关键词：预付费 控制 水表 阶梯水价 IC卡 射频卡 RF卡 TM卡 代码交换 攻击 无需工作电源 安全 价格 一户一表 抄表 收费
一、引言 随着社会不断发展，人们对水的需求越来越大，但环境污染日益加重，地下水过度开采，水资源日渐短缺，我国半数以上的城市处于严重缺水状态，水的商品价值充分显现出来。节约用水、以价格手段调节自来水的供应已经提到议事日程上来。 在经济不发达的过去，水资源短缺的矛盾没有显现，所以水价极低，多户居民使用一个水表计量，有的地方根本就没有安装过水表，所以水资源浪费严重，逐渐形成习惯。 今天，缺水已经困扰人们的生产和生活，制约了经济发展。提高水价、节约用水是摆在各级政府面前的重要课题，各级政府务必要解决这一关系到人类生存的大问题。国家经济实力的增强，为全国城镇的自来水管网改造和“一户一表”改造奠定了坚实的物质基础。 国家和地方政府除投入巨额资金进行“南水北调”、治理江河水源污染、在全国城镇进行自来水管网改造解决“跑冒滴漏”提高供水质量外，还进行“一户一表”改造，将过去多户共用水表的状态改造为一户一个计量水表。 在水价较低、水表总量相对较少的时期，虽然存在多户共用一个水表分摊交费经常出现纠纷外，自来水公司在抄表收费方面，还是不存在太大问题的。但是，随着居民总量的提高、用水量的提高、水价的提高，抄表收费问题和矛盾日渐突出。 为解决抄表难、收费难问题，从1994年开始，一些自来水公司开始引入“预付费水表”，并逐渐在“一户一表”改造中被采用。由于“预付费水表”使用标志性的新技术---“IC卡”作为预付费数据的交换载体，从而诞生了“IC卡水表”的这一新概念，并且沿用至今，为此，建设部还制订了《IC卡冷水水表》行业标准。 IC卡：是集成电路卡片的总称，分“接触式IC卡”和“非接触式IC卡”。接触式IC卡有“存储卡”、“加密卡”、“CPU卡”等；非接触式IC卡也叫“射频卡”或“RF卡”。IC卡水表，只是预付费水表的一种，因此，建设部或国家有关部门应该制订《预付费冷水水表》和《预付费热水水表》标准。 除采用IC卡作为交换载体实现水表的预付费控制外，还可以通过在水表上输入密码实现“无载体”的预付费控制，也可以通过线路遥控、红外遥控、无线遥控等多种方式实现预付费控制，因此，正确的定义应该是：预付费控制水表。 为配合居民一户一表改造，今后相当长一段时期内，单体式预付费水表将会成为发展主流。
二、预付费水表市场现状 经过十年的发展，预付费水表在全国已形成“星星之火可以燎原”之势，无论东部发达省份还是西部欠发达地区，到处都可以看到预付费水表的身影。随着“一户一表”改造和实行“阶梯水价”的需要，预付费水表更加显现出所存在的巨大商机。 用水管理自动化是大势所趋，可以实现居民用水由福利型向受益者个人承担的方向转变，铲除用水“大锅饭”影响社会安定的因素，用户用多少买多少；有利于供水企业资金良性循环，从根本上解决因资金回收困难影响城市供水事业发展的问题；有利于提高节约用水意识，缓解城市供水紧张状况，合理调配水量，确保人民群众生产生活需要；堵塞管理漏洞，杜绝不正之风，降低劳动强度，减少中间环节，提高企业经济效益。 随着微电子技术的快速发展，加上国家相关政策的推动，民用计量仪表的智能化将是一个必然的发展方向，这不仅是中国的一种趋势，也将成为世界性的趋势。 为了推动预付费水表发展，全国有许多研究机构都投入力量对预付费水表产品进行开发和研究，很多自来水公司也积极参与了此项开发工作并成功的开发出了自己的产品。从理论角度看，预付费水表已经进入了成熟期。 但是，为什么现在预付费水表推广工作还很困难呢？ 调查表明，有着巨大市场需求的预付费水表，却没有在我国成建制成规模推广，所看到的热火朝天推广预付费水表的现象，只不过都是在新建住宅小规模试点，并且试点结果都不尽人意，从实际情况看，现在的预付费水表确实还存在着许多影响其大规模推广使用的问题，这些问题主要表现在：1.存在安全隐患；2.价格太高；3.质量不可靠。 所产生的问题，已经严重影响了预付费水表事业的健康发展。
三、预付费水表的基本结构及几种典型应用 预付费水表的基本特征和预付费控制器的三个基本要素：
1、预付费水表的基本特征：计量基表（水表）+预付费控制器；
2、预付费控制器的三个基本要素：获取计量数据的传感器、切断控制、数据交换；
3、预付费控制器由中央控制器协调，实现计量核减、预付费数据交换、切断控制，数据显示和通讯接口是必要的，电源提供是必须的。
预付费水表是一种利用现代微电子技术对用水量进行计量及结算交易的新型水表。这与传统水表只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能相比，是一个很大的进步。预付费水表除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量自动进行控制。由于其数据传递和交易结算通过IC卡等媒介进行，因而可以实现由工作人员上门抄表收费到用户自己去营业所交费的转变，并且计算准确，具有可利用银行进行结算的特点。 预付费水表关键技术在于：获取计量基表计量信息的传感器技术和切断控制技术，而数据交换技术已经很成熟，并且数据交换只是预付费表的一个基本要素，因此从严格意义上讲，应该将此类仪表定义为“预付费水表”，而不应定义为“IC卡水表”，IC卡只是实现预付费功能的一个应用而已。 一个预付费水表的基本结构如下图所示：
目前为止，国内的预付费水表基本上是在普通传统计量仪表上附加预付费控制器实现的。
三、预付费水表的基本结构及几种典型应用 预付费水表的基本特征和预付费控制器的三个基本要素：
1、预付费水表的基本特征：计量基表（水表）+预付费控制器；
