1. 系統概述

　　1.1. 系統背景

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

　　目前的井蓋管理多為人工巡查，維護、防盜、排查補救工作效率不高，如何確保井蓋設施能夠及時進行維護，對于出現的各種隱患及早發現和排查，是城市街道管理工作的一個重要課題。

　　智慧街道井蓋管理系統依托先進的RFID設備、無線傳感網絡、通信網絡和計算機技術，建立遍布街道井蓋管理的智能網絡，實現井蓋非正常狀態下開啟報警，最大限度的保障相關公共設施安全。

圖1 街道旁丟失井蓋的地井

　　1.2. 現狀與分析

　　隨著城市各項功能日益完善，井蓋也像巨大機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、燃氣、熱力、電力、交管等多個行業部門，權屬復雜，管理難度大。其中電力、通訊線纜井蓋占相當大的部分。

　　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前影響我國市政建設、電力、通訊安全的一個突出問題。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管區域太廣，不能24小時全時段防范到位，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

　　技術防范的問題是成本過高，其防盜成本遠遠超出井蓋本身的實際成本和損失被盜的成本，要實現對大區域井蓋監控和線纜防范就更加困難。

　　目前可以說在中國安防業沒有任何一個企業單位和科研院所能真正從技術上解決井蓋防盜和大面積監管問題。即使目前很多地方提出的數字城管中對井蓋的管理也只能做到井蓋的分區數字戶籍和視頻監控，無法真正大區域對所有區域內的井蓋24小時監控。

　　RFID技術和WSN技術的出現及應用，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技術和WSN技術的特性，來實現對井蓋的追溯監管，維護道路和地井安全，一旦井蓋丟失，立即發送報警信息到后臺數據處理中心，后臺通過短信方式將報警信息發送給維護人員，維護人員只需掃描電子標簽，可立即識別出產權單位，在最短時間內補裝井蓋。

2. 系統介紹

　　2.1. 系統原理

　　在井蓋上安裝集成傾斜傳感器的從傳感節點，井蓋挪動后傳感節點發出報警信息，報警信息通過傳感節點、中繼節點和數據中心形成的無線傳感網絡發送給后臺數據管理中心，后臺數據管理中心收到報警信息后以短信的方式發送到相關管理人員的手機，相關管理人員核實信息并進行現場處理，問題解決后通過WSN網絡發送信息返回后臺數據管理中心，后臺管理中心解決報警信息，如果問題沒有解決相關管理人員會聯系井蓋的產權單位，在最短時間內補裝井蓋。地井邊緣安裝抗金屬標簽，標簽內可存儲井蓋和地井的詳細信息，現場工作人員可以通過手持機掃描標簽知道地井和井蓋的產權單位和詳細信息，便于井蓋的及時更換；通過手持機對井蓋進行非接觸盤點；通過手持機向后臺數據處理中心發送解除告警信息。

圖2 智慧街道井蓋管理工作原理圖

　　2.2 系統結構

　　智慧街道井蓋管理系統主要包括觸發報警單元、信息無線傳輸單元、后臺數據處理單元、射頻識別單元，該系統主要實現的功能如下：

　　a.井蓋防盜報警

　　b.報警信息無線傳輸

　　c.報警信息的處理

　　d.井蓋及時補裝

　　e.報警信息的解除

　　2.3. 硬件系統構成

　　智慧街道井蓋管理系統包括報警數據采集部分、數據傳輸部分、監控管理部分三部分組成。

圖3 硬件系統構成圖

　　2.3.1. 報警信息采集

　　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

　　地井的標識可采用UHF抗金屬標簽，將RFID標簽固定在地井里，該標簽內已寫入井的產權單位、聯系人、電話以及尺寸等信息，并與數據庫建立聯系。

　　井蓋信息采集

　　井蓋的標識采用傳感節點，傳感節點主要由以下作用：1）作為井蓋的標識，其內部記錄了井蓋的產權單位、聯系人、電話以及尺寸等信息；2）作為傳感采集節點，其內部集成了傾斜移動傳感器，當井蓋一旦搬動或移動時，傳感節點將自動發送報警信息；3）作為WSN無線傳感中的節點，用于數據的無線傳輸。
傳感節點內部有唯一的ID號，其按不同區域、道路和所屬單位進行編號，一旦井蓋被搬動時產生一定傾角，從而觸發傳感節點發送報警信息，后臺根據報警信息及時安排人員處理，避免井蓋被盜。

圖4 井蓋報警示意圖

　　2.3.2. 數據傳輸

　　數據傳輸主要包含三部分，其分別為傳感節點、中繼傳輸節點和數據中心。所有井蓋的傳感節點和數據中心形成WSN無線傳感網，當傳感節點距離數據中心過遠時，可在兩者之間布置中繼節點，用于延長無線傳感網的傳輸距離。當井蓋挪動時傳感節點即時發出報警信息，通過WSN無線傳感網經報警信息發送至后臺數據處理中心。

　　2.3.3. 監控管理部分

　　監控管理部分實時采集、存儲各監控點處理計算機的通行數據，并進行邏輯判斷和處理，完成各種信息的存儲、備份以便稽核人員核查。自動生成各類數據、報警信息的統計報表供查詢和打印, 并實時監控井蓋的狀態，將數據存機備查；報警信息處理后以短信的方式發送給管理人員。監控管理配置網絡服務器、管理計算機、不間斷電源、系統軟件 。

