供能源，持卡工作后，通過高頻電波與設備交換信息，因此數據交換不可靠，產品成本也較高。(3)遠傳水表是將用戶用水量數據遠傳給上位機管理系統，現在我國出現了幾種遠傳水表，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數據采集、處理、存儲模塊外，另設置無線發射裝置，通過遠程接收裝置接收信號，此種水表不需敷設線路和線路維護、安裝方便。這種無線遠傳水表利用無線通信設備將數據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，當時由于技術和管理的原因，這其中很多水表沒有正常運行，但現在經過技術改進和管理的到位，這些水表己經能夠正常運行。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的進步發展，出現了利用低壓電力線作為通信載體的智能遠傳水表出現了，但是作為低壓電力線載波技術關鍵的電力線載波專用芯片大都由國外的公司生產。但是我國電網干擾較大，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，國內電表行業進行了大規模IC卡電表改造工程。短短的3年內，全國完成了500萬只IC卡電表改造，加上新建樓房的安裝數量，IC卡電表總的需求量已經超過了1100萬只。從當前的種種跡象來看，水表大規模更新換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卡智能水表的技術已經成熟，具備了大面積推廣應用產品基礎。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，缺水給中國經濟發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的水價改革，這些價格改革有效地提高了公民的節水意識。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，用價格杠桿節約水資源。天津、哈爾濱、銀川等14個城市已經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。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共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。長期以來供水企業只抄總表，住在住宅單元內的居民從來就沒有與供水企業發生供用水的經濟關系。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。現狀是，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，這就需要采取技術手段來解決。實現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卡智能水表是實現階梯水價的最現實選擇。IC卡智能水表是一種利用現代微電子技術、現代傳感技術、I卡技術對用水量進行計量并進行用水數據傳遞及結算交易的新型水表。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據存儲的功能。由于其數據傳遞和交易結算通過IC卡進行，因而可以實現由工作人員上門抄表收費到用戶自己去營業所交費的轉變。IC卡交易系統還具有交易方便、計算準確、可利用銀行進行結算等特點。雖然各個廠家提出實現階梯水價的技術手段很多，但從實際應用情況來看，IC卡智能水表還是最現實的選擇。一方面有了電表行業IC卡智能電表成功應用的先例，證明在技術上是成熟的，另一方面，城市居民大部分已經接受了IC卡智能電表的用電習慣，面對IC卡智能水表時，更容易適應。第三，IC卡智能水表不僅能實現階梯水價，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實現手段仍然有爭議，但IC卡智能水表已經成為應用最廣的產品。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，大型企事業單位，如學校、部隊、工廠、醫院、礦山等，為了降低成本，節約用水，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卡智能水表經過8年的發展，技術上也已經成熟，具備了大面積推廣應用的條件。IC卡智能水表大規模更新換代的時代已經到來，紛紛搶占區域市場成為水表企業競爭的焦點，機會是平等的，只要努力，相信水表業將迎來盛夏[3]！1.4智能卡表的安全性內容基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共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，采用預付費的收費方式對公用事業儀表進行抄表收費管理的模式得到了迅速的發展，并且逐漸從物業小區管理方式發展到行業或城市管理方式。由于用戶的結算信息和公用儀表的計量信息都是通過用戶手中的IC卡進行傳輸的，用戶的分布又是一個十分復雜、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卡表以及預付費管理系統的推廣使用。