1. 系統(tǒng)概述

　　1.1. 系統(tǒng)背景

　　隨著城市化進(jìn)程的加快，市政公用設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速。電力、通信等部門的線纜大都采取地埋方式，通過井蓋進(jìn)行日常維護(hù)，這給不法分子提供可乘之機(jī)，撬開井蓋盜竊電纜。由于城區(qū)面積擴(kuò)大，井蓋分布范圍廣、數(shù)量大，導(dǎo)致監(jiān)管難度大，通過井蓋盜竊線纜的犯罪行為越來越猖獗。這些盜損行為，影響了設(shè)施功能的正常發(fā)揮，并造成巨大的直接和間接損失。井蓋線纜防盜已經(jīng)成為困擾市政建設(shè)的巨大難題。

　　目前的井蓋管理多為人工巡查，維護(hù)、防盜、排查補(bǔ)救工作效率不高，如何確保井蓋設(shè)施能夠及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，對(duì)于出現(xiàn)的各種隱患及早發(fā)現(xiàn)和排查，是城市街道管理工作的一個(gè)重要課題。

　　智慧街道井蓋管理系統(tǒng)依托先進(jìn)的RFID設(shè)備、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立遍布街道井蓋管理的智能網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)井蓋非正常狀態(tài)下開啟報(bào)警，最大限度的保障相關(guān)公共設(shè)施安全。

圖1 街道旁丟失井蓋的地井

　　1.2. 現(xiàn)狀與分析

　　隨著城市各項(xiàng)功能日益完善，井蓋也像巨大機(jī)器上的螺絲釘一樣鑲嵌在城市的各條街道。這些井蓋分屬市政、通訊、燃?xì)?、熱力、電力、交管等多個(gè)行業(yè)部門，權(quán)屬復(fù)雜，管理難度大。其中電力、通訊線纜井蓋占相當(dāng)大的部分。

　　井蓋的被盜、缺失損壞，主要造成兩方面的影響：1）給行人和車輛帶來安全隱患，變成馬路殺手；2）通過井蓋入口盜竊地下電線纜，影響供電和通訊。
偷盜井蓋和盜竊地下線纜已成為當(dāng)前影響我國市政建設(shè)、電力、通訊安全的一個(gè)突出問題。目前所能有的解決辦法一是人防，二是物防，三是技防。

　　人防

　　人防的困難主要是監(jiān)管區(qū)域太廣，不能24小時(shí)全時(shí)段防范到位，效率低，成本大。

　　物防

　　物防具有局限性，成本過高，防范有限。

　　技防

　　技術(shù)防范的問題是成本過高，其防盜成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出井蓋本身的實(shí)際成本和損失被盜的成本，要實(shí)現(xiàn)對(duì)大區(qū)域井蓋監(jiān)控和線纜防范就更加困難。

　　目前可以說在中國安防業(yè)沒有任何一個(gè)企業(yè)單位和科研院所能真正從技術(shù)上解決井蓋防盜和大面積監(jiān)管問題。即使目前很多地方提出的數(shù)字城管中對(duì)井蓋的管理也只能做到井蓋的分區(qū)數(shù)字戶籍和視頻監(jiān)控，無法真正大區(qū)域?qū)λ袇^(qū)域內(nèi)的井蓋24小時(shí)監(jiān)控。

　　RFID技術(shù)和WSN技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用，給城市井蓋管理帶來了很多可管理性。智慧街道井蓋管理方案，利用RFID技術(shù)和WSN技術(shù)的特性，來實(shí)現(xiàn)對(duì)井蓋的追溯監(jiān)管，維護(hù)道路和地井安全，一旦井蓋丟失，立即發(fā)送報(bào)警信息到后臺(tái)數(shù)據(jù)處理中心，后臺(tái)通過短信方式將報(bào)警信息發(fā)送給維護(hù)人員，維護(hù)人員只需掃描電子標(biāo)簽，可立即識(shí)別出產(chǎn)權(quán)單位，在最短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)裝井蓋。

