基于RFID/GIS的城市地下管网监控管理系统*

章光旭，陈明智，毛五星，钱同惠

(江汉大学 物理与信息工程学院，湖北 武汉 430056)

0　引言

城市地下管网资源主要有电力、水力、热力、燃气、电信等管线，随着管网资源规模的不断扩大，其结构也越来越复杂。相对于快速发展的城市规模，依靠人工方式管理城市地下管网资源不仅低效，而且存在安全隐患，这些都给城市地下管线资源管理与维护带来了很大的挑战[1-2]。

了解到现有技术手段，采用RFID/GPS技术对密集的城市地下管线和重要设施进行标识，实现地下管线资源准确、安全、快速定位，提高管线维护、查找、抢修效率以及提供迅速、全面、有效的信息支持[3]；借助GIS技术中的空间分析技术、网络分析技术、模型分析技术可以对管线运行状态、管线突发事故进行分析与状态模拟，有效地指导工程施工与规划决策[4]；通过数据库快速查到相关的重要信息实现对地下管道的精确识别和安全管理，避免为了寻找管道而大面积开挖路面而对居民生活产生影响，可实现对城市地下管网资源的深层次管理。

1　总体设计

1.1　总体思路

针对目前城市地下管网资源管理的缺陷，设计一套以RFID和GIS技术为核心的城市地下管网监控管理系统。该手持设备由手机和RFID读写器组成。利用FRID读写器可以获取城市地下管网资源信息；利用手机GPS功能结合GIS技术，可以获取城市地下管网的位置信息。

在进行管线铺设时，首先将RFID电子标签粘贴在管线上，并一起埋入地下，电子标签上记录有管线类型、填埋日期、责任人等信息。然后在后期的管理维护中，操作人员携带检测设备到现场进行电子标签探测，从探测的电子标签中获取城市地下管线资源信息，同时通过手机GPS获取管线的位置信息，最后将信息存储到数据库[5]。开发一款APP软件和相应的服务器程序实现后端信息监控管理。具体系统整体架构图如图1所示。

图1　系统整体架构图

1.2　工作原理

RFID技术是采用无线射频的方式与被测对象进行非接触连接，然后实现测试对象与被测对象间的互通双向数据传输，以获取被测对象的具体信息。无线射频方式利用射频信号及其空间耦合和传输特性实现对静止对象或者移动对象自动识别，并自动获取被测对象相关信息，同时还可以通过其信号强度确定被测对象所在位置，即提供定位服务[6]。

系统原理示意图如图2所示，本系统的工作原理是：探测设备以连续方式发送一定频率的信号，相同频率的地下标识器吸收并存储信号能量。标识器储存的能量足够后将带有数据的信号反射回探测设备。探测设备检测返回的信号强度来确定标识器具体地点。当探测设备在标识器正上方时，信号强度最强。

图2　系统原理示意图

1.3　可行性分析

1.3.1社会与经济效益分析

在经济效益方面，城市地下管网监控管理系统可以提高管网资源管理效率，缩短管网维护时间，降低资源消耗成本以及资源管理成本[7]。

在社会效益方面，城市地下管网资源信息的存储与管理可以为城市建设与规划提供数据依据，推动了城市建设的进一步发展。

1.3.2方案合理性分析

首先，RFID标签稳定可靠，读写速度快，内置存储空间大，可用于潮湿、污染等恶劣环境，并且使用寿命长[8]。城市地下管网选用RFID标签作为管线标识符，可提高管网资源信息的可靠性。

其次，借助GIS技术中的空间分析技术、网络分析技术、模型分析技术对管线运行状态、管线突发事故进行分析与状态模拟，可以有效指导工程施工与规划决策。

1.4　项目特色与创新之处

(1)设计了一款便携式移动检测设备实现前端数据采集。使用便携式设备进行城市地下管网资源搜索更方便、快捷、效率更高、成本更低。

(2)设计了一款APP软件和相应的服务器程序实现后端信息监控管理。通过手机APP可以实时显示当前管线资源信息和位置信息，同时还可以进行管线信息查询、管网分布图绘制等功能。

(3)本项目设计的电子标签实测最大距离可以达到1.2 m，而市面上一般的电子标签最大埋深只有0.8 m。

2　硬件设计

2.1　系统硬件整体框架

本系统的硬件部分主要包括电子标签模块和射频基站模块两大核心，其中射频基站是以C8051F020系列单片机为主控芯片。硬件整体结构图设计如图3所示。

图3　总体设计框图

C8051F020单片机价格便宜、集成度高、使用简单方便，选择该单片机在异步串行通信中作为主控芯片，能与TMS37157电子标签模块和TMS3705射频基站模块进行快速精确的通信，适用于本系统。