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第10頁。在智能卡表和預付費管理系統之間，信息的傳遞是通過IC卡作為傳輸介質進行的，安全性的主要內容是如何保證IC卡中信息的安全性，與此相關，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據信息。對IC卡和智能卡表中的信息安全性保護主要體現在對數據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：通過非法設備以及相關技術手段讀取IC卡中存儲的數據信息以及在IC卡與智能卡表進行操作時截取數據交換信息。2、破譯IC卡中的信息：攻擊者在采用上述兩種方式截獲數據信息后，根據IC卡中數據信息的變化情況以及數據交換過程中數據流的變化，對數據進行分析，從而確認IC卡中所有數據的含義以及數據流的變化規則，完成對IC卡以及智能卡表中數據信息的破譯，進而達到非法改變數據信息的目的。3、復現IC卡中的數據信息：攻擊者在截獲數據信息后，并不對數據進行分析破譯，而是記錄在特定操作中數據流的變化情況，在需要時，將記錄的數據流直接復制發送到IC卡或智能卡表，從而達到非法改變數據信息的目的。這種情況經常發生在當IC卡與智能卡表之間進行數據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實時跟蹤，因此在現實中是無法阻止攻擊者進行這種嘗試的。第二、三種方式是數據分析處理，是攻擊的目的所在。如果對IC卡與智能卡表之間的數據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。為此在設計智能卡表及其相關管理系統時，必須對數據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設計是否成功，關鍵在于其對數據安全性的處理。1.4.1智能卡表及系統數據存儲的安全性分析由于在智能卡表及系統中，IC卡是數據存儲和傳遞的載體，因此IC卡的數據存儲安全性是需要著重予以考慮的。在智能卡表及系統中所使用的都是集成電路卡(IC卡)，(從數據容量和安全性的角度以及讀寫設備的成本考慮，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據的存儲。目前廣泛使用的IC卡使用的是電可擦除數據存儲芯片(EEPROM)，這種芯片讀寫速度快，掉電后數據可以長期保存，并且數據可以反復進行擦寫。IC卡根據對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，它們具有不同的數據保護安全級別。1、存儲卡：存儲卡是直接將EEPROM芯片封裝在卡片上，外部設備可以直接訪問到EEPROM中的任何一個單元。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共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，這樣外部讀寫設備就可以十分方便地對EEPROM進行數據讀寫操作，作為IC卡而言，無法對合法或非法的讀寫設備進行判斷和識別，非常容易進行攻擊。存儲卡只是用來對數據進行存儲，而無法對數據進行安全性保護，因此存儲卡不具備數據安全性保護措施，數據安全級別很低。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共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IC卡芯片中的數據開關處于斷開狀態。外部讀寫設備在訪問IC卡芯片中的EEPROM單元之前，必須首先發一組數據給硬件邏輯電路，硬件邏輯電路在判斷數據的合法性后(即密碼校驗)，才決定是否將IC卡內的開關閉合。只有密碼校驗正確后，硬件邏輯電路才能將開關閉合，這時外部讀寫設備才能對EEPROM中的數據進行讀寫操作，這樣邏輯加密卡就可以對外部合法和非法的讀寫設備進行識別判斷。通過這種方式，邏輯加密卡對內部EEPROM中的數據進行了安全性保護，因此邏輯加密卡具備數據安全性保護措施。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備在發送數據進行密碼校驗時，非法設備可以跟蹤到校驗密碼，這樣今后非法設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據攻擊；另一種方法是非法設備在跟蹤到合法設備已經通過邏輯加密卡的密碼校驗，IC卡內部開關閉合后，再通過數據線對邏輯加密卡中EEPROM的數據進行攻擊破壞。因此邏輯加密卡雖然具備一定的數據安全性保護，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，因此不能及時發現和處理變化的環境。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，外部讀寫設備只能通過CPU與IC卡內的EEPROM進行數據交換，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的數據接口在任何情況下都不會與IC卡的對外數據線相連接。外部讀寫設備在與智能卡進行數據交換時，首先必須發指令給CPU，由CPU根據其內部ROM中存儲的卡片操作系統(COS)對指令進行解釋，并進行分析判斷，在確認讀寫設備的合法性后，允許外部讀寫設備與智能卡建立連接。