2. 系統(tǒng)介紹

　　2.1. 系統(tǒng)原理

　　在井蓋上安裝集成傾斜傳感器的從傳感節(jié)點(diǎn)，井蓋挪動(dòng)后傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)出報(bào)警信息，報(bào)警信息通過傳感節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)中心形成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給后臺(tái)數(shù)據(jù)管理中心，后臺(tái)數(shù)據(jù)管理中心收到報(bào)警信息后以短信的方式發(fā)送到相關(guān)管理人員的手機(jī)，相關(guān)管理人員核實(shí)信息并進(jìn)行現(xiàn)場處理，問題解決后通過WSN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息返回后臺(tái)數(shù)據(jù)管理中心，后臺(tái)管理中心解決報(bào)警信息，如果問題沒有解決相關(guān)管理人員會(huì)聯(lián)系井蓋的產(chǎn)權(quán)單位，在最短時(shí)間內(nèi)補(bǔ)裝井蓋。地井邊緣安裝抗金屬標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)可存儲(chǔ)井蓋和地井的詳細(xì)信息，現(xiàn)場工作人員可以通過手持機(jī)掃描標(biāo)簽知道地井和井蓋的產(chǎn)權(quán)單位和詳細(xì)信息，便于井蓋的及時(shí)更換；通過手持機(jī)對(duì)井蓋進(jìn)行非接觸盤點(diǎn)；通過手持機(jī)向后臺(tái)數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送解除告警信息。

圖2 智慧街道井蓋管理工作原理圖

　　2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　智慧街道井蓋管理系統(tǒng)主要包括觸發(fā)報(bào)警單元、信息無線傳輸單元、后臺(tái)數(shù)據(jù)處理單元、射頻識(shí)別單元，該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

　　a.井蓋防盜報(bào)警

　　b.報(bào)警信息無線傳輸

　　c.報(bào)警信息的處理

　　d.井蓋及時(shí)補(bǔ)裝

　　e.報(bào)警信息的解除

　　2.3. 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

　　智慧街道井蓋管理系統(tǒng)包括報(bào)警數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)傳輸部分、監(jiān)控管理部分三部分組成。

圖3 硬件系統(tǒng)構(gòu)成圖

　　2.3.1. 報(bào)警信息采集

　　信息采集分為地井信息采集和井蓋信息采集，其簡介如下：

　　地井信息采集

　　地井的標(biāo)識(shí)可采用UHF抗金屬標(biāo)簽，將RFID標(biāo)簽固定在地井里，該標(biāo)簽內(nèi)已寫入井的產(chǎn)權(quán)單位、聯(lián)系人、電話以及尺寸等信息，并與數(shù)據(jù)庫建立聯(lián)系。

　　井蓋信息采集

　　井蓋的標(biāo)識(shí)采用傳感節(jié)點(diǎn)，傳感節(jié)點(diǎn)主要由以下作用：1）作為井蓋的標(biāo)識(shí)，其內(nèi)部記錄了井蓋的產(chǎn)權(quán)單位、聯(lián)系人、電話以及尺寸等信息；2）作為傳感采集節(jié)點(diǎn)，其內(nèi)部集成了傾斜移動(dòng)傳感器，當(dāng)井蓋一旦搬動(dòng)或移動(dòng)時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息；3）作為WSN無線傳感中的節(jié)點(diǎn)，用于數(shù)據(jù)的無線傳輸。
傳感節(jié)點(diǎn)內(nèi)部有唯一的ID號(hào)，其按不同區(qū)域、道路和所屬單位進(jìn)行編號(hào)，一旦井蓋被搬動(dòng)時(shí)產(chǎn)生一定傾角，從而觸發(fā)傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)警信息，后臺(tái)根據(jù)報(bào)警信息及時(shí)安排人員處理，避免井蓋被盜。

圖4 井蓋報(bào)警示意圖

　　2.3.2. 數(shù)據(jù)傳輸

　　數(shù)據(jù)傳輸主要包含三部分，其分別為傳感節(jié)點(diǎn)、中繼傳輸節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)中心。所有井蓋的傳感節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)中心形成WSN無線傳感網(wǎng)，當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)距離數(shù)據(jù)中心過遠(yuǎn)時(shí)，可在兩者之間布置中繼節(jié)點(diǎn)，用于延長無線傳感網(wǎng)的傳輸距離。當(dāng)井蓋挪動(dòng)時(shí)傳感節(jié)點(diǎn)即時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，通過WSN無線傳感網(wǎng)經(jīng)報(bào)警信息發(fā)送至后臺(tái)數(shù)據(jù)處理中心。

