智慧校园智慧井盖系统的设计与应用

刘 梅，贺前华，邝细超，黄国林

（1.华南理工大学 信息网络工程研究中心，广东 广州 510640；2.华南理工大学 电子与信息学院，广东 广州510640）

智慧校园智慧井盖系统的设计与应用

刘 梅1，贺前华2，邝细超2，黄国林1

（1.华南理工大学 信息网络工程研究中心，广东 广州 510640；2.华南理工大学 电子与信息学院，广东 广州510640）

针对校园弱电管井井盖资源管理不完善问题，结合了物联网技术和地理信息系统，设计了一套智慧井盖系统，有助于实现智慧校园高效、智能化管理，创建一个和谐、平安的现代化、智慧化的校园生活环境。系统设计实现了井盖集中监控管理、远程授权、自动巡检、多渠道报警、精确定位事故发生地点等功能，可真实且直观地显示井盖分布情况及状态。该系统已正式使用，投入成本小、系统可靠性高且运行状态良好，具有可借鉴价值。

物联网；智慧井盖系统；地理信息系统；集中监控；报警；远程授权

华南理工大学占地面积294万多平方米，井盖数量多且分布广，井盖缺失被盗现象时有发生，对师生行人的人身安全和国家财产安全构成严重威胁，人工巡检耗时费力，管理难度大且人工成本高，迫切需要建设一套智能井盖管理系统。

智慧校园[1]指的是运用物联网技术，以各种应用服务系统为载体，将教学、科研、管理和校园生活充分融合在一起的智慧化校园工作、学习和生活的一体化环境。智慧校园建设的终极目标是为师生提供和谐、平安、便利的现代化、智慧化的校园生活环境，平安校园即在其中[2]。近年来，校园安全事故屡屡发生，建设平安校园迫在眉睫，相关的研究成为热门课题。

随着物联网技术的高速发展，井盖管理模式历经普通井盖、防盗井盖、城管通发展到智慧井盖阶段。智慧井盖管理模式的主要特点是实现井盖的精细化管理；实时监测并上报井盖状态，便于及时维修；将人工巡查改为自动巡检，降低了人工成本；实现井盖防盗报警功能，实时性要求高[3]。

相关的研究[3-6]大多采用无线方式，多少会出现带宽不足、干扰及可靠性不高等问题，本文利用现有校园弱电管井资源，采用有线方式，设计一套基于物联网技术和地理信息系统[7]的智慧井盖系统，可直观且真实地显示井盖分布状态，实现预警、及时报警、精确定位事故发生地点等功能。系统可靠性高，有助于实现智慧校园高效、智能化管理，创建一个和谐、平安的现代化、智慧化的校园生活环境。

1 智慧井盖系统总体设计

根据校园弱电管井分布的实际情况和需求，为有效管理弱电管井井盖资源，智慧井盖系统在设计时充分考虑现有网络资源，集中组网、集中监控、集中告警和远程管理。逻辑上采用三层结构、两级管理模式。采用统一授权模式，实现远程集中管理。智慧井盖系统实现以下功能：1）集中式实时监控井盖状态；2）井盖异常开启情况多渠道实时报警；3）精准定位井盖异常开启情况发生地点；4）自动巡检井盖状态；5）井盖开启远程授权管理；6）基于GIS的二维三维可视化图层展示；7）可查询相关记录或日志。

图1是系统逻辑拓扑示意图。根据智慧井盖系统组成，大体分为3层：井盖监测层、机房监控层和中心控制层。井盖监测层，位于系统最下层，是一个智能监控终端设备，用于感知井盖状态并接收机房监控层通讯。机房监控层安放在机房内，由CAN转换器、电源模块和交换机组成，位于系统的中间层，用于监视、控制井盖监控终端设备。中心控制层，位于系统的最上层，是整个系统的监控总中心，可以控制中间层，也可通过设置参数，自动完成对井盖监控层的监控与远程控制。

图1 系统网络拓扑结构示意图

华南理工大学弱电管井本身铺设有通讯线缆，针对这种条件，采用有线方式连接，融合CAN[8-10]通信技术，实现有线供电、通信及远程控制传输，比无线连接方式相比，可靠性更高。图2是系统架构组网示意图。井盖监测终端与CAN转换器之间采用CAN总线进行连接，CAN转换器与中心控制系统通过校园以太网连接。

图2 系统架构组网方式示意图

2 系统硬件设计和工作原理

系统硬件采用物联网技术，利用传感器及成本较低、传输距离远、传输速度快的CAN设备，硬件包括3部分：井盖终端设备、CAN转换器、中心控制主机（服务器）。

井盖终端设备是由传感器、单片机和DSP处理器组成，通过3D-MESMS[11]技术测量天线角度变化来感知井盖是否异常。

CAN转换器采用广州致远电子有限公司开发的一款工业级以太网 CAN-bus数据转换设备CANET-100T，它内部集成了一个CAN-bus接口和一路EtherNet接口以及TCP/IP协议栈，通过此设备可实现CAN-bus网络和Ethernet网络的互联互通，进一步拓展了CAN-bus网络的范围，同时方便对井盖终端设备进行数据采集、调试和控制。