之后的數據操作仍然要由外部讀寫設備發出相應的指令，并且CPU對指令進行正確解釋后，允許外部讀寫設備和智能卡中的數據存儲區(RAM)進行數據交換，數據交換成功后，在CPU的控制下，利用智能卡中的內部數據總線，再將內部RAM中的數據與EEPROM中的數據進行交換。可以看到，在數據處理過程中，外部讀寫設備只是和CPU打交道，同時數據交換也只能和數據緩存區RAM進行，根本無法實現對智能卡中EEPROM數據的直接訪問。這樣就實現了對智能卡EEPROM中數據的安全保護，因此智能卡也具備數據安全性保護措施。與邏輯加密卡相比，由于智能卡內部具有CPU芯片，在具有數據判斷能力的同時，也具備了數據分析處理能力，因此智能卡可以隨時區別合法和非法讀寫設備，并且由于有了CPU芯片，具備數據運算能力，還可以對數據進行加密解密處理，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卡內數據的安全性是最基本的要求，如果非法設備可以容易地與IC卡進行數據信息交換，進而進行分析處理，智能卡表及系統就不再具備任何安全性。因此提高IC卡的安全性是設計好的智能卡表及系統的關鍵。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第12頁。根據上面的分析，如果智能卡表及系統對數據的安全性非常重視，應該選用安全級別高的IC卡，從發展趨勢看，應盡量選用智能卡作為智能卡表信息傳遞的介質。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第12頁。在設計實際的智能卡表系統時，安全性的指標也是相對而言的。如果設計的是單機版的物業小區管理系統，對安全性的要求不高，為簡化設計和降低成本，可以選用邏輯加密卡或存儲卡；但如果是行業管理部門或在大中城市推廣智能卡管理系統，數據的安全性將是一個非常重要的指標，這時應該首先選擇智能卡做為管理系統的數據信息載體。1.4.2智能卡表及系統數據交換的安全性分析根據上面的分析，在智能卡表及系統中選擇使用智能卡可以有效保證數據存儲的安全性，但即使這樣也只是阻止了非法讀寫設備直接對IC卡中數據的操作，并不能保證在IC卡與智能卡表或合法讀寫器之間進行數據交換時不被非法設備跟蹤破譯，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據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備(包括智能卡表)與IC卡進行數據交換之前，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系的通道進行必要的數據交換。如果雙方不能確認身份的合法性，則不能建立進行數據交換的通道。安全認證有兩種方式可以實現，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)讀寫設備發送密碼到IC卡(2)IC卡進行密碼比較(3)IC卡將比較結果返回讀寫設備IC卡在進行密碼比較時，如果讀寫設備發來的密碼與IC卡中存儲的密碼相同，IC卡向讀寫設備返回密碼認證通過的結果，并打開IC卡數據與外部進行交換的權限。如果密碼不同，則返回錯誤結果，IC卡數據與外部進行交換的權限被關閉。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卡進行數據交換，而這個過程是無法阻止的。(1)讀寫設備向IC卡發取隨機數指令(2)IC卡向讀寫設備返回隨機數(3)讀寫設備用存儲的密鑰對隨機數進行加密運算，生成加密結果即密碼(4)讀寫設備發送密碼到IC卡(5)IC卡用存儲的密鑰和隨機數進行加密運算，并將生成的密碼和收到的密碼進行比較(6)IC卡將比較結果返回讀寫設備與密碼認證過程相比，密鑰認證增加了兩個內容，一是引入了密鑰的概念，增加了加密運算過程；二是增加了產生隨機數的過程，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。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第13頁。密鑰是事先設置到讀寫設備和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，但經過加密運算產生的密碼也是隨機的，無規律可循的，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卡進行數據交換。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共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節，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果，即數據加密運算；(2)已知加密結果和密鑰可以推出加密因子，即數據解密運算；(3)已知加密因子和加密結果不可以推出密鑰；(4)加密算法應該是公開的算法。