2、预付费控制器的三个基本要素：获取计量数据的传感器、切断控制、数据交换；
3、预付费控制器由中央控制器协调，实现计量核减、预付费数据交换、切断控制，数据显示和通讯接口是必要的，电源提供是必须的。
预付费水表是一种利用现代微电子技术对用水量进行计量及结算交易的新型水表。这与传统水表只具有流量采集和机械指针显示用水量的功能相比，是一个很大的进步。预付费水表除了可对用水量进行记录和电子显示外，还可以按照约定对用水量自动进行控制。由于其数据传递和交易结算通过IC卡等媒介进行，因而可以实现由工作人员上门抄表收费到用户自己去营业所交费的转变，并且计算准确，具有可利用银行进行结算的特点。 预付费水表关键技术在于：获取计量基表计量信息的传感器技术和切断控制技术，而数据交换技术已经很成熟，并且数据交换只是预付费表的一个基本要素，因此从严格意义上讲，应该将此类仪表定义为“预付费水表”，而不应定义为“IC卡水表”，IC卡只是实现预付费功能的一个应用而已。 一个预付费水表的基本结构如下图所示：
目前为止，国内的预付费水表基本上是在普通传统计量仪表上附加预付费控制器实现的。
预付费水表的发展及关键技术：
1、 冷水水表 常用的冷水水表有DN15和DN20两种规格，结构分干式和湿式，显示方式有计数器方式和指针方式两种，湿式冷水水表是预付费水表首选的计量基表。 由于干式水表采用磁铁传递数据，随着时间推移，磁铁强度逐渐减弱，或当铁锈等物质吸附在表内磁体上时，容易出现计量数据越来越慢，造成计量失准，所以不适合在我国安装使用。虽然在干式水表上采样容易，而被一些厂家所采用，但从发展的角度来看，很难被大规模普及应用，属于淘汰产品。 湿式水表计量准确，可以达到B级计量精度，是预付费水表首选表型，但信号采集的难度相对要大。
2、 信号采集传感器 是将水表计量信号采集、送给预付费控制器用于核减的装置。由于水表内压力较大，信号采集难度较大，一般采用干簧管方式，并为防止外部磁铁干扰，采用多组干簧管进行防护。 干簧管方式成本高、寿命短、可靠性差，但比较来说，干簧管采样方式是目前各厂家主要采用的方案，随着科学技术的发展，新的采样传感器会随着成本的降低被预付费水表所采用。
3、 数据交换 数据交换技术已经很成熟，无论采用IC卡、TM卡方式交换数据，还是键盘输入方式交换数据，都可以满足现有产品的需要。 在IC卡本身的安全方面，已经从过去采用存储器卡、加密卡，逐渐采用CPU卡，从而确保在数据交换媒介方面的安全。 但是，由于预付费水表采用电池供电，没有额外的能量维持保护电路工作，所以无法抵御来自IC卡卡口的干扰，容易造成系统瘫痪，失去控制。到目前为止，全世界范围内还没有一个厂家宣称自己的产品可以抵御来自卡口攻击并且达到实用化程度的预付费水表产品上市。 有鉴于此，在过去的几年里，采用全封闭键盘方式进行数据交换的预付费产品受到普遍欢迎。 随着科学技术的不断发展，电子器件成本的降低，在预付费领域，目前已经广泛使用RF卡作为数据交换载体，从而解决了一直困扰这一行业多年的安全问题。
4、 切断控制 控制是预付费的核心手段，如果没有控制，就无法实现预付费，因此，控制是否可靠，关系到预付费产品是否成熟。 预付费水表由于内部水压力较大，实现控制难度相对要大，而系统使用电池供电，所以推动阀门的能量很小，一般采用大减速比装置驱动阀门实现切断控制。
5、 系统供电 目前的预付费水表、预付费气表，基本都采用电池供电，并且绝大多数采用内置锂离子电池供电。 但由于锂电池性能还不被人们彻底掌握，以及价格较高等因素，一些厂家已经尝试使用普通电池给系统供电，由用户更换电池，从而降低产品成本和提高了可靠性。
6、几种数据交换载体的典型应用 IC卡预付费水表：以IC卡作为数据交换载体的预付费水表，所使用的IC卡一般指“接触式”IC卡，根据需要选用“存储器卡”、“逻辑加密卡”、“CPU智能卡”。无论采用什么形式的IC卡作为数据交换载体，都必须持卡到售水部门或银行交费充值，然后插入水表的IC卡卡口由水表读取数据。 TM卡预付费水表：TM是“单线可擦写存储器”的缩写，因此，与“卡”没有任何关系，其外形一般是个金属钮扣形状，“TM卡预付费水表”只是谬传而已。由于TM是单线可擦写存储器，只要两根引线就可以和仪表控制器通讯，因此数据接口简单，容易做成封闭状，从而可以避免类似IC卡方式由于卡口存在而容易受到潮湿水气等的侵害。 代码交换预付费水表：由于IC卡预付费水表和TM卡预付费水表的数据交换载体IC卡或TM卡都必须与控制器内部控制电路有电连接触点，一旦使用高压发生装置通过触点攻击内部控制器，就会造成系统瘫痪，失去控制作用。因此，将内部控制器与外部进行电气隔离，而通过封闭式键盘以输入密码的方式进行数据交换，实现预付费控制功能。由于所输入的密码和实际购买量有代表关系，因此被称为“代码交换”。 RF卡预付费水表：RF射频卡属于非接触式IC卡，由于通过无线电与仪表通讯，所以没有实际的电连接触点，从而解决通过卡口触点攻击控制器问题。