通过CAN协议与中心控制主机通信，通信信令采用29位ID的扩展格式的数据帧或遥控帧，通过ID的最后8位来区分信令的用途。具体见表1所示。

中心控制主机通过SCOKET与CANET设备连接，采用二进制协议实现互通，包括监测系统下达指令与上报井盖终端告警信息。井盖终端状态转换如图3所示。

3 系统软件设计

智慧井盖系统的软件设计，采用B/S（浏览器/服务器）体系结构[12]，数据库采用Oracle 10 g。系统服务端采用J2EE技术[13]架构，具备跨平台运行能力；系统客户端采用Flash Rich client技术[14-15]，界面美观、响应速度快，具备可离线查询分析、和降低服务器负载等优势；系统可跨浏览器运行，具备良好的兼容性。基于J2EE的应用服务器负责客户端与关系数据库的交互，实现井盖状态的查询与更新。为了日后维护、拓展与升级的需要，采用模块化思想设计[16]。根据功能划分，整个系统可分为设备采集模块、监控巡检模块、设备授权管理模块、预警报警模块、GIS图层展示模块、系统权限管理模块。

表1 通信信令集

图3 井盖终端状态转换图

3.1 设备采集模块

此模块主要是采集井盖监控终端和Cannet设备的基础信息，包括井盖监控终端名称、ID、采购时间、维保年限、放置位置、所属Cannet设备；Cannet设备名称、IP等信息，实现设备全生命周期管理。

3.2 监控巡检模块

实现井盖实时监控，定期给各井盖终端下达查询指令查询井盖状态；主动接收井盖终端的异常信息。具体流程如图4所示，通过设定参数（如日期、区域等），下达巡检任务，达到自动巡检目的，可减少人工巡检成本。

图4 监控巡检模块流程图

3.3 设备授权管理模块

实现井盖开启日志查询，井盖开启时间授权管理。当用户在授权开启时间段开启井盖系统不会产生告警信息。

3.4 报警派单模块

当井盖监测设备发现井盖异常时主动向中心控制主机发送告警信息，中心控制主机采用语音、短信、邮件等多渠道方式实时告知监控人员或指定人员，如图4所示，以便能实时做出相应处理。与邮件系统对接发送警告信息程序代码如文献[16-17]所示。

3.5 GIS图层展示模块

基于GIS实现井盖图层（被监测部分）管理，可直观显示井盖分布形态，当接收井盖监测系统的告警通知时，在图层上显示异常井盖信息，精准定位事故发生地点，同时可通过导航前往事故点核查情况。本系统是以华南理工大学地图服务系统为依托的基础上设计的，支持二维矢量图、卫星图和2.5D仿真三维图3种电子地图，可在各地图图层间自由转换，支持定位导航服务。

3.6 日志报表管理

提供报警日志查询和可自行设置查询时间（年、月、日）的统计报表管理，可进行数据导出和报表打印等功能。

3.7 系统权限管理模块

提供完善的安全机制：提供口令验证、加密、权限控制等安全机制，可以将数据访问及读写权限控制到每一个功能模块，采用基于角色的访问控制的权限模型，可以给每一个用户灵活分配相应的工作权限。

4 系统测试与应用

图5显示了井盖非法打开时的告警信息及具体定位情况，其中圆圈代表井盖，可直观地掌握校园井盖地理分布情况；图6是井盖管理操作界面，可对井盖进行查询、增加、修改、删除和远程授权等操作。

智慧井盖系统应用后，相关管理人员能够全面准确地掌握井盖地理分布情况，极大地方便管理人员进行安全检查和日常维护，减少了人工巡检成本，通过地理信息系统可以精确定位事故发生地点，实现实时监控预警和快速响应处理，最大限度得避免安全事故产生，真正实现对井盖的可控和可管，从而大大提高管理人员的整体工作效率和安全管理水平。系统运行一年以来，稳定可靠，无误报漏报，井盖状态显示清晰，远程控制简单易行。

图5 井盖告警及定位

图6 井盖管理界面

5 结束语

井盖是地下管网的入口，实现对井盖的智慧管理，即是为地下管网安全管理把好第一道关口发挥着至关重要的作用。智慧井盖系统的应用，提升了智慧校园的安全管理水平，降低了管理人员的压力，对智慧校园通信传输的运行保障工作发挥作用明显，值得学习和借鉴。

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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稿件编号：201605162

国家科技支撑计划项目（2012BAH09B01）；教育部科技研究重大专项（313021）

刘 梅（1986—），女，江西樟树人，硕士，工程师。研究方向：通信网络协议、物联网、信息安全。