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中采用的算法一定應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：一是算法未經過權威部門認證，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，因為廠家的技術人員往往只是表具設計專家，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，系統的安全性就永遠和廠家的人員有關，而真正關心系統運行安全的行業管理部門卻不能掌握核心安全，同時也無法實現在系統中使用多家的智能卡表，從而對產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品性能并不高的廠家，因為即使發現智能卡表產品有性能缺陷，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，但計算過程也更復雜，一般都應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，目前金融應用，公用事業應用基本上都采用對稱算法。在智能卡表應用中，如果是非金融的單機系統，采用DES算法比較適宜；如果考慮今后和金融系統聯網收費，則應滿足銀行規范使用DES算法。2、數據的線路保護：線路保護是指讀寫設備和IC卡通過安全認證后進行數據交換傳輸時，要保證數據在線路上被非法設備截獲后不能進行破譯、竄改和重放復現。數據的線路保護分為兩個層面：一是數據的機密性保護；一是數據的完整性保護。數據的機密性保護是指對要傳輸的數據用密鑰進行加密處理后再進行傳輸。這樣在線路中傳輸的數據為密文數據，非法設備截獲后無法進行數據破譯和分析，接收方收到密文數據后再用解密密鑰進行解密重新得到明文數據。數據的完整性保護是指在要傳輸的數據后面附加校驗碼字節，發送方將發送數據與線路保護密鑰以及隨機數進行運算，生成校驗碼后進行數據傳輸，接收方接收到數據后用相同的密鑰對接收到的數據重新計算校驗碼并與接收到的校驗碼進行比較，相同則接收數據有效，否則數據無效。由于密鑰不在線路上傳輸，這樣非法設備截獲數據后如果對數據進行竄改，必然會導致校驗碼不正確，接收方就能夠拒絕接受錯誤數據。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第14頁。由于校驗碼在運算過程中也有隨機數參與運算，因此即使采用相同的密鑰，將相同的數據進行多次傳輸，每次形成的校驗碼也是各不相同的，這樣非法設備即使截獲了某一次的合理數據，也不能在進行二次傳輸，這就有效避免了非法設備對數據進行重放復現。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共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據在傳輸過程中的安全性，也就最終實現了在公開的傳輸介質或信道上，采用公開的加密算法進行數據傳輸，數據能夠是有效的，正確的，安全的。與此相對應，數據傳輸的安全性不是依靠傳輸信道的封閉性，加密算法的不公開性來保證的。綜合上面所討論的內容，在智能卡表及系統中要具備高的數據安全性，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，二是利用密鑰和相應的加密算法進行數據的安全認證和有效傳輸。1.5論文的主要內容本次論文各章的主要內容如下：第一章闡述了研究背景和選題的意義以及經濟效益和社會效益，介紹了遠程集中抄表系統和智能網絡水表的技術指標，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及智能網絡水表的整體設計，首先闡述了遠程集中抄表系統及智能網絡水表的總體結構，然后分別介紹了上位機管理系統、集中器和智能網絡水表的主要功能，進行了設計方案的論證，最后比較詳細地介紹了設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計，即智能水表各組成部分的設計，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計，包括軟件設計的思想和任務，采用模塊化程序設計思想進行了各個模塊的程序設計。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計。第六章對全文和本次設計做了總結。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第15頁。

第二章整體設計與PROTELL簡介基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第15頁。2.1遠程集中抄表系統的總體概述遠程集中抄表系統是一種不需要人員到達現場，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據傳送到遠程主控站的計算機網絡中，并由軟件對數據進行統計、分析和計算的系統。遠程集中抄表系統結合了計算機技術和通信技術，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更加完善。遠程集中抄表系統的主要優點包括以下幾個方面：(1)遠程通信傳輸網絡組網方便：可以根據實際情況，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，提高經濟效益：(3)提高系統的數據準確性，克服人工抄表中的不確定因素，提高供水管理系統的管理水平和經濟效益；(4)通過上位機管理系統，進行實時監控，查處異常耗能計量表；(5)上位機數據數據庫管理方便，報表自動生成，用戶繳費情況詳細，用戶查詢方便[4]。