基于RFID/GIS的城市地下管網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)*

章光旭，陳明智，毛五星，錢同惠

(江漢大學 物理與信息工程學院，湖北 武漢 430056)

0　引言

城市地下管網(wǎng)資源主要有電力、水力、熱力、燃氣、電信等管線，隨著管網(wǎng)資源規(guī)模的不斷擴大，其結構也越來越復雜。相對于快速發(fā)展的城市規(guī)模，依靠人工方式管理城市地下管網(wǎng)資源不僅低效，而且存在安全隱患，這些都給城市地下管線資源管理與維護帶來了很大的挑戰(zhàn)[1-2]。

了解到現(xiàn)有技術手段，采用RFID/GPS技術對密集的城市地下管線和重要設施進行標識，實現(xiàn)地下管線資源準確、安全、快速定位，提高管線維護、查找、搶修效率以及提供迅速、全面、有效的信息支持[3]；借助GIS技術中的空間分析技術、網(wǎng)絡分析技術、模型分析技術可以對管線運行狀態(tài)、管線突發(fā)事故進行分析與狀態(tài)模擬，有效地指導工程施工與規(guī)劃決策[4]；通過數(shù)據(jù)庫快速查到相關的重要信息實現(xiàn)對地下管道的精確識別和安全管理，避免為了尋找管道而大面積開挖路面而對居民生活產(chǎn)生影響，可實現(xiàn)對城市地下管網(wǎng)資源的深層次管理。

1　總體設計

1.1　總體思路

針對目前城市地下管網(wǎng)資源管理的缺陷，設計一套以RFID和GIS技術為核心的城市地下管網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)。該手持設備由手機和RFID讀寫器組成。利用FRID讀寫器可以獲取城市地下管網(wǎng)資源信息；利用手機GPS功能結合GIS技術，可以獲取城市地下管網(wǎng)的位置信息。

在進行管線鋪設時，首先將RFID電子標簽粘貼在管線上，并一起埋入地下，電子標簽上記錄有管線類型、填埋日期、責任人等信息。然后在后期的管理維護中，操作人員攜帶檢測設備到現(xiàn)場進行電子標簽探測，從探測的電子標簽中獲取城市地下管線資源信息，同時通過手機GPS獲取管線的位置信息，最后將信息存儲到數(shù)據(jù)庫[5]。開發(fā)一款APP軟件和相應的服務器程序實現(xiàn)后端信息監(jiān)控管理。具體系統(tǒng)整體架構圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體架構圖

1.2　工作原理

RFID技術是采用無線射頻的方式與被測對象進行非接觸連接，然后實現(xiàn)測試對象與被測對象間的互通雙向數(shù)據(jù)傳輸，以獲取被測對象的具體信息。無線射頻方式利用射頻信號及其空間耦合和傳輸特性實現(xiàn)對靜止對象或者移動對象自動識別，并自動獲取被測對象相關信息，同時還可以通過其信號強度確定被測對象所在位置，即提供定位服務[6]。

系統(tǒng)原理示意圖如圖2所示，本系統(tǒng)的工作原理是：探測設備以連續(xù)方式發(fā)送一定頻率的信號，相同頻率的地下標識器吸收并存儲信號能量。標識器儲存的能量足夠后將帶有數(shù)據(jù)的信號反射回探測設備。探測設備檢測返回的信號強度來確定標識器具體地點。當探測設備在標識器正上方時，信號強度最強。

圖2　系統(tǒng)原理示意圖

1.3　可行性分析

1.3.1社會與經(jīng)濟效益分析

在經(jīng)濟效益方面，城市地下管網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)可以提高管網(wǎng)資源管理效率，縮短管網(wǎng)維護時間，降低資源消耗成本以及資源管理成本[7]。

在社會效益方面，城市地下管網(wǎng)資源信息的存儲與管理可以為城市建設與規(guī)劃提供數(shù)據(jù)依據(jù)，推動了城市建設的進一步發(fā)展。

1.3.2方案合理性分析

首先，RFID標簽穩(wěn)定可靠，讀寫速度快，內(nèi)置存儲空間大，可用于潮濕、污染等惡劣環(huán)境，并且使用壽命長[8]。城市地下管網(wǎng)選用RFID標簽作為管線標識符，可提高管網(wǎng)資源信息的可靠性。

其次，借助GIS技術中的空間分析技術、網(wǎng)絡分析技術、模型分析技術對管線運行狀態(tài)、管線突發(fā)事故進行分析與狀態(tài)模擬，可以有效指導工程施工與規(guī)劃決策。

1.4　項目特色與創(chuàng)新之處

(1)設計了一款便攜式移動檢測設備實現(xiàn)前端數(shù)據(jù)采集。使用便攜式設備進行城市地下管網(wǎng)資源搜索更方便、快捷、效率更高、成本更低。

(2)設計了一款APP軟件和相應的服務器程序實現(xiàn)后端信息監(jiān)控管理。通過手機APP可以實時顯示當前管線資源信息和位置信息，同時還可以進行管線信息查詢、管網(wǎng)分布圖繪制等功能。

