智慧校園智慧井蓋系統(tǒng)的設計與應用

劉 梅，賀前華，鄺細超，黃國林

（1.華南理工大學 信息網(wǎng)絡工程研究中心，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學 電子與信息學院，廣東 廣州510640）

智慧校園智慧井蓋系統(tǒng)的設計與應用

劉 梅1，賀前華2，鄺細超2，黃國林1

（1.華南理工大學 信息網(wǎng)絡工程研究中心，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學 電子與信息學院，廣東 廣州510640）

針對校園弱電管井井蓋資源管理不完善問題，結合了物聯(lián)網(wǎng)技術和地理信息系統(tǒng)，設計了一套智慧井蓋系統(tǒng)，有助于實現(xiàn)智慧校園高效、智能化管理，創(chuàng)建一個和諧、平安的現(xiàn)代化、智慧化的校園生活環(huán)境。系統(tǒng)設計實現(xiàn)了井蓋集中監(jiān)控管理、遠程授權、自動巡檢、多渠道報警、精確定位事故發(fā)生地點等功能，可真實且直觀地顯示井蓋分布情況及狀態(tài)。該系統(tǒng)已正式使用，投入成本小、系統(tǒng)可靠性高且運行狀態(tài)良好，具有可借鑒價值。

物聯(lián)網(wǎng)；智慧井蓋系統(tǒng)；地理信息系統(tǒng)；集中監(jiān)控；報警；遠程授權

華南理工大學占地面積294萬多平方米，井蓋數(shù)量多且分布廣，井蓋缺失被盜現(xiàn)象時有發(fā)生，對師生行人的人身安全和國家財產(chǎn)安全構成嚴重威脅，人工巡檢耗時費力，管理難度大且人工成本高，迫切需要建設一套智能井蓋管理系統(tǒng)。

智慧校園[1]指的是運用物聯(lián)網(wǎng)技術，以各種應用服務系統(tǒng)為載體，將教學、科研、管理和校園生活充分融合在一起的智慧化校園工作、學習和生活的一體化環(huán)境。智慧校園建設的終極目標是為師生提供和諧、平安、便利的現(xiàn)代化、智慧化的校園生活環(huán)境，平安校園即在其中[2]。近年來，校園安全事故屢屢發(fā)生，建設平安校園迫在眉睫，相關的研究成為熱門課題。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的高速發(fā)展，井蓋管理模式歷經(jīng)普通井蓋、防盜井蓋、城管通發(fā)展到智慧井蓋階段。智慧井蓋管理模式的主要特點是實現(xiàn)井蓋的精細化管理；實時監(jiān)測并上報井蓋狀態(tài)，便于及時維修；將人工巡查改為自動巡檢，降低了人工成本；實現(xiàn)井蓋防盜報警功能，實時性要求高[3]。

相關的研究[3-6]大多采用無線方式，多少會出現(xiàn)帶寬不足、干擾及可靠性不高等問題，本文利用現(xiàn)有校園弱電管井資源，采用有線方式，設計一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術和地理信息系統(tǒng)[7]的智慧井蓋系統(tǒng)，可直觀且真實地顯示井蓋分布狀態(tài)，實現(xiàn)預警、及時報警、精確定位事故發(fā)生地點等功能。系統(tǒng)可靠性高，有助于實現(xiàn)智慧校園高效、智能化管理，創(chuàng)建一個和諧、平安的現(xiàn)代化、智慧化的校園生活環(huán)境。

1 智慧井蓋系統(tǒng)總體設計

根據(jù)校園弱電管井分布的實際情況和需求，為有效管理弱電管井井蓋資源，智慧井蓋系統(tǒng)在設計時充分考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡資源，集中組網(wǎng)、集中監(jiān)控、集中告警和遠程管理。邏輯上采用三層結構、兩級管理模式。采用統(tǒng)一授權模式，實現(xiàn)遠程集中管理。智慧井蓋系統(tǒng)實現(xiàn)以下功能：1）集中式實時監(jiān)控井蓋狀態(tài)；2）井蓋異常開啟情況多渠道實時報警；3）精準定位井蓋異常開啟情況發(fā)生地點；4）自動巡檢井蓋狀態(tài)；5）井蓋開啟遠程授權管理；6）基于GIS的二維三維可視化圖層展示；7）可查詢相關記錄或日志。