2.2　系统硬件功能模块

系统在获取埋入地下的电子标签所携带的城市地下管网资源信息时，需要满足快速、有效且非接触式等要求，而TI公司推出的无源低频接口器件TMS37157不仅能够与电子测量仪器设备进行远程通信，并且还能为其供电，从而可使整个过程实现非介入式通信。因此选择TMS37157作为电子标签。图4为TMS37157的信息交互以及单向供电功能示意图。

图4　TMS37157信息交互以及单向供电示意图

系统选用TMS3705射频识别芯片的射频基站，搭配TMS37157配套使用，图5为TMS3705芯片引脚接线图。数据发射后由射频基站天线接收，再由基站处理后经基站的输出脚把得到的数据流发给微处理器的输入口。基站用于对信号的接收与整流，而信号的解调与解码由微处理器MCU部分来实现。

图5　TMS3705芯片引脚接线图

系统硬件部分主要完成电子标签信息的读取与导入，其控制流程如图6所示。

图6　单片机控制流程图

2.3　系统性能升级

为了提高系统识别距离，增加信号传输的稳定性，需要对发射、接收的信号进行放大与滤波处理，为此设计了升压电路和信号放大电路，如图7、8所示。

图7　升压放大电路设计图

图8　信号放大电路设计图

3　系统软件设计

3.1　系统软件功能设计

城市地下管网监控管理系统能够对地下管网进行科学管理、科学规划、科学决策，实现地下管网全面自动化、信息化管理。系统可细分为四个模块，分别为：系统登录模块、基本功能模块、通信模块、系统管理模块。其详细功能设计如图9所示。

图9　监控中心管理系统功能设计图

3.2　系统软件界面设计

操作人员利用便携式移动检测设备，在城市某一区域进行管网资源搜索。一旦搜索到管网资源，系统会自动记录管网资源信息并在电子地图上做一个标记，记录管道所处位置，具体界面设计如图10所示。

图10　移动端APP界面展示

点击相应的标注，系统会预览管道的基本信息，包括EPC编号、管道类型等信息，如图10所示。如果想查询管道详细信息，点击相应的预览窗口即可查看。

同时系统还设计了管网资源分布绘制功能，为后期的工程施工、管网运行维护、故障探测提供更直观、更可靠、更科学的依据。

4　应用前景分析

城市地下管网作为城市重要基础设施，涵盖了众多领域。电缆普查、水管维护更替、电信网络基建升级等都需要对地下管网资源进行定位标记与资源管理：

(1)电子标签的使用可以对地下管线进行精确的定位标记，从而提高管线维护、查找、抢修效率以及提供全面、有效的信息支持。

(2)基于GIS和GPS技术绘制管网整体资源分布，利用软件平台实现管线运行状态、管线突发事故的分析与状态模拟，在实际中有效地指导工程施工与规划决策。

因此建立城市地下管网监控管理系统具有广泛的应用前景，并具有重要的现实意义。系统适用范围如图11所示。

图11　系统的适用范围结构图

5　结束语

本系统实现了在填埋地下管道时通过在管道上部署RFID电子标签以达到信息记录载体可被查询的目的，设计了相应的无线探测的硬件电路和软件系统，通过实际测试能够达到预期效果。当然，本系统还有待进一步的完善，需要大面积地部署和组建数据库存储数据，需要更智能化。当前地下管道的管理还是不够信息化和自动化，市政方面需要加大这方面的投入，将物联网技术、网络技术应用于城市的方方面面，才能促进城市的快速发展，让人们享受到信息技术发展带来的便利。

[1] 于笑飞.青岛高新区综合管廊维护运营管理模式研究[D].青岛：中国海洋大学,2013.

[2] 江伟民.市政管线综合设计与研究[J]. 市政技术,2008,26(4):273-276.

[3] 胡静文,罗婷.城市综合管廊特点及设计要点解析[J].城市道桥与防洪,2012(12):196-198.

[4] 钟倩.特大型城市安全管理研究[D].上海：上海交通大学,2009.

[5] 崔阳,王华.基于GIS的城市地下管线数据结构设计[J].计算机工程与应,2005(36):230-232.

[6] 潘曦,郭珍军,刘云.基于RFID通信资源管理系统的设计与实现[J].北京电子科技学院学报,2006(4):25-27.

[7] 李学军.我国城市地下管线信息化发展与展望[J].城市勘测,2009(1):5-10.

[8] GUO W, SOIBELMAN L, GARRETT JR J H.Automated defect detection for sewer pipeline inspection and condition assessment[J]. Automation in Construction,2009, 18(5): 587-596.