2.2遠程集中抄表系統整體結構本文所設計的遠程集中抄表系統主要由上位機管理系統、集中器和智能網絡水表等三級網絡構成。它的網絡拓撲結構如圖2-1所示：基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第16頁。圖2-1遠程抄表網絡拓撲結構圖基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第16頁。2.2.1上位機管理系統上位機管理系統實際上就是一套以數據庫為基礎的軟件管理系統，由一臺計算機、上位機管理軟件和一個調制解調器(MODEM)構成，利用撥號通信完成集中抄表。上位機管理軟件包括數據庫管理模塊、水費水量模塊、小區管理模塊、用戶管理模塊、遠程通信模塊、實時監控模塊等,系統參數設置模塊等,管理人員可以通過操作實現以下的一些功能：(1)錄入用戶資料，統計用戶用水量和交費情況；(2)定時或隨時抄收集中器的數據，對數據進行加工處理；(3)查詢智能網絡水表的運行情況，觀察用戶水表的運行狀態。此外，上位機管理系統還可以和銀行聯網，構成四級網絡，同時將表計數據傳輸給銀行，由銀行從用戶在該行的存款賬戶上扣費。上位機管理系統和集中器是一對多的關系，管理的集中器數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據中轉和總線隔離的作用，它負責上位機和網絡水表的聯系。它的主要任務有兩項：一是完成和水表的通信，根據系統的要求接收某個水表的數據；二是根據系統要求完成和上位機的通信，將水表的數據信息傳輸給上位機管理系統。2.2.3智能網絡水表智能網絡水表是遠程集中抄表系統的終端，本文設計的智能網絡水表是一種集計量、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，通過網絡通信技術與集中器、管理計算機聯網構成多功能低功耗用水量遠程抄表系統，實現了用水信息的采集、傳送及遠程水表的控制，使智能水表的功能更加完善。本次設計的智能網絡水表具有普通智能水表的全部功能：(1)數據采集：通過傳感器將水流量轉化為脈沖信號，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，智能網絡水表最大的特點在于：(1)監控功能：智能網絡水表可以監控水表的運行狀況，如果出現異常，關閉水表的閥門，設置狀態位，方便上位機管理系統的查詢，從而有效防止偷水現象；(2)施工方便：網絡水表只需安裝一條總的傳輸線路就可以實現水表與集中器的數據通信，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：利用管理軟件監控、鉛封及防反裝、防拆裝置，有效防止用戶盜水。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第17頁。2.3設計方案論證遠程集中抄表系統中關鍵要解決的問題是數據通信的問題，因而遠程集中抄表系統也隨著各種通信方式的發展而不斷發展起來。根據通信方式的不同，目前國內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網絡的現場總線傳輸方式、電力載波方式傳輸方式、數據網絡傳輸方式和利用MODEM、電話網的傳輸方式等。(1)RS-85總線方式：是較早應用的技術，技術非常成熟，現在在很多遠程集中抄表系統中大量采用。通常由一個采集終端通過RS-85總線采集一定數量基表的數據，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，將采集到的數據送到集中器進行存儲和處理。抄收區域較大時，可以采用多個集中器級聯，一般由最高一級的集中器通過調制解調器接入電話網，再和上位機連接.(2)現場總線方式：現場總線是在微機測量控制設備之間實現雙向串行多字節數字通信的系統，也被稱為開放式、數字化多點通信的底層控制網絡。它在制造業、流程工業、交通、樓宇等方面的自動化系統中具有廣泛的應用前景門.在智能住宅方面，LonWorks現場總線是現場總線技術中最被看好的技術之一。基于助LonWorks網絡的集中抄表系統，兼有局域網和測控網兩者的特性，可以方便的實現管理網和各種測控網的連接，通過由LonWorks網絡采集模塊對耗能計量表的數據進行采集，并把多個如此模塊連成LonWorks網絡構成一個比較大的集中器，同時對上千個耗能計量表進行數據采集，這些數據可以通過電話網或專線傳輸到遠方的上位機管理系統。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共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、氣表的數據通過采集終端設備將數據調制后，通過電力線傳送，在接收端解調還原成數據信號，在同一臺配電變壓供電范圍內用戶統一編址，并由采集器巡回讀寫。電力線載波方式在國外已經運用的很成熟，主要是由于國外的電網十分干凈，千擾較少，而且有專門電力載波芯片。在我國電網干擾比較大，從國外引進的電力載波芯片不合適我國的電網，現在雖然有些地區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計全文共78頁，當前為第18頁。