四、预付费水表供电问题 自从预付费水表开发成功投入试用以来，有多种供电方式：交流电供电、蓄电池供电、内置一次性锂电池供电、由用户自行更换普通电池供电等。 实践证明，外部供电方式是不可行的，所以目前各类预付费表基本都采用内置一次性锂电池供电，由用户自行更换普通电池供电技术尚不成熟。 不同价位的锂电池，性能差别很大，有些电池出厂前测试完全符合测试指标，当在库房存放几天，电能会大幅度衰减，如果选用这类电池，预付费水表在刚刚启用时，用户还无法发现问题，当产品安装使用一两年后，电池的问题逐渐显现，预付费仪表随之而来出现问题。 预付费水表控制电路设计功耗、阀门驱动功率、用户使用频次、安装环境都直接影响预付费水表电池的消耗。 当电池消耗到不能维持正常关闭阀门动作之前，应由能量监测电路通知控制器关闭阀门，提示更换电池。 即使控制系统可以在电能消耗到极限前可靠关闭阀门，随之而来的问题是：由于电池终止的不确定性，势必造成更换电池时间离散，而无法实现统一更换；再者，由谁来更换？怎样更换？是自来水公司还是生产厂来更换电池？如果是自来水公司来更换，就要承担相应锂电池费用，如果由厂家更换，也许厂家已经倒闭或消失。对于已经安装预付费水表并装修房间的用户，拆表更换电池也是非常困难的事情。 经过多年实践，人们已经认识到锂电池供电预付费水表存在的电池问题，所以很多厂家试图尝试使用普通电池供电，当电池接近终止时关闭阀门，由用户自行更换普通电池，这一点上，预付费燃气表做得比较成功。 但是，预付费水表的阀门控制与预付费燃气表阀门控制所需要的能量和时间不同，影响了使用普通电池供电方案。预付费水表内部水压很大，必须使用阻力较大密封性能较好的阀门，例如球阀等，否则就会漏水。如果阀门阻力大，所需要的开关阀门驱动功率也相应的增大，由于内部锂电池不可能提供更大的瞬间功率，所以只能用大比例减速器，以牺牲速度换取动量，才能可靠控制阀门开闭，但随之而来的问题是，由于关闭阀门时间过长，无法在用户拆除外部电池时通过内部大容量电容维持阀门关闭。
五、预付费水表安全问题 十年来，由于预付费水表安全问题一直没有得到很好的解决，所以有着巨大市场需求的预付费水表并没有像人们想象那样大规模普及。 这里所讲的“安全”概念，不是指仪表自身物理特性的不安全造成人身伤害，而是指预付费水表存在“技术隐患”可能造成“失去控制”达到“窃用”自来水的目的。 水表等计量仪表，属于贸易结算用设备，从某种意义上讲，预付费控制仪表就是安装在“失去监管”环境下的ATM机。 在公共场所安装的ATM机、IC卡公用电话、公共汽车IC卡刷卡机、地铁IC卡刷卡机等都是有监管措施的，不是网络控制监管，就是人为控制监管，所以这些收费设备即使有隐患，也很难被钻空子，但预付费仪表不同，如果存在技术隐患，在失去监管的环境，必然有人会利用所存在的技术漏洞，达到窃用或商业性非法服务。
以弱电提供能量的预付费水表，存在一个技术上的矛盾现象，如果将供电电压设置较高，可以抵御较大幅度的电磁干扰，但带来的问题是控制电路整体功耗的加大，造成电池很快就会终结；如果把控制系统功耗做得很小，虽然可以延长电池的使用寿命，但产品的抗干扰能力将大幅度下降。 任何电子设备都无法抵御高电压的干扰，所不同的是，每一种电子设备抗高压干扰的能力不同而已。根据这一基本特性，使用微弱电池供电的预付费水表，无论采用任何技术手段，都是可以被高压干扰的，只不过干扰电压的幅度不同而已。 试验测试表明，接触式IC卡预付费水表卡口、TM卡预付费水表触点、使用外部电池的预付费水表，通过向IC卡口、TM卡触点、开放式电池盒放电（10000V），在阀门开启状态下，内部控制电路一定会死机瘫痪，对整个仪表失去控制，而传感器所送来的计量数据不会再被核减、阀门也不可能再被关闭，以达到利用预付费水表所存在的技术隐患窃用自来水的目的。 对于代码交换预付费水表、RF射频卡预付费水表，虽然仪表处于全封闭状态，但提高放电电压（100000V），在仪表启动唤醒、阀门开启状态下，仍然会造成控制器死机、仪表瘫痪。 由于使用电池来维持仪表工作，为降低对电能消耗，绝大多数预付费水表控制器都采用休眠方式以降低对电能的消耗，也就是说平时控制器是休息的，所以不能采用硬件监控电路来防止控制器死机，这样就留下一个无法解决的技术隐患。 用户利用预付费水表所存在的技术隐患，在不破坏水表任何部位的情况下，达到窃用自来水的目的，这一问题是所有自来水公司在选择预付费水表时必须考虑的问题，否则在产品大规模安装后，在利益集团帮助下造成大面积预付费水表失去控制，就违背了安装预付费水表的初衷。 从社会学、心理学、行为学、现行法律角度来分析，如果预付费水表存在漏洞，在不“破坏”预付费水表的情况下，通过高压干扰手段来“攻击”预付费水表以达到窃水的目的将十分普遍。从这个意义来讲，普通水表比预付费水表安全得多，即使是这样，在普通水表上做手脚以达到窃水目的的案例不是也很多吗？何况预付费水表存在漏洞，在没有任何“证据”情况下攻击水表以达到窃水目的，是在水价逐渐提高、水费负担加重的今天必然要发生的事情。 在预付费水表尚不普及的今天，利益集团还不足以通过提供攻击手段获取利益，所以攻击装置只能由用户自己购买高压发生器（防身器）来实现，但当预付费水表大面积普及的时候，向广大预付费水表用户提供攻击设备的利益集团必然出现，他们将采用非常专业、成本低廉的攻击设备向用户兜售，以销售攻击设备获取利益。就如同伪造身份证和学历证明一样，你不需要自己伪造，有专业的利益集团帮你伪造，只要你肯付钱。
六、预付费水表后台支持系统安全问题 由于预付费水表存在安全隐患，近年来，人们一直致力于解决这一困扰预付费水表大规模普及的瓶颈问题，而忽略了与预付费水表配套使用的后台系统的安全问题。 现在有很多企业，在一个地方推广一批预付费水表，用一台电脑，装上用户管理及发卡软件就可以售水了。 表面看似简单，实际上已经埋下安全隐患。除非就这么多预付费水表安装，如果安装很多小区，必然会有人会获取和分析用户管理及发卡售水软件，无论如何加密，软件加密都是不堪一击的，一旦有人编制一套类似的软件，接管预付费水表用户，那么黑市伪卡交易就出现了。 北方某大城市采用IC卡电表，到电业局营业所买电是650元一千度电，而在电业局门口私人买一千度电只需要200元钱，如果你怕他卖的卡有问题，他可以上门服务，把电送进你的电表再收钱。 上述现象，造成该城市撤除了所有IC卡表，原因是后台系统存在漏洞，被人攻破，损失巨大。 如果一个城市计划全部推广预付费水表，那么后台系统的安全性和实用性就越发显得重要。 为确保后台系统运行安全，应采用解密难度极大的硬件加密方式，并对硬件加密装置严格控制，即使流失，破解加密装置所花费的时间和费用也是十分巨大的，从而遏制了破解后台系统的可能。