(3)本項目設計的電子標簽實測最大距離可以達到1.2 m，而市面上一般的電子標簽最大埋深只有0.8 m。

2　硬件設計

2.1　系統(tǒng)硬件整體框架

本系統(tǒng)的硬件部分主要包括電子標簽模塊和射頻基站模塊兩大核心，其中射頻基站是以C8051F020系列單片機為主控芯片。硬件整體結構圖設計如圖3所示。

圖3　總體設計框圖

C8051F020單片機價格便宜、集成度高、使用簡單方便，選擇該單片機在異步串行通信中作為主控芯片，能與TMS37157電子標簽模塊和TMS3705射頻基站模塊進行快速精確的通信，適用于本系統(tǒng)。

2.2　系統(tǒng)硬件功能模塊

系統(tǒng)在獲取埋入地下的電子標簽所攜帶的城市地下管網(wǎng)資源信息時，需要滿足快速、有效且非接觸式等要求，而TI公司推出的無源低頻接口器件TMS37157不僅能夠與電子測量儀器設備進行遠程通信，并且還能為其供電，從而可使整個過程實現(xiàn)非介入式通信。因此選擇TMS37157作為電子標簽。圖4為TMS37157的信息交互以及單向供電功能示意圖。

圖4　TMS37157信息交互以及單向供電示意圖

系統(tǒng)選用TMS3705射頻識別芯片的射頻基站，搭配TMS37157配套使用，圖5為TMS3705芯片引腳接線圖。數(shù)據(jù)發(fā)射后由射頻基站天線接收，再由基站處理后經(jīng)基站的輸出腳把得到的數(shù)據(jù)流發(fā)給微處理器的輸入口。基站用于對信號的接收與整流，而信號的解調(diào)與解碼由微處理器MCU部分來實現(xiàn)。

圖5　TMS3705芯片引腳接線圖

系統(tǒng)硬件部分主要完成電子標簽信息的讀取與導入，其控制流程如圖6所示。

圖6　單片機控制流程圖

2.3　系統(tǒng)性能升級

為了提高系統(tǒng)識別距離，增加信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，需要對發(fā)射、接收的信號進行放大與濾波處理，為此設計了升壓電路和信號放大電路，如圖7、8所示。

圖7　升壓放大電路設計圖

圖8　信號放大電路設計圖

3　系統(tǒng)軟件設計

3.1　系統(tǒng)軟件功能設計

城市地下管網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)能夠對地下管網(wǎng)進行科學管理、科學規(guī)劃、科學決策，實現(xiàn)地下管網(wǎng)全面自動化、信息化管理。系統(tǒng)可細分為四個模塊，分別為：系統(tǒng)登錄模塊、基本功能模塊、通信模塊、系統(tǒng)管理模塊。其詳細功能設計如圖9所示。

圖9　監(jiān)控中心管理系統(tǒng)功能設計圖

3.2　系統(tǒng)軟件界面設計

操作人員利用便攜式移動檢測設備，在城市某一區(qū)域進行管網(wǎng)資源搜索。一旦搜索到管網(wǎng)資源，系統(tǒng)會自動記錄管網(wǎng)資源信息并在電子地圖上做一個標記，記錄管道所處位置，具體界面設計如圖10所示。

圖10　移動端APP界面展示

點擊相應的標注，系統(tǒng)會預覽管道的基本信息，包括EPC編號、管道類型等信息，如圖10所示。如果想查詢管道詳細信息，點擊相應的預覽窗口即可查看。

同時系統(tǒng)還設計了管網(wǎng)資源分布繪制功能，為后期的工程施工、管網(wǎng)運行維護、故障探測提供更直觀、更可靠、更科學的依據(jù)。

4　應用前景分析

城市地下管網(wǎng)作為城市重要基礎設施，涵蓋了眾多領域。電纜普查、水管維護更替、電信網(wǎng)絡基建升級等都需要對地下管網(wǎng)資源進行定位標記與資源管理：

(1)電子標簽的使用可以對地下管線進行精確的定位標記，從而提高管線維護、查找、搶修效率以及提供全面、有效的信息支持。

(2)基于GIS和GPS技術繪制管網(wǎng)整體資源分布，利用軟件平臺實現(xiàn)管線運行狀態(tài)、管線突發(fā)事故的分析與狀態(tài)模擬，在實際中有效地指導工程施工與規(guī)劃決策。

因此建立城市地下管網(wǎng)監(jiān)控管理系統(tǒng)具有廣泛的應用前景，并具有重要的現(xiàn)實意義。系統(tǒng)適用范圍如圖11所示。

圖11　系統(tǒng)的適用范圍結構圖

5　結束語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了在填埋地下管道時通過在管道上部署RFID電子標簽以達到信息記錄載體可被查詢的目的，設計了相應的無線探測的硬件電路和軟件系統(tǒng)，通過實際測試能夠達到預期效果。當然，本系統(tǒng)還有待進一步的完善，需要大面積地部署和組建數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，需要更智能化。當前地下管道的管理還是不夠信息化和自動化，市政方面需要加大這方面的投入，將物聯(lián)網(wǎng)技術、網(wǎng)絡技術應用于城市的方方面面，才能促進城市的快速發(fā)展，讓人們享受到信息技術發(fā)展帶來的便利。

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