圖1是系統(tǒng)邏輯拓撲示意圖。根據(jù)智慧井蓋系統(tǒng)組成，大體分為3層：井蓋監(jiān)測層、機房監(jiān)控層和中心控制層。井蓋監(jiān)測層，位于系統(tǒng)最下層，是一個智能監(jiān)控終端設備，用于感知井蓋狀態(tài)并接收機房監(jiān)控層通訊。機房監(jiān)控層安放在機房內(nèi)，由CAN轉換器、電源模塊和交換機組成，位于系統(tǒng)的中間層，用于監(jiān)視、控制井蓋監(jiān)控終端設備。中心控制層，位于系統(tǒng)的最上層，是整個系統(tǒng)的監(jiān)控總中心，可以控制中間層，也可通過設置參數(shù)，自動完成對井蓋監(jiān)控層的監(jiān)控與遠程控制。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構示意圖

華南理工大學弱電管井本身鋪設有通訊線纜，針對這種條件，采用有線方式連接，融合CAN[8-10]通信技術，實現(xiàn)有線供電、通信及遠程控制傳輸，比無線連接方式相比，可靠性更高。圖2是系統(tǒng)架構組網(wǎng)示意圖。井蓋監(jiān)測終端與CAN轉換器之間采用CAN總線進行連接，CAN轉換器與中心控制系統(tǒng)通過校園以太網(wǎng)連接。

圖2 系統(tǒng)架構組網(wǎng)方式示意圖

2 系統(tǒng)硬件設計和工作原理

系統(tǒng)硬件采用物聯(lián)網(wǎng)技術，利用傳感器及成本較低、傳輸距離遠、傳輸速度快的CAN設備，硬件包括3部分：井蓋終端設備、CAN轉換器、中心控制主機（服務器）。

井蓋終端設備是由傳感器、單片機和DSP處理器組成，通過3D-MESMS[11]技術測量天線角度變化來感知井蓋是否異常。

CAN轉換器采用廣州致遠電子有限公司開發(fā)的一款工業(yè)級以太網(wǎng) CAN-bus數(shù)據(jù)轉換設備CANET-100T，它內(nèi)部集成了一個CAN-bus接口和一路EtherNet接口以及TCP/IP協(xié)議棧，通過此設備可實現(xiàn)CAN-bus網(wǎng)絡和Ethernet網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，進一步拓展了CAN-bus網(wǎng)絡的范圍，同時方便對井蓋終端設備進行數(shù)據(jù)采集、調(diào)試和控制。

通過CAN協(xié)議與中心控制主機通信，通信信令采用29位ID的擴展格式的數(shù)據(jù)幀或遙控幀，通過ID的最后8位來區(qū)分信令的用途。具體見表1所示。

中心控制主機通過SCOKET與CANET設備連接，采用二進制協(xié)議實現(xiàn)互通，包括監(jiān)測系統(tǒng)下達指令與上報井蓋終端告警信息。井蓋終端狀態(tài)轉換如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

智慧井蓋系統(tǒng)的軟件設計，采用B/S（瀏覽器/服務器）體系結構[12]，數(shù)據(jù)庫采用Oracle 10 g。系統(tǒng)服務端采用J2EE技術[13]架構，具備跨平臺運行能力；系統(tǒng)客戶端采用Flash Rich client技術[14-15]，界面美觀、響應速度快，具備可離線查詢分析、和降低服務器負載等優(yōu)勢；系統(tǒng)可跨瀏覽器運行，具備良好的兼容性?；贘2EE的應用服務器負責客戶端與關系數(shù)據(jù)庫的交互，實現(xiàn)井蓋狀態(tài)的查詢與更新。為了日后維護、拓展與升級的需要，采用模塊化思想設計[16]。根據(jù)功能劃分，整個系統(tǒng)可分為設備采集模塊、監(jiān)控巡檢模塊、設備授權管理模塊、預警報警模塊、GIS圖層展示模塊、系統(tǒng)權限管理模塊。