七、实行“阶梯水价”的必要条件 水资源的日渐枯竭，让我们的管理者不得不重视节约用水，但没有切实可行的措施，节约用水也只能是一句口号。 市场经济就要靠价格杠杆调节资源短缺。“阶梯水价”的出台，就是要依靠价格杠杆的调节作用达到计划用水和节约用水的目的，并且能很好地体现水的商品价值。从而实现不用不交费、少用少交费、多用多交费、超计划用水加倍交费的目的。 但阶梯水价是以时间为界线的，即在规定的时间内，供水量和价格是固定的，当超过用量价格也随之提高，所以，抄表的时间必须准确，如果规定的时间没有到位抄表，那么超额用水量就无法界定是在规定的期限内使用的还是规定的期限外使用的，必然会产生纠纷，造成社会的不安定。 但是，随着一户一表的普及，居民用户总量在逐年增加，要在规定的时间内完成抄表，几乎是不可能的事，因此，使用线路远传抄表和采用预付费水表是确保实行阶梯水价的必要条件。 但是，线路远传抄表的可能性只限于新建住宅，而老住宅重新架设线路用于抄表几乎不可能，而一个城市又不能采用多种实现阶梯水价的方案，所以，最后唯一的选择就是采用单体预付费水表方案。 为此，很多厂家已经将日历芯片电路置入了预付费水表控制器，试图通过内部的时钟控制装置记录用户的用水情况，从而可以确认用户是在哪个阶梯内用水，这种想法不失为一个实现阶梯水价比较理想的方案。 但是，事情并没有这样简单，为了节约电能消耗，预付费水表内部的控制器芯片平时是需要休眠的，而日历芯片是不可以休眠的，必须要保持运行，虽然消耗电能不多，但由于是在独立工作，没有时间参照标准，误差将越来越大，一个月误差两天以上是非常正常的，因此校准时间就是一个大问题，如果每月都由自来水公司派人到用户家去校准时间，那与到用户家抄表收费已无区别，所以，带时间装置的预付费表，不但提高产品的成本还增加了电能消耗及故障率，其它与普通预付费水表没有大的区别。 那么还有什么办法可以确保阶梯水价政策的实行？我们可以换位思考，将过去“以用户的实际用水量”作为衡量水价的标准，改为“以用户实际购水量”作为衡量水价的标准，虽然这种方案让用户“少量多次”可能感觉麻烦，但自来水改进后台系统的服务方式，完全可以解决这个问题。采用以实际购买量确认水价的方式可以杜绝用户囤积水量，避免水价调整给自来水公司造成损失。
八、预付费水表存在问题的解决 无论使用什么数据交换载体的预付费水表，均使用电池供电，并且电池要为系统长期提供电流，所以电池的性能就非常关键了，受到外界温度或湿度及电路功耗指标的影响，电池将影响整个产品的性能和寿命。 当电池要终结的时候，将出现很多不可想象、难以预料的状况，从而影响了人民群众的日常生活，造成供需矛盾，因为电池不可能在同一时段内终结，如果是在相对集中的一段时间内电池终结，可以统一更换，而往往是因电池的性能和用户使用频度及环境的差异，造成电池不可能在相对集中的一段时间内终结。 分散不确定地拆卸仪表更换电池，以及谁负责来更换电池，都是将来要发生的问题，如果今天不考虑，将后患无穷。 电池状态的监测需要整套的电子电路，需要消耗能量，其可靠性也将影响整机的可靠性。 由于系统控制电路处于供电状态，且开放IC卡数据交换接口，若受到外界的高压干扰，系统将瘫痪，失去对计量或阀门的控制，从而失去预付费的作用。 使用电路监视流量计获取计量数据，就需要性能良好的电传感器；要使系统有效切断管路，就需要一整套阀门控制系统。因此，价格较高的电池、电池监测电路、性能良好的传感器、动作可靠的阀门控制系统、复杂的电子显示器，都将大大提高产品的成本，使预付费表推广难度加大。
综合上述问题，要从根本上解决预付费表存在的性能/价格比矛盾的问题，就必须走创新之路，跳出预付费技术的传统方案，取消电池供电，从根本上解决安全问题、可靠性问题、价格问题。 经过多年的研制开发，继IC卡预付费水表、代码交换预付费水表、RF射频卡水表之后，成功推出无需工作电源预付费水表。 无需工作电源预付费水表，采用“预置字轮计数器和计数器归0关阀”技术，从而实现仪表不需要电池维持工作，并且可以安全地使用IC卡进行数据交换。 从图中可以看出，整个系统基本是由机械结构实现的，控制电路只有在充值的短时间内由充值器供电工作，将IC卡或键盘送来的预付费数据转换成“递减计数器”的显示，从而实现“递减计数器预置”。 系统工作时，水表的工作方式与普通基表相同，整表的计量精度也取决于基表的计量精度。基表的“累加计数器”通过齿轮与控制系统的“递减计数器”连接，累加计数器递增一个计量单位，递减计数器就递减一个单位。当递减计数器为全0时，归0探测轮进入递减计数器的全0探测口中，使关阀控制杆产生位移，关闭自保持开关，从而切断自来水管路，达到预付费控制的目的。 逆置递减计数器的过程，就是预付费充值的过程。用户将具有合法数据的IC卡插入充值盒，充值盒内有电池。将充值盒插到仪表的数据接口上，给系统内的控制电路供电，并读入IC卡或键盘送来的预付费数据，然后译码器还原数据并通过控制马达转将还原的数据转换成递减计数器字轮的显示，从而完成预付费数据输入。 机械系统在电机的控制下，可以实现递减计数器在充值的时候与马达连接，充值完毕自动与累加计数器连接。 充值完毕后，撤掉外部充值器，系统完全处于机械运行状态，计量和切断完全靠水流和水压实现，因此系统工作非常稳定可靠，从而实现无需工作电源维持系统的运行。 