　　2.3.3. 監(jiān)控管理部分

　　監(jiān)控管理部分實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)各監(jiān)控點(diǎn)處理計(jì)算機(jī)的通行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行邏輯判斷和處理，完成各種信息的存儲(chǔ)、備份以便稽核人員核查。自動(dòng)生成各類數(shù)據(jù)、報(bào)警信息的統(tǒng)計(jì)報(bào)表供查詢和打印, 并實(shí)時(shí)監(jiān)控井蓋的狀態(tài)，將數(shù)據(jù)存機(jī)備查；報(bào)警信息處理后以短信的方式發(fā)送給管理人員。監(jiān)控管理配置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、管理計(jì)算機(jī)、不間斷電源、系統(tǒng)軟件 。

　　2.4. 系統(tǒng)功能介紹

圖5 智慧街道井蓋管理系統(tǒng)

　　2.4.1. 防盜報(bào)警功能

　　實(shí)時(shí)監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)控管道井蓋的開啟情況，采集井蓋開啟和關(guān)閉信號(hào)后，通過管道內(nèi)的終端采集節(jié)點(diǎn)上傳報(bào)警信息至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)編碼及開閉信號(hào)確定井蓋的開啟或關(guān)閉狀態(tài)；

　　遠(yuǎn)程查詢：系統(tǒng)定期對(duì)下位機(jī)及設(shè)備進(jìn)行巡檢，自動(dòng)診斷井蓋狀態(tài)； 

　　遠(yuǎn)程管理：遠(yuǎn)程主控布防、撤防，集中管理，安全保密；

　　通訊方式：采用WSN網(wǎng)絡(luò)；

　　操作簡單：維護(hù)人員可以在最短的時(shí)間內(nèi)熟練應(yīng)用系統(tǒng)軟件；

　　管理方便：井蓋故障的顯示和存檔，在電子地圖上對(duì)轄區(qū)內(nèi)管道井的各種故障，進(jìn)行顯示，并自動(dòng)存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中；

　　超大范圍報(bào)警：可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大區(qū)域范圍內(nèi)甚至整個(gè)城區(qū)每個(gè)井蓋的聯(lián)網(wǎng)管理；

　　高效出警、精確打擊：井蓋防盜監(jiān)控指揮平臺(tái)能確保快速出警，實(shí)現(xiàn)精確打擊的目標(biāo)，以預(yù)防為主，將財(cái)產(chǎn)損失減少到最小限度；

　　性能穩(wěn)定：系統(tǒng)高穩(wěn)定性，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)；硬件內(nèi)置看門狗控制器，提高系統(tǒng)的可靠性；

　　防水防腐：具有防水、防銹、防腐蝕、防泥沙設(shè)計(jì)。

　　2.4.2 . WSN無線傳輸功能

　　WSN由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知井蓋的信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)管理中心。

　　2.4.3. 后臺(tái)決策功能

　　由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理中心、報(bào)警通告中心、應(yīng)用軟件組成。 總控、分控中心建立在市級(jí)和區(qū)縣級(jí)城市管理部門或相關(guān)行業(yè)單位保衛(wèi)部門，通過計(jì)算機(jī)接收井蓋監(jiān)控采集終端的報(bào)警信息并與電子地圖結(jié)合，對(duì)各轄區(qū)內(nèi)所屬的井蓋防盜進(jìn)行統(tǒng)一指揮調(diào)度出警和對(duì)工程維護(hù)實(shí)行授權(quán)管理。

　　2.4.4. 報(bào)警轉(zhuǎn)發(fā)功能　

　　后臺(tái)數(shù)據(jù)管理中心處理來自無線傳感網(wǎng)送來的報(bào)警信息后，后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果以短信的方式發(fā)送給相關(guān)管理人員，相關(guān)管理人員及時(shí)處理或聯(lián)系井蓋的產(chǎn)權(quán)單位對(duì)井蓋進(jìn)行更換。