表1 通信信令集

圖3 井蓋終端狀態(tài)轉換圖

3.1 設備采集模塊

此模塊主要是采集井蓋監(jiān)控終端和Cannet設備的基礎信息，包括井蓋監(jiān)控終端名稱、ID、采購時間、維保年限、放置位置、所屬Cannet設備；Cannet設備名稱、IP等信息，實現(xiàn)設備全生命周期管理。

3.2 監(jiān)控巡檢模塊

實現(xiàn)井蓋實時監(jiān)控，定期給各井蓋終端下達查詢指令查詢井蓋狀態(tài)；主動接收井蓋終端的異常信息。具體流程如圖4所示，通過設定參數(shù)（如日期、區(qū)域等），下達巡檢任務，達到自動巡檢目的，可減少人工巡檢成本。

圖4 監(jiān)控巡檢模塊流程圖

3.3 設備授權管理模塊

實現(xiàn)井蓋開啟日志查詢，井蓋開啟時間授權管理。當用戶在授權開啟時間段開啟井蓋系統(tǒng)不會產(chǎn)生告警信息。

3.4 報警派單模塊

當井蓋監(jiān)測設備發(fā)現(xiàn)井蓋異常時主動向中心控制主機發(fā)送告警信息，中心控制主機采用語音、短信、郵件等多渠道方式實時告知監(jiān)控人員或指定人員，如圖4所示，以便能實時做出相應處理。與郵件系統(tǒng)對接發(fā)送警告信息程序代碼如文獻[16-17]所示。

3.5 GIS圖層展示模塊

基于GIS實現(xiàn)井蓋圖層（被監(jiān)測部分）管理，可直觀顯示井蓋分布形態(tài)，當接收井蓋監(jiān)測系統(tǒng)的告警通知時，在圖層上顯示異常井蓋信息，精準定位事故發(fā)生地點，同時可通過導航前往事故點核查情況。本系統(tǒng)是以華南理工大學地圖服務系統(tǒng)為依托的基礎上設計的，支持二維矢量圖、衛(wèi)星圖和2.5D仿真三維圖3種電子地圖，可在各地圖圖層間自由轉換，支持定位導航服務。

3.6 日志報表管理

提供報警日志查詢和可自行設置查詢時間（年、月、日）的統(tǒng)計報表管理，可進行數(shù)據(jù)導出和報表打印等功能。

3.7 系統(tǒng)權限管理模塊

提供完善的安全機制：提供口令驗證、加密、權限控制等安全機制，可以將數(shù)據(jù)訪問及讀寫權限控制到每一個功能模塊，采用基于角色的訪問控制的權限模型，可以給每一個用戶靈活分配相應的工作權限。

4 系統(tǒng)測試與應用

圖5顯示了井蓋非法打開時的告警信息及具體定位情況，其中圓圈代表井蓋，可直觀地掌握校園井蓋地理分布情況；圖6是井蓋管理操作界面，可對井蓋進行查詢、增加、修改、刪除和遠程授權等操作。

智慧井蓋系統(tǒng)應用后，相關管理人員能夠全面準確地掌握井蓋地理分布情況，極大地方便管理人員進行安全檢查和日常維護，減少了人工巡檢成本，通過地理信息系統(tǒng)可以精確定位事故發(fā)生地點，實現(xiàn)實時監(jiān)控預警和快速響應處理，最大限度得避免安全事故產(chǎn)生，真正實現(xiàn)對井蓋的可控和可管，從而大大提高管理人員的整體工作效率和安全管理水平。系統(tǒng)運行一年以來，穩(wěn)定可靠，無誤報漏報，井蓋狀態(tài)顯示清晰，遠程控制簡單易行。

圖5 井蓋告警及定位

圖6 井蓋管理界面

5 結束語

井蓋是地下管網(wǎng)的入口，實現(xiàn)對井蓋的智慧管理，即是為地下管網(wǎng)安全管理把好第一道關口發(fā)揮著至關重要的作用。智慧井蓋系統(tǒng)的應用，提升了智慧校園的安全管理水平，降低了管理人員的壓力，對智慧校園通信傳輸?shù)倪\行保障工作發(fā)揮作用明顯，值得學習和借鑒。

[1]陳張榮.物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧校園中的應用[J].電腦知識與技術，2014，10（27）：6502-6503.