(4)數據網絡抄表方式：這是國外一種新興的抄表方式，系統的每個終端表計都設置一個IP地址，上位機的控制命令和數據傳輸通過Internet網絡進行。(5)利用MODEM、電話網的遠程抄表方式：系統采用MODEM將集中器的數據通過電話網傳輸到上位機，上位機通過撥號方式對各個集中器進行數據接收或向集中器發送控制指令，上位機管理系統對接收到的數據進行存儲、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)無線發射抄表方式：(2)GSM遠程集中抄表方式：將GSM(GlobalsystemforMobilecommunication)網絡的短消息技術應用于集中抄表系統中。GSM遠程集中抄表系統主要由用戶端、主控站、GSM通信系統三大部分組成。系統的工作原理是主控站利用無線調制解調器，通過GSM無線網絡，分別向各個耗能計量表抄表模塊發送“抄表短消息”，耗能表抄表模塊收到“抄表短消息”后，向集中器發送“抄表指令”，集中器抄讀各采集器采集的各耗能表數據，然后將數據組織成“耗能表讀數短消息”，再通過耗能表抄表模塊把信息回傳給主控站。就目前來講，智能網絡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線連接到集中器，集中器定時抄取基表的數據，并且同時處理、存儲這些數據。分線制集中抄表模式導致了風險集中，如果集中器掉電或出現其他嚴重故障則會使該集中器上的所有耗能計量表數據丟失，集中抄表的風險無法有效分散，與測控系統強調的集中管理、分散控制的分布式設計思想相違背，而且施工布線比較復雜，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、計數單元集成在智能水表內，使得用水量數據的采集、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據采集，僅進行通信聯系，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、斷不影響水表的數據采集和存儲，本次上位機讀取該表的數據時出現故障，只需重新掛好總線，不需要重新置數，該水表的度數可以讀出，安全性和可靠性大大提高[5]。由于數據傳輸不是本文的重點，所以此塊內容不再深入討論！2.4protel電氣原理圖設計軟件ProtelAdvancedSchematic，即高級電氣原理圖用于進行電子產品的電學設計。完成整個電子產品設計過程中電工、電子學階段設計，包括功能設計、邏輯設計、電路設計。電氣連接網絡表是把設計結果向其他EDA工具傳輸的最主要數據形式。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。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共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計方案的信息，包括圖紙、圖表及設計數據文件。基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共78頁，當前為第19頁。編輯器中含有：生成電氣連接關系網絡表、進行電氣設計規則檢查、制作出設計報告和打印高質量圖紙等一系列設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、設計特點：（1）強大和完備的設計、表達能力（2）良好的開放性（3）強大的設計自動化功能（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圖之間動態連接（7）滿足國際化設計要求（8）完備的輸出系統2.4.1protel電路板設計軟件ProtelAdvancedPCB，簡稱ADVPCB，用于進行電子產品的電路板設計，完成整個電子產品設計過程中物理結構的設計。包括印制電路板的機械結構設計、元件的布局設計和電路的布線設計。設計的結果可以用光繪數據文件的形式輸出。ProtelADVPCB為用戶提供了一個完整的電路板設計環境，方便高效。既可以用它進行單純的手工設計，又可以和任何電氣原理設計軟件包一起構成全自動的、集成化的、從構思到產品的設計系統。設計特點：1、與電氣原理設計系統的動態連接2、良好的開放性3、強大的設計自動化功能4、強大而又靈活的編輯功能5、面向生產工藝的設計功能6、完備的輸出系統2.4.2原理圖的繪制由于智能水表系統是一個比較復雜的系統，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；原理圖繪制時應注意以下幾點：基于AT89C51單片機的智能水表設計全文共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，應該根據需要盡量使原理圖中的連線避免交叉，按照引腳性質分類排列，使原理圖模塊化。對于復用v0，對引腳的標注應該是其真正應用的功能。原理圖應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唯一，不能有重復。標號有一定的規范如電阻用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加去偶電容。2.4.3PCB圖的繪制在原理圖的基礎上開始畫PCB圖。PCB圖的繪制是一件比較繁