由于控制电路只实现递减计数器逆置的单一功能，而不参与计量和切断，所以外界通过数据接口攻击电路，也可使电路瘫痪，但无法达到攻击整个系统而实现盗用的目的，因此，产品可以选择接触式IC卡作为数据交换媒介。 综上所述，由于系统采用全新设计理念，突破传统的设计模式，省去了电池、电池检测电路、显示器，从而大大节约了材料成本，使产品极具推广价值。 无需工作电源预付费水表在解决由于使用电池而带来的问题外，还率先使用了塑料材料作为水表壳体，从而为直供水、纯净水、优质自来水供应奠定了物质基础。在安装方面，无需工作电源预付费水表通过更换接管可以方便地对DN15或DN20旧水表进行直接的改造。 九、预付费水表用户现代化后台支持系统解决方案 预付费水表的推广，将本应由自来水公司承担的抄表收费工作转嫁给了用户，并且实行先交费后用水的方式，从某种意义上讲，用户都会存在程度不同的抵触情绪，使推广应用产生一定的难度。为此，自来水公司应将“管理”转为“服务”，首先在观念上需要转变，然后是在技术和物质上做出保障，为得到用户的广泛支持、降低推广难度、提高供用水现代化水平奠定基础。 根据不同用户群，应选择不同形式的用户管理及数据发行系统，但无论什么形式，系统的安全性应放在第一位，使用硬件进行系统加密，消除将来大规模使用存在的安全隐患。 无需工作电源预付费水表，配套系统使用PCI硬件加密，所有关键数据均由硬件数据发生器产生，任何破解软件系统的行为都无法威胁到用户管理及数据发行系统的安全。 采用硬件数据发生器的无需工作电源预付费水表后台系统，采用国际标准加密算法，密钥交给自来水公司最高首长掌握，从而将系统的控制权交给了用户。 为方便居民用户“少量多次”实行阶梯水价的需要，无需工作电源预付费水表采用IC卡和键盘兼容的预付费数据输入方式，持IC卡到指定单位交费充值与其它方式的IC卡预付费水表基本相同，但具有独立知识产权的键盘输入方式，属于无载体数据交换方式，为使用文字、语音奠定了技术基础。 无需工作电源预付费水表用户可以使用手机短信、语音电话、互联网的等信息交换方式完成无载体数据交换，由于通讯设备已经全面普及，打个电话、发个短信就可以完成预付费操作，从而极大方便了广大预付费水表用户，使“少量多次”已不成问题，从而从根本上解决了“阶梯水价”实施难题，变“以用户的实际用水量”作为衡量水价的标准为“以用户实际购水量”作为衡量水价的标准，从而大大减少了自来水公司售水的核算手续，避免纠纷出现。 无载体预付费数据交换，可以采用类似手机充值卡方式，自来水公司采用自动值机系统，用户可以全天候通过电话、手机、网络实现预付费水表的充值，避免由于没有及时充值造成阀门切断给生活带来的不方便。 十、结束语 预付费控制水表是一项多学科综合控制系统，涉及计量、流体力学、密封学、结构、传动、电子、微控制器、网络系统、通讯、IC卡、阀门、材料等学科，所以解决相关技术问题是确保预付费领域发展壮大的前提，只有这样，才能使预付费成为我国王牌拳头产业。 随着科学技术的不断发展，预付费水表将会不断发展完善。廉价的无需工作电源预付费水表将在全国城镇自来水管网改造工程中大规模普及。无需工作电源预付费水表除可靠地解决抄表难、收费难问题，还在后台系统上实现了完善的阶梯水价控制功能。 对这种先进仪表的大规模推广应用将会有力地促进中国供用水管理的现代化进程。中国在这个方面的超前发展，会使这种计量模式得到优先完善，并有可能成为中国的一个有竞争力的产品出口到其它国家。
1、 冷水水表 常用的冷水水表有DN15和DN20两种规格，结构分干式和湿式，显示方式有计数器方式和指针方式两种，湿式冷水水表是预付费水表首选的计量基表。 由于干式水表采用磁铁传递数据，随着时间推移，磁铁强度逐渐减弱，或当铁锈等物质吸附在表内磁体上时，容易出现计量数据越来越慢，造成计量失准，所以不适合在我国安装使用。虽然在干式水表上采样容易，而被一些厂家所采用，但从发展的角度来看，很难被大规模普及应用，属于淘汰产品。 湿式水表计量准确，可以达到B级计量精度，是预付费水表首选表型，但信号采集的难度相对要大。
2、 信号采集传感器 是将水表计量信号采集、送给预付费控制器用于核减的装置。由于水表内压力较大，信号采集难度较大，一般采用干簧管方式，并为防止外部磁铁干扰，采用多组干簧管进行防护。 干簧管方式成本高、寿命短、可靠性差，但比较来说，干簧管采样方式是目前各厂家主要采用的方案，随着科学技术的发展，新的采样传感器会随着成本的降低被预付费水表所采用。
3、 数据交换 数据交换技术已经很成熟，无论采用IC卡、TM卡方式交换数据，还是键盘输入方式交换数据，都可以满足现有产品的需要。 在IC卡本身的安全方面，已经从过去采用存储器卡、加密卡，逐渐采用CPU卡，从而确保在数据交换媒介方面的安全。 但是，由于预付费水表采用电池供电，没有额外的能量维持保护电路工作，所以无法抵御来自IC卡卡口的干扰，容易造成系统瘫痪，失去控制。到目前为止，全世界范围内还没有一个厂家宣称自己的产品可以抵御来自卡口攻击并且达到实用化程度的预付费水表产品上市。 有鉴于此，在过去的几年里，采用全封闭键盘方式进行数据交换的预付费产品受到普遍欢迎。 随着科学技术的不断发展，电子器件成本的降低，在预付费领域，目前已经广泛使用RF卡作为数据交换载体，从而解决了一直困扰这一行业多年的安全问题。
4、 切断控制 控制是预付费的核心手段，如果没有控制，就无法实现预付费，因此，控制是否可靠，关系到预付费产品是否成熟。 预付费水表由于内部水压力较大，实现控制难度相对要大，而系统使用电池供电，所以推动阀门的能量很小，一般采用大减速比装置驱动阀门实现切断控制。