[2]黃瑞鈺.智慧校園建設方案與實現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學，2014.

[3]黃林.基于WSN的窨井實時巡檢技術的研究[D].浙江：杭州電子科技大學，2013.

[4]王猛，劉珈池，王霍瑞，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術的城市小區(qū)智能井蓋管理系統(tǒng)[J].價值工程，2016（2）：80-81.

[5]李亞勝.基于紅外探測的井蓋監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].數(shù)字技術與應用，2015（10）：174-175.

[6]黃柏亮，蔡延光，梁秉毅.基于物聯(lián)網(wǎng)和三維仿真技術的智能沙井蓋系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計算機，2015（2）：47-49.

[7]李心穎，李峰.高校數(shù)字化校園地理信息系統(tǒng)的研究分析[J].科技視界，2013（27）：32-33.

[8]王亞楠.基于CAN總線的電動輪汽車底盤集成控制[D].遼寧：沈陽工業(yè)大學，2016.

[9]高祥，居錦武，蔣勱，等.基于CAN總線的分布式農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)設計[J].中國農(nóng)機化學報，2016，37（4）：67-70.

[10]齊雪婷，馬訓鳴，劉霞，等.基于CAN的分布式頂升控制系統(tǒng)設計[J].西安工程大學學報，2016，30（1）:118-123.

[11]陳曦.基于MEMS慣性傳感器的高精度姿態(tài)測量關鍵技術研究[D].浙江：浙江大學，2014.

[12]王鑫.B/S模式實時監(jiān)控的研究與實現(xiàn)[D].北京：鐵道部科學研究院，2005.

[13]羅春.基于J2EE的應用框架技術研究[J].數(shù)字技術與應用，2016（3）：108.

[14]李英.基于富客戶體驗與WebGIS的智慧校園設計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學，2013.

[15]徐春輝，成偉，杜會石，等.基于Flex的校園全景WebGIS建設[J].現(xiàn)代計算機，2014（24）：51-54.

[16]劉梅.RFID技術在高校資產(chǎn)盤查中的應用研究[J].電子設計工程，2015，23（9）：5-7.

[17]高立兵.基于RFID技術的倉儲管理系統(tǒng)研究與設計 [J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2014（5）：67-70.

Design and application of smart manhole covers system on smart campus

LIU Mei1，HE Qian-hua2，KUANG Xi-chao2，HUANG Guo-lin1
（1.Information Network Engineering and Research Center，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

In order to solve imperfect management of campus manhole covers resources，a smart manhole covers system is proposed and designed based on the technology of Internet of Things and geographic information system （GIS）to realize efficient and intelligent management of smart campus and create a harmonious，safe，modern and wisdorn campus environment.System design realizes these fuctions，such as manhole covers centralized monitoring management， long-distance authorization， automatic inspection，multichannel alarm and accurate positioning of the accident site。It can real and intuitively reflect the distribution and state of manhole covers.With low input cost and high reliability，the system has satisfactory running state after operation and the value of reference.

internet of things；smart manhole covers systems；GIS；centralized monitoring；alarm；longdistance authorization

TN709

：A

：1674－6236（2017）06-0001-04

2016-05-17稿件編號：201605162

國家科技支撐計劃項目（2012BAH09B01）；教育部科技研究重大專項（313021）

劉 梅（1986—），女，江西樟樹人，碩士，工程師。研究方向：通信網(wǎng)絡協(xié)議、物聯(lián)網(wǎng)、信息安全。