　　2.4.5. RFID信息識(shí)別功能

　　RFID信息識(shí)別功能采用無線電載波通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，可以實(shí)現(xiàn)非接觸讀取標(biāo)簽信息。井蓋管理使用RFID標(biāo)簽，井蓋的主要信息可以記錄在標(biāo)簽內(nèi)。因?yàn)槊總€(gè)RFID標(biāo)簽都具有一個(gè)全球唯一的ID 號(hào)碼，因此RFID標(biāo)簽是無法被復(fù)制和調(diào)換的。進(jìn)行盤點(diǎn)時(shí)，無需打開設(shè)備外殼就可以使用手持式設(shè)備讀取安裝在設(shè)備內(nèi)部的RFID標(biāo)簽 的數(shù)據(jù)，同時(shí)掌握井蓋的主要信息。RFID標(biāo)簽安裝在設(shè)備內(nèi)部，安全性、保密性更強(qiáng)。因RFID標(biāo)簽無法被仿制，所以可以及時(shí)核對(duì)井蓋信息，快速掌握井蓋流失狀態(tài)。

　　2.4.6 報(bào)警解除功能

　　相關(guān)管理人員對(duì)井蓋進(jìn)行維護(hù)時(shí)可以通過手持機(jī)識(shí)別地井標(biāo)簽信息，并修改井蓋的標(biāo)簽信息，修改后通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將信息上傳至后臺(tái)數(shù)據(jù)管理中心，后臺(tái)數(shù)據(jù)管理中心直接解除報(bào)警提示。

圖6 后臺(tái)數(shù)據(jù)管理中心通過手持機(jī)發(fā)送信息確定報(bào)警解除

　　2.5. 系統(tǒng)工作流程

　　智慧街道井蓋管理系統(tǒng)工作流程如下：

　　設(shè)備安裝

　　首先安裝相關(guān)設(shè)備，其包括傳感節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)中心、抗金屬標(biāo)簽等。

　　1） 傳感節(jié)點(diǎn)采用采用螺釘固定在井蓋底部的中央位置；

　　2） 中繼節(jié)點(diǎn)采用抱桿式安裝，一般安裝在路燈桿上或沿途物體上；

　　3） 數(shù)據(jù)中心采用抱桿式安裝，安裝在路燈桿或大樓的頂部，或者后臺(tái)管理中心中；

　　4） 抗金屬標(biāo)簽采用粘貼式安裝，緊貼在地井邊緣，距離井蓋底部10-20cm。

　　井蓋報(bào)警

　　井蓋被挪動(dòng)，傾斜傳感器被觸發(fā)并發(fā)送報(bào)警信號(hào)，報(bào)警信號(hào)通過WSN網(wǎng)絡(luò)上傳報(bào)警信息給后臺(tái)數(shù)據(jù)處理中心。

　　后臺(tái)處理

　　后臺(tái)數(shù)據(jù)處理中心接收?qǐng)?bào)警信息，分析信號(hào)的編碼和位置，并將具體信息通過發(fā)送至報(bào)警中心和相關(guān)人員的手機(jī)上。

　　現(xiàn)場勘查

　　現(xiàn)場工作人員通過手持機(jī)掃描地井標(biāo)簽查詢地井和井蓋的詳細(xì)信息，維護(hù)后將修改信息寫入標(biāo)簽，并通過WSN網(wǎng)絡(luò)將情況反饋給后臺(tái)數(shù)據(jù)處理中心。

　　解除報(bào)警

　　后臺(tái)數(shù)據(jù)管理中心接收數(shù)據(jù)并處理后發(fā)出解除報(bào)警信息。

圖7 系統(tǒng)工作流程圖

3. 系統(tǒng)特點(diǎn)

　　基于WSN和RFID的智慧街道井蓋管理系統(tǒng)，相對(duì)傳統(tǒng)井蓋管理系統(tǒng)來說，具有以下獨(dú)有的優(yōu)勢；

　　1）低功耗、低成本；

　　2）粗網(wǎng)格定位、無線監(jiān)控；

　　3）高效警用管理平臺(tái)；

　　4）微傾角傳感器、性能可靠；

　　5）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可塑性強(qiáng)、可推廣到其他基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)管中；

　　6）基于RFID非接觸快速獲取信息；

　　7）基于RFID標(biāo)簽無法被仿制，安全性和保密性強(qiáng)。

4. 其他應(yīng)用領(lǐng)域

　　智能路燈管理

　　街道資產(chǎn)管理

　　交通設(shè)施管理

　　通信設(shè)施管理

　　電力設(shè)施管理

5. 硬件設(shè)備選型