　　2.4. 系統功能介紹

圖5 智慧街道井蓋管理系統

　　2.4.1. 防盜報警功能

　　實時監控：實時監控管道井蓋的開啟情況，采集井蓋開啟和關閉信號后，通過管道內的終端采集節點上傳報警信息至監控中心，監控中心根據編碼及開閉信號確定井蓋的開啟或關閉狀態；

　　遠程查詢：系統定期對下位機及設備進行巡檢，自動診斷井蓋狀態； 

　　遠程管理：遠程主控布防、撤防，集中管理，安全保密；

　　通訊方式：采用WSN網絡；

　　操作簡單：維護人員可以在最短的時間內熟練應用系統軟件；

　　管理方便：井蓋故障的顯示和存檔，在電子地圖上對轄區內管道井的各種故障，進行顯示，并自動存儲系統數據庫中；

　　超大范圍報警：可以實現對大區域范圍內甚至整個城區每個井蓋的聯網管理；

　　高效出警、精確打擊：井蓋防盜監控指揮平臺能確保快速出警，實現精確打擊的目標，以預防為主，將財產損失減少到最小限度；

　　性能穩定：系統高穩定性，保證設備正常運轉；硬件內置看門狗控制器，提高系統的可靠性；

　　防水防腐：具有防水、防銹、防腐蝕、防泥沙設計。

　　2.4.2 . WSN無線傳輸功能

　　WSN由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知井蓋的信息，并將數據發送給數據管理中心。

　　2.4.3. 后臺決策功能

　　由計算機數據處理中心、報警通告中心、應用軟件組成。 總控、分控中心建立在市級和區縣級城市管理部門或相關行業單位保衛部門，通過計算機接收井蓋監控采集終端的報警信息并與電子地圖結合，對各轄區內所屬的井蓋防盜進行統一指揮調度出警和對工程維護實行授權管理。

　　2.4.4. 報警轉發功能　

　　后臺數據管理中心處理來自無線傳感網送來的報警信息后，后臺對數據進行處理，處理結果以短信的方式發送給相關管理人員，相關管理人員及時處理或聯系井蓋的產權單位對井蓋進行更換。

　　2.4.5. RFID信息識別功能

　　RFID信息識別功能采用無線電載波通訊技術實現數據交換，可以實現非接觸讀取標簽信息。井蓋管理使用RFID標簽，井蓋的主要信息可以記錄在標簽內。因為每個RFID標簽都具有一個全球唯一的ID 號碼，因此RFID標簽是無法被復制和調換的。進行盤點時，無需打開設備外殼就可以使用手持式設備讀取安裝在設備內部的RFID標簽 的數據，同時掌握井蓋的主要信息。RFID標簽安裝在設備內部，安全性、保密性更強。因RFID標簽無法被仿制，所以可以及時核對井蓋信息，快速掌握井蓋流失狀態。

　　2.4.6 報警解除功能

　　相關管理人員對井蓋進行維護時可以通過手持機識別地井標簽信息，并修改井蓋的標簽信息，修改后通過無線傳感網絡將信息上傳至后臺數據管理中心，后臺數據管理中心直接解除報警提示。

圖6 后臺數據管理中心通過手持機發送信息確定報警解除

　　2.5. 系統工作流程

　　智慧街道井蓋管理系統工作流程如下：

　　設備安裝

　　首先安裝相關設備，其包括傳感節點、中繼節點、數據中心、抗金屬標簽等。

　　1） 傳感節點采用采用螺釘固定在井蓋底部的中央位置；

　　2） 中繼節點采用抱桿式安裝，一般安裝在路燈桿上或沿途物體上；

　　3） 數據中心采用抱桿式安裝，安裝在路燈桿或大樓的頂部，或者后臺管理中心中；

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

　　井蓋報警

　　井蓋被挪動，傾斜傳感器被觸發并發送報警信號，報警信號通過WSN網絡上傳報警信息給后臺數據處理中心。

　　后臺處理

　　后臺數據處理中心接收報警信息，分析信號的編碼和位置，并將具體信息通過發送至報警中心和相關人員的手機上。

　　現場勘查

　　現場工作人員通過手持機掃描地井標簽查詢地井和井蓋的詳細信息，維護后將修改信息寫入標簽，并通過WSN網絡將情況反饋給后臺數據處理中心。

　　解除報警

　　后臺數據管理中心接收數據并處理后發出解除報警信息。

圖7 系統工作流程圖

3. 系統特點

　　基于WSN和RFID的智慧街道井蓋管理系統，相對傳統井蓋管理系統來說，具有以下獨有的優勢；

　　1）低功耗、低成本；

　　2）粗網格定位、無線監控；

　　3）高效警用管理平臺；

　　4）微傾角傳感器、性能可靠；

　　5）系統結構可塑性強、可推廣到其他基礎設施監管中；

　　6）基于RFID非接觸快速獲取信息；

　　7）基于RFID標簽無法被仿制，安全性和保密性強。

4. 其他應用領域

　　智能路燈管理

　　街道資產管理

　　交通設施管理

　　通信設施管理

　　電力設施管理

5. 硬件設備選型

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