基于RFID和WSN的智慧街道井盖管理方案

1. 系统概述

　　1.1. 系统背景

　　随着城市化进程的加快，市政公用设施建设发展迅速。电力、通信等部门的线缆大都采取地埋方式，通过井盖进行日常维护，这给不法分子提供可乘之机，撬开井盖盗窃电缆。由于城区面积扩大，井盖分布范围广、数量大，导致监管难度大，通过井盖盗窃线缆的犯罪行为越来越猖獗。这些盗损行为，影响了设施功能的正常发挥，并造成巨大的直接和间接损失。井盖线缆防盗已经成为困扰市政建设的巨大难题。

　　目前的井盖管理多为人工巡查，维护、防盗、排查补救工作效率不高，如何确保井盖设施能够及时进行维护，对于出现的各种隐患及早发现和排查，是城市街道管理工作的一个重要课题。

　　智慧街道井盖管理系统依托先进的RFID设备、无线传感网络、通信网络和计算机技术，建立遍布街道井盖管理的智能网络，实现井盖非正常状态下开启报警，最大限度的保障相关公共设施安全。

图1 街道旁丢失井盖的地井

　　1.2. 现状与分析

　　随着城市各项功能日益完善，井盖也像巨大机器上的螺丝钉一样镶嵌在城市的各条街道。这些井盖分属市政、通讯、燃气、热力、电力、交管等多个行业部门，权属复杂，管理难度大。其中电力、通讯线缆井盖占相当大的部分。

　　井盖的被盗、缺失损坏，主要造成两方面的影响：1）给行人和车辆带来安全隐患，变成马路杀手；2）通过井盖入口盗窃地下电线缆，影响供电和通讯。
偷盗井盖和盗窃地下线缆已成为当前影响我国市政建设、电力、通讯安全的一个突出问题。目前所能有的解决办法一是人防，二是物防，三是技防。

　　人防

　　人防的困难主要是监管区域太广，不能24小时全时段防范到位，效率低，成本大。

　　物防

　　物防具有局限性，成本过高，防范有限。

　　技防

　　技术防范的问题是成本过高，其防盗成本远远超出井盖本身的实际成本和损失被盗的成本，要实现对大区域井盖监控和线缆防范就更加困难。

　　目前可以说在中国安防业没有任何一个企业单位和科研院所能真正从技术上解决井盖防盗和大面积监管问题。即使目前很多地方提出的数字城管中对井盖的管理也只能做到井盖的分区数字户籍和视频监控，无法真正大区域对所有区域内的井盖24小时监控。

　　RFID技术和WSN技术的出现及应用，给城市井盖管理带来了很多可管理性。智慧街道井盖管理方案，利用RFID技术和WSN技术的特性，来实现对井盖的追溯监管，维护道路和地井安全，一旦井盖丢失，立即发送报警信息到后台数据处理中心，后台通过短信方式将报警信息发送给维护人员，维护人员只需扫描电子标签，可立即识别出产权单位，在最短时间内补装井盖。

2. 系统介绍

　　2.1. 系统原理

　　在井盖上安装集成倾斜传感器的从传感节点，井盖挪动后传感节点发出报警信息，报警信息通过传感节点、中继节点和数据中心形成的无线传感网络发送给后台数据管理中心，后台数据管理中心收到报警信息后以短信的方式发送到相关管理人员的手机，相关管理人员核实信息并进行现场处理，问题解决后通过WSN网络发送信息返回后台数据管理中心，后台管理中心解决报警信息，如果问题没有解决相关管理人员会联系井盖的产权单位，在最短时间内补装井盖。地井边缘安装抗金属标签，标签内可存储井盖和地井的详细信息，现场工作人员可以通过手持机扫描标签知道地井和井盖的产权单位和详细信息，便于井盖的及时更换；通过手持机对井盖进行非接触盘点；通过手持机向后台数据处理中心发送解除告警信息。

图2 智慧街道井盖管理工作原理图

　　2.2 系统结构

　　智慧街道井盖管理系统主要包括触发报警单元、信息无线传输单元、后台数据处理单元、射频识别单元，该系统主要实现的功能如下：

　　a.井盖防盗报警

　　b.报警信息无线传输

　　c.报警信息的处理

　　d.井盖及时补装

　　e.报警信息的解除

　　2.3. 硬件系统构成

　　智慧街道井盖管理系统包括报警数据采集部分、数据传输部分、监控管理部分三部分组成。

图3 硬件系统构成图

　　2.3.1. 报警信息采集

　　信息采集分为地井信息采集和井盖信息采集，其简介如下：

　　地井信息采集

　　地井的标识可采用UHF抗金属标签，将RFID标签固定在地井里，该标签内已写入井的产权单位、联系人、电话以及尺寸等信息，并与数据库建立联系。

　　井盖信息采集

　　井盖的标识采用传感节点，传感节点主要由以下作用：1）作为井盖的标识，其内部记录了井盖的产权单位、联系人、电话以及尺寸等信息；2）作为传感采集节点，其内部集成了倾斜移动传感器，当井盖一旦搬动或移动时，传感节点将自动发送报警信息；3）作为WSN无线传感中的节点，用于数据的无线传输。
传感节点内部有唯一的ID号，其按不同区域、道路和所属单位进行编号，一旦井盖被搬动时产生一定倾角，从而触发传感节点发送报警信息，后台根据报警信息及时安排人员处理，避免井盖被盗。