5、 系统供电 目前的预付费水表、预付费气表，基本都采用电池供电，并且绝大多数采用内置锂离子电池供电。 但由于锂电池性能还不被人们彻底掌握，以及价格较高等因素，一些厂家已经尝试使用普通电池给系统供电，由用户更换电池，从而降低产品成本和提高了可靠性。
6、几种数据交换载体的典型应用 IC卡预付费水表：以IC卡作为数据交换载体的预付费水表，所使用的IC卡一般指“接触式”IC卡，根据需要选用“存储器卡”、“逻辑加密卡”、“CPU智能卡”。无论采用什么形式的IC卡作为数据交换载体，都必须持卡到售水部门或银行交费充值，然后插入水表的IC卡卡口由水表读取数据。 TM卡预付费水表：TM是“单线可擦写存储器”的缩写，因此，与“卡”没有任何关系，其外形一般是个金属钮扣形状，“TM卡预付费水表”只是谬传而已。由于TM是单线可擦写存储器，只要两根引线就可以和仪表控制器通讯，因此数据接口简单，容易做成封闭状，从而可以避免类似IC卡方式由于卡口存在而容易受到潮湿水气等的侵害。 代码交换预付费水表：由于IC卡预付费水表和TM卡预付费水表的数据交换载体IC卡或TM卡都必须与控制器内部控制电路有电连接触点，一旦使用高压发生装置通过触点攻击内部控制器，就会造成系统瘫痪，失去控制作用。因此，将内部控制器与外部进行电气隔离，而通过封闭式键盘以输入密码的方式进行数据交换，实现预付费控制功能。由于所输入的密码和实际购买量有代表关系，因此被称为“代码交换”。 RF卡预付费水表：RF射频卡属于非接触式IC卡，由于通过无线电与仪表通讯，所以没有实际的电连接触点，从而解决通过卡口触点攻击控制器问题。
四、预付费水表供电问题 自从预付费水表开发成功投入试用以来，有多种供电方式：交流电供电、蓄电池供电、内置一次性锂电池供电、由用户自行更换普通电池供电等。 实践证明，外部供电方式是不可行的，所以目前各类预付费表基本都采用内置一次性锂电池供电，由用户自行更换普通电池供电技术尚不成熟。 不同价位的锂电池，性能差别很大，有些电池出厂前测试完全符合测试指标，当在库房存放几天，电能会大幅度衰减，如果选用这类电池，预付费水表在刚刚启用时，用户还无法发现问题，当产品安装使用一两年后，电池的问题逐渐显现，预付费仪表随之而来出现问题。 预付费水表控制电路设计功耗、阀门驱动功率、用户使用频次、安装环境都直接影响预付费水表电池的消耗。 当电池消耗到不能维持正常关闭阀门动作之前，应由能量监测电路通知控制器关闭阀门，提示更换电池。 即使控制系统可以在电能消耗到极限前可靠关闭阀门，随之而来的问题是：由于电池终止的不确定性，势必造成更换电池时间离散，而无法实现统一更换；再者，由谁来更换？怎样更换？是自来水公司还是生产厂来更换电池？如果是自来水公司来更换，就要承担相应锂电池费用，如果由厂家更换，也许厂家已经倒闭或消失。对于已经安装预付费水表并装修房间的用户，拆表更换电池也是非常困难的事情。 经过多年实践，人们已经认识到锂电池供电预付费水表存在的电池问题，所以很多厂家试图尝试使用普通电池供电，当电池接近终止时关闭阀门，由用户自行更换普通电池，这一点上，预付费燃气表做得比较成功。 但是，预付费水表的阀门控制与预付费燃气表阀门控制所需要的能量和时间不同，影响了使用普通电池供电方案。预付费水表内部水压很大，必须使用阻力较大密封性能较好的阀门，例如球阀等，否则就会漏水。如果阀门阻力大，所需要的开关阀门驱动功率也相应的增大，由于内部锂电池不可能提供更大的瞬间功率，所以只能用大比例减速器，以牺牲速度换取动量，才能可靠控制阀门开闭，但随之而来的问题是，由于关闭阀门时间过长，无法在用户拆除外部电池时通过内部大容量电容维持阀门关闭。
五、预付费水表安全问题 十年来，由于预付费水表安全问题一直没有得到很好的解决，所以有着巨大市场需求的预付费水表并没有像人们想象那样大规模普及。 这里所讲的“安全”概念，不是指仪表自身物理特性的不安全造成人身伤害，而是指预付费水表存在“技术隐患”可能造成“失去控制”达到“窃用”自来水的目的。 水表等计量仪表，属于贸易结算用设备，从某种意义上讲，预付费控制仪表就是安装在“失去监管”环境下的ATM机。 在公共场所安装的ATM机、IC卡公用电话、公共汽车IC卡刷卡机、地铁IC卡刷卡机等都是有监管措施的，不是网络控制监管，就是人为控制监管，所以这些收费设备即使有隐患，也很难被钻空子，但预付费仪表不同，如果存在技术隐患，在失去监管的环境，必然有人会利用所存在的技术漏洞，达到窃用或商业性非法服务。
以弱电提供能量的预付费水表，存在一个技术上的矛盾现象，如果将供电电压设置较高，可以抵御较大幅度的电磁干扰，但带来的问题是控制电路整体功耗的加大，造成电池很快就会终结；如果把控制系统功耗做得很小，虽然可以延长电池的使用寿命，但产品的抗干扰能力将大幅度下降。 任何电子设备都无法抵御高电压的干扰，所不同的是，每一种电子设备抗高压干扰的能力不同而已。根据这一基本特性，使用微弱电池供电的预付费水表，无论采用任何技术手段，都是可以被高压干扰的，只不过干扰电压的幅度不同而已。 试验测试表明，接触式IC卡预付费水表卡口、TM卡预付费水表触点、使用外部电池的预付费水表，通过向IC卡口、TM卡触点、开放式电池盒放电（10000V），在阀门开启状态下，内部控制电路一定会死机瘫痪，对整个仪表失去控制，而传感器所送来的计量数据不会再被核减、阀门也不可能再被关闭，以达到利用预付费水表所存在的技术隐患窃用自来水的目的。 对于代码交换预付费水表、RF射频卡预付费水表，虽然仪表处于全封闭状态，但提高放电电压（100000V），在仪表启动唤醒、阀门开启状态下，仍然会造成控制器死机、仪表瘫痪。 