图4 井盖报警示意图

　　2.3.2. 数据传输

　　数据传输主要包含三部分，其分别为传感节点、中继传输节点和数据中心。所有井盖的传感节点和数据中心形成WSN无线传感网，当传感节点距离数据中心过远时，可在两者之间布置中继节点，用于延长无线传感网的传输距离。当井盖挪动时传感节点即时发出报警信息，通过WSN无线传感网经报警信息发送至后台数据处理中心。

　　2.3.3. 监控管理部分

　　监控管理部分实时采集、存储各监控点处理计算机的通行数据，并进行逻辑判断和处理，完成各种信息的存储、备份以便稽核人员核查。自动生成各类数据、报警信息的统计报表供查询和打印, 并实时监控井盖的状态，将数据存机备查；报警信息处理后以短信的方式发送给管理人员。监控管理配置网络服务器、管理计算机、不间断电源、系统软件 。

　　2.4. 系统功能介绍

图5 智慧街道井盖管理系统

　　2.4.1. 防盗报警功能

　　实时监控：实时监控管道井盖的开启情况，采集井盖开启和关闭信号后，通过管道内的终端采集节点上传报警信息至监控中心，监控中心根据编码及开闭信号确定井盖的开启或关闭状态；

　　远程查询：系统定期对下位机及设备进行巡检，自动诊断井盖状态； 

　　远程管理：远程主控布防、撤防，集中管理，安全保密；

　　通讯方式：采用WSN网络；

　　操作简单：维护人员可以在最短的时间内熟练应用系统软件；

　　管理方便：井盖故障的显示和存档，在电子地图上对辖区内管道井的各种故障，进行显示，并自动存储系统数据库中；

　　超大范围报警：可以实现对大区域范围内甚至整个城区每个井盖的联网管理；

　　高效出警、精确打击：井盖防盗监控指挥平台能确保快速出警，实现精确打击的目标，以预防为主，将财产损失减少到最小限度；

　　性能稳定：系统高稳定性，保证设备正常运转；硬件内置看门狗控制器，提高系统的可靠性；

　　防水防腐：具有防水、防锈、防腐蚀、防泥沙设计。

　　2.4.2 . WSN无线传输功能

　　WSN由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知井盖的信息，并将数据发送给数据管理中心。

　　2.4.3. 后台决策功能

　　由计算机数据处理中心、报警通告中心、应用软件组成。 总控、分控中心建立在市级和区县级城市管理部门或相关行业单位保卫部门，通过计算机接收井盖监控采集终端的报警信息并与电子地图结合，对各辖区内所属的井盖防盗进行统一指挥调度出警和对工程维护实行授权管理。

　　2.4.4. 报警转发功能　

　　后台数据管理中心处理来自无线传感网送来的报警信息后，后台对数据进行处理，处理结果以短信的方式发送给相关管理人员，相关管理人员及时处理或联系井盖的产权单位对井盖进行更换。

　　2.4.5. RFID信息识别功能

　　RFID信息识别功能采用无线电载波通讯技术实现数据交换，可以实现非接触读取标签信息。井盖管理使用RFID标签，井盖的主要信息可以记录在标签内。因为每个RFID标签都具有一个全球唯一的ID 号码，因此RFID标签是无法被复制和调换的。进行盘点时，无需打开设备外壳就可以使用手持式设备读取安装在设备内部的RFID标签 的数据，同时掌握井盖的主要信息。RFID标签安装在设备内部，安全性、保密性更强。因RFID标签无法被仿制，所以可以及时核对井盖信息，快速掌握井盖流失状态。

　　2.4.6 报警解除功能

　　相关管理人员对井盖进行维护时可以通过手持机识别地井标签信息，并修改井盖的标签信息，修改后通过无线传感网络将信息上传至后台数据管理中心，后台数据管理中心直接解除报警提示。

图6 后台数据管理中心通过手持机发送信息确定报警解除

　　2.5. 系统工作流程

　　智慧街道井盖管理系统工作流程如下：

　　设备安装

　　首先安装相关设备，其包括传感节点、中继节点、数据中心、抗金属标签等。

　　1） 传感节点采用采用螺钉固定在井盖底部的中央位置；

　　2） 中继节点采用抱杆式安装，一般安装在路灯杆上或沿途物体上；

　　3） 数据中心采用抱杆式安装，安装在路灯杆或大楼的顶部，或者后台管理中心中；

　　4） 抗金属标签采用粘贴式安装，紧贴在地井边缘，距离井盖底部10-20cm。

　　井盖报警

　　井盖被挪动，倾斜传感器被触发并发送报警信号，报警信号通过WSN网络上传报警信息给后台数据处理中心。

　　后台处理

　　后台数据处理中心接收报警信息，分析信号的编码和位置，并将具体信息通过发送至报警中心和相关人员的手机上。

　　现场勘查

　　现场工作人员通过手持机扫描地井标签查询地井和井盖的详细信息，维护后将修改信息写入标签，并通过WSN网络将情况反馈给后台数据处理中心。

　　解除报警

　　后台数据管理中心接收数据并处理后发出解除报警信息。

图7 系统工作流程图

3. 系统特点

　　基于WSN和RFID的智慧街道井盖管理系统，相对传统井盖管理系统来说，具有以下独有的优势；

　　1）低功耗、低成本；

　　2）粗网格定位、无线监控；

　　3）高效警用管理平台；

　　4）微倾角传感器、性能可靠；

　　5）系统结构可塑性强、可推广到其他基础设施监管中；

　　6）基于RFID非接触快速获取信息；

　　7）基于RFID标签无法被仿制，安全性和保密性强。

4. 其他应用领域

　　智能路灯管理

　　街道资产管理

　　交通设施管理

　　通信设施管理

　　电力设施管理

5. 硬件设备选型