由于使用电池来维持仪表工作，为降低对电能消耗，绝大多数预付费水表控制器都采用休眠方式以降低对电能的消耗，也就是说平时控制器是休息的，所以不能采用硬件监控电路来防止控制器死机，这样就留下一个无法解决的技术隐患。 用户利用预付费水表所存在的技术隐患，在不破坏水表任何部位的情况下，达到窃用自来水的目的，这一问题是所有自来水公司在选择预付费水表时必须考虑的问题，否则在产品大规模安装后，在利益集团帮助下造成大面积预付费水表失去控制，就违背了安装预付费水表的初衷。 从社会学、心理学、行为学、现行法律角度来分析，如果预付费水表存在漏洞，在不“破坏”预付费水表的情况下，通过高压干扰手段来“攻击”预付费水表以达到窃水的目的将十分普遍。从这个意义来讲，普通水表比预付费水表安全得多，即使是这样，在普通水表上做手脚以达到窃水目的的案例不是也很多吗？何况预付费水表存在漏洞，在没有任何“证据”情况下攻击水表以达到窃水目的，是在水价逐渐提高、水费负担加重的今天必然要发生的事情。 在预付费水表尚不普及的今天，利益集团还不足以通过提供攻击手段获取利益，所以攻击装置只能由用户自己购买高压发生器（防身器）来实现，但当预付费水表大面积普及的时候，向广大预付费水表用户提供攻击设备的利益集团必然出现，他们将采用非常专业、成本低廉的攻击设备向用户兜售，以销售攻击设备获取利益。就如同伪造身份证和学历证明一样，你不需要自己伪造，有专业的利益集团帮你伪造，只要你肯付钱。
六、预付费水表后台支持系统安全问题 由于预付费水表存在安全隐患，近年来，人们一直致力于解决这一困扰预付费水表大规模普及的瓶颈问题，而忽略了与预付费水表配套使用的后台系统的安全问题。 现在有很多企业，在一个地方推广一批预付费水表，用一台电脑，装上用户管理及发卡软件就可以售水了。 表面看似简单，实际上已经埋下安全隐患。除非就这么多预付费水表安装，如果安装很多小区，必然会有人会获取和分析用户管理及发卡售水软件，无论如何加密，软件加密都是不堪一击的，一旦有人编制一套类似的软件，接管预付费水表用户，那么黑市伪卡交易就出现了。 北方某大城市采用IC卡电表，到电业局营业所买电是650元一千度电，而在电业局门口私人买一千度电只需要200元钱，如果你怕他卖的卡有问题，他可以上门服务，把电送进你的电表再收钱。 上述现象，造成该城市撤除了所有IC卡表，原因是后台系统存在漏洞，被人攻破，损失巨大。 如果一个城市计划全部推广预付费水表，那么后台系统的安全性和实用性就越发显得重要。 为确保后台系统运行安全，应采用解密难度极大的硬件加密方式，并对硬件加密装置严格控制，即使流失，破解加密装置所花费的时间和费用也是十分巨大的，从而遏制了破解后台系统的可能。
七、实行“阶梯水价”的必要条件 水资源的日渐枯竭，让我们的管理者不得不重视节约用水，但没有切实可行的措施，节约用水也只能是一句口号。 市场经济就要靠价格杠杆调节资源短缺。“阶梯水价”的出台，就是要依靠价格杠杆的调节作用达到计划用水和节约用水的目的，并且能很好地体现水的商品价值。从而实现不用不交费、少用少交费、多用多交费、超计划用水加倍交费的目的。 但阶梯水价是以时间为界线的，即在规定的时间内，供水量和价格是固定的，当超过用量价格也随之提高，所以，抄表的时间必须准确，如果规定的时间没有到位抄表，那么超额用水量就无法界定是在规定的期限内使用的还是规定的期限外使用的，必然会产生纠纷，造成社会的不安定。 但是，随着一户一表的普及，居民用户总量在逐年增加，要在规定的时间内完成抄表，几乎是不可能的事，因此，使用线路远传抄表和采用预付费水表是确保实行阶梯水价的必要条件。 但是，线路远传抄表的可能性只限于新建住宅，而老住宅重新架设线路用于抄表几乎不可能，而一个城市又不能采用多种实现阶梯水价的方案，所以，最后唯一的选择就是采用单体预付费水表方案。 为此，很多厂家已经将日历芯片电路置入了预付费水表控制器，试图通过内部的时钟控制装置记录用户的用水情况，从而可以确认用户是在哪个阶梯内用水，这种想法不失为一个实现阶梯水价比较理想的方案。 但是，事情并没有这样简单，为了节约电能消耗，预付费水表内部的控制器芯片平时是需要休眠的，而日历芯片是不可以休眠的，必须要保持运行，虽然消耗电能不多，但由于是在独立工作，没有时间参照标准，误差将越来越大，一个月误差两天以上是非常正常的，因此校准时间就是一个大问题，如果每月都由自来水公司派人到用户家去校准时间，那与到用户家抄表收费已无区别，所以，带时间装置的预付费表，不但提高产品的成本还增加了电能消耗及故障率，其它与普通预付费水表没有大的区别。 那么还有什么办法可以确保阶梯水价政策的实行？我们可以换位思考，将过去“以用户的实际用水量”作为衡量水价的标准，改为“以用户实际购水量”作为衡量水价的标准，虽然这种方案让用户“少量多次”可能感觉麻烦，但自来水改进后台系统的服务方式，完全可以解决这个问题。采用以实际购买量确认水价的方式可以杜绝用户囤积水量，避免水价调整给自来水公司造成损失。
八、预付费水表存在问题的解决 无论使用什么数据交换载体的预付费水表，均使用电池供电，并且电池要为系统长期提供电流，所以电池的性能就非常关键了，受到外界温度或湿度及电路功耗指标的影响，电池将影响整个产品的性能和寿命。 当电池要终结的时候，将出现很多不可想象、难以预料的状况，从而影响了人民群众的日常生活，造成供需矛盾，因为电池不可能在同一时段内终结，如果是在相对集中的一段时间内电池终结，可以统一更换，而往往是因电池的性能和用户使用频度及环境的差异，造成电池不可能在相对集中的一段时间内终结。 分散不确定地拆卸仪表更换电池，以及谁负责来更换电池，都是将来要发生的问题，如果今天不考虑，将后患无穷。 电池状态的监测需要整套的电子电路，需要消耗能量，其可靠性也将影响整机的可靠性。 由于系统控制电路处于供电状态，且开放IC卡数据交换接口，若受到外界的高压干扰，系统将瘫痪，失去对计量或阀门的控制，从而失去预付费的作用。 使用电路监视流量计获取计量数据，就需要性能良好的电传感器；要使系统有效切断管路，就需要一整套阀门控制系统。因此，价格较高的电池、电池监测电路、性能良好的传感器、动作可靠的阀门控制系统、复杂的电子显示器，都将大大提高产品的成本，使预付费表推广难度加大。
综合上述问题，要从根本上解决预付费表存在的性能/价格比矛盾的问题，就必须走创新之路，跳出预付费技术的传统方案，取消电池供电，从根本上解决安全问题、可靠性问题、价格问题。 经过多年的研制开发，继IC卡预付费水表、代码交换预付费水表、RF射频卡水表之后，成功推出无需工作电源预付费水表。 无需工作电源预付费水表，采用“预置字轮计数器和计数器归0关阀”技术，从而实现仪表不需要电池维持工作，并且可以安全地使用IC卡进行数据交换。 从图中可以看出，整个系统基本是由机械结构实现的，控制电路只有在充值的短时间内由充值器供电工作，将IC卡或键盘送来的预付费数据转换成“递减计数器”的显示，从而实现“递减计数器预置”。 系统工作时，水表的工作方式与普通基表相同，整表的计量精度也取决于基表的计量精度。基表的“累加计数器”通过齿轮与控制系统的“递减计数器”连接，累加计数器递增一个计量单位，递减计数器就递减一个单位。当递减计数器为全0时，归0探测轮进入递减计数器的全0探测口中，使关阀控制杆产生位移，关闭自保持开关，从而切断自来水管路，达到预付费控制的目的。 逆置递减计数器的过程，就是预付费充值的过程。用户将具有合法数据的IC卡插入充值盒，充值盒内有电池。将充值盒插到仪表的数据接口上，给系统内的控制电路供电，并读入IC卡或键盘送来的预付费数据，然后译码器还原数据并通过控制马达转将还原的数据转换成递减计数器字轮的显示，从而完成预付费数据输入。 机械系统在电机的控制下，可以实现递减计数器在充值的时候与马达连接，充值完毕自动与累加计数器连接。 充值完毕后，撤掉外部充值器，系统完全处于机械运行状态，计量和切断完全靠水流和水压实现，因此系统工作非常稳定可靠，从而实现无需工作电源维持系统的运行。 由于控制电路只实现递减计数器逆置的单一功能，而不参与计量和切断，所以外界通过数据接口攻击电路，也可使电路瘫痪，但无法达到攻击整个系统而实现盗用的目的，因此，产品可以选择接触式IC卡作为数据交换媒介。 综上所述，由于系统采用全新设计理念，突破传统的设计模式，省去了电池、电池检测电路、显示器，从而大大节约了材料成本，使产品极具推广价值。 无需工作电源预付费水表在解决由于使用电池而带来的问题外，还率先使用了塑料材料作为水表壳体，从而为直供水、纯净水、优质自来水供应奠定了物质基础。在安装方面，无需工作电源预付费水表通过更换接管可以方便地对DN15或DN20旧水表进行直接的改造。 九、预付费水表用户现代化后台支持系统解决方案 预付费水表的推广，将本应由自来水公司承担的抄表收费工作转嫁给了用户，并且实行先交费后用水的方式，从某种意义上讲，用户都会存在程度不同的抵触情绪，使推广应用产生一定的难度。为此，自来水公司应将“管理”转为“服务”，首先在观念上需要转变，然后是在技术和物质上做出保障，为得到用户的广泛支持、降低推广难度、提高供用水现代化水平奠定基础。 根据不同用户群，应选择不同形式的用户管理及数据发行系统，但无论什么形式，系统的安全性应放在第一位，使用硬件进行系统加密，消除将来大规模使用存在的安全隐患。 无需工作电源预付费水表，配套系统使用PCI硬件加密，所有关键数据均由硬件数据发生器产生，任何破解软件系统的行为都无法威胁到用户管理及数据发行系统的安全。 采用硬件数据发生器的无需工作电源预付费水表后台系统，采用国际标准加密算法，密钥交给自来水公司最高首长掌握，从而将系统的控制权交给了用户。 为方便居民用户“少量多次”实行阶梯水价的需要，无需工作电源预付费水表采用IC卡和键盘兼容的预付费数据输入方式，持IC卡到指定单位交费充值与其它方式的IC卡预付费水表基本相同，但具有独立知识产权的键盘输入方式，属于无载体数据交换方式，为使用文字、语音奠定了技术基础。 无需工作电源预付费水表用户可以使用手机短信、语音电话、互联网的等信息交换方式完成无载体数据交换，由于通讯设备已经全面普及，打个电话、发个短信就可以完成预付费操作，从而极大方便了广大预付费水表用户，使“少量多次”已不成问题，从而从根本上解决了“阶梯水价”实施难题，变“以用户的实际用水量”作为衡量水价的标准为“以用户实际购水量”作为衡量水价的标准，从而大大减少了自来水公司售水的核算手续，避免纠纷出现。 无载体预付费数据交换，可以采用类似手机充值卡方式，自来水公司采用自动值机系统，用户可以全天候通过电话、手机、网络实现预付费水表的充值，避免由于没有及时充值造成阀门切断给生活带来的不方便。 十、结束语 预付费控制水表是一项多学科综合控制系统，涉及计量、流体力学、密封学、结构、传动、电子、微控制器、网络系统、通讯、IC卡、阀门、材料等学科，所以解决相关技术问题是确保预付费领域发展壮大的前提，只有这样，才能使预付费成为我国王牌拳头产业。 随着科学技术的不断发展，预付费水表将会不断发展完善。廉价的无需工作电源预付费水表将在全国城镇自来水管网改造工程中大规模普及。无需工作电源预付费水表除可靠地解决抄表难、收费难问题，还在后台系统上实现了完善的阶梯水价控制功能。 对这种先进仪表的大规模推广应用将会有力地促进中国供用水管理的现代化进程。中国在这个方面的超前发展，会使这种计量模式得到优先完善，并有可能成为中国的一个有竞争力的产品出口到其它国家。
