物联网在烟花爆竹流向监管系统中的应用研究

2021-01-27陈银良

物联网技术 2020年12期

陈银良

（北京市应急管理信息中心，北京 100744）

0 引言

烟花爆竹属于易燃易爆的危险物品，做好烟花爆竹安全生产工作，事关人民群众生命财产安全[1]。近年来，烟花爆竹市场需求量日益增加，受经济利益驱动，非法生产、经营、储存、运输、燃放烟花爆竹的现象明显增多，并通过非法渠道流入消费者手中，对社会公共安全构成严重威胁，由此引起的事故时有发生[2-5]。

做好烟花爆竹流向信息化监管工作，建立统一的烟花爆竹流向登记监管信息系统，强化对烟花爆竹各重点环节的安全监管，是烟花爆竹生产、经营、储存、运输、燃放的安全生产监管需要。

在此背景下，本文从物联网应用角度出发，开发设计了一种烟花爆竹流向监管系统，并在春节期间成功应用，保障了春节期间城市的安全运行。

1 系统总体设计

1.1 基本思路

本系统的基本设计思路为：针对烟花爆竹综合管理所涉及的烟花爆竹流向实时跟踪管理和烟花爆竹物联网监控，利用物联网技术实时获取电子标签、仓库温湿度、仓库周界报警，建立烟花爆竹图像共享管理系统[6]；接入批发企业安全生产仓库视频图像和零售单位视频图像等相关感知信息并进行智能分析[7]，提高安全监管部门对烟花爆竹存储、运输和销售的实时监控能力；为监管部门开展春节期间烟花爆竹管理科学决策提供支撑。

本文运用物联网技术来实现企业流向管理的现代化，通过RFID（Radio Frequency Identification, RFID）扫描门和扫描枪，快速读取RFID标签信息，以提高烟花爆竹出入库效率，使配送更加智能化，流向数据统计及时准确。

物联网技术的应用促进了烟花爆竹安全生产监管向及时、远程和精细化方向发展。运用本文系统的移动执法子系统，执法检查时可直接扫描RFID，读取烟花爆竹流向信息，可有效遏制了非法烟花爆竹的生产、运输、销售和燃放。该系统的成功运用保障了春节期间城市的安全运行。

1.2 系统架构

本系统的总体架构如图1所示。系统层次自下而上分为物联数据接入、传感网络、区县汇聚、政务网络、应用支撑、数据资源、系统功能和综合管理。

（1）物联数据采集烟花爆竹储存仓库的出入库流向数据、温湿度数据、周界报警数据、视频图像和销售网点的视频图像数据，形成烟花爆竹安全监管物联数据。这些数据首先接入烟花爆竹批发企业，形成批发单位流向管理系统、批发仓库物联监控系统和网点视频监控系统，为上层提供物联数据。

（2）传感网络层利用有线政务网络、无线物联数据专网、无线宽带专网及运营商网络等实现传感数据的传输[8]。

（3）区县汇聚主要是实现物联网和视频数据在区县安监局的落地，为区县开展安全监管提供数据和平台。

（4）政务网络主要是指现有的全市统一的政务外网，实现市区两级和各政府部门相关系统的网络连接。

（5）应用支撑主要是利用全市物联网应用支撑平台提供的提供编码赋码、信息目录、空间管理、认证授权等基础服务，实现物联信息资源的共享交换，结合本地地理信息引擎实现空间地理应用。

（6）数据资源是指通过数据的汇聚和共享交换形成的许可基本信息、流向信息、物联监控信息、预警预报信息和视频图像信息等数据资源的存储和访问。

图1 系统总体架构

（7）系统功能提供基本信息查询、流向信息管理、实时数据显示、历史数据回放、报警信息处理、图像信息管理、空间地理分析、数据关联分析和数据统计分析等基础功能。

（8）综合管理层提供系统直接的业务应用，包括烟花爆竹流向管理、烟花爆竹物联网监控、烟花爆竹移动执法和图像信息共享管理等，并且通过接口、页面整合等方式提供给市应急办等与本项目相关的委办局应用。

1.3 RFID技术及工作原理

RFID技术是一种非接触式自动识别技术，其通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。它能识别相距几厘米到几十米范围内的物体，而且可以批量读取、能识别静止和运动状态下的物体[9]。RFID是一项易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性的应用技术，识别工作无需人工干预，支持只读工作模式和读/写工作模式，且无需接触或瞄准；可自由工作在各种恶劣环境下。RFID具备读取方便快捷、识别速度快、穿透性和无障碍阅读、数据容量大、使用寿命长、动态实时更新、安全性高、小型多样化等多种优势，这些独特优越性是其他识别技术无法比拟的。

最基本的RFID系统由电子标签、阅读器和天线三部分组成[10]。RFID系统在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中保存有约定格式的电子数据。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息，被读取器读取并解码后送至电脑主机进行相关处理。射频识别可以用来跟踪和管理几乎所有物理对象，因此可广泛应用于各行各业，典型应用包括供应链与物流管理、邮件和包裹处理、身份识别、防伪、门禁和防盗系统、物身份标识、空间定位与跟踪等。

1.4 RFID标签信息编码规则

RFID标签信息共96位，分为7个码段，具体编码规则见表1所列。

表1 RFID标签信息编码规则表

2 系统软件设计方案

烟花爆竹流向监管系统由3个子系统组成，分别为烟花爆竹流向监管系统、烟花爆竹物联网监控系统和移动执法系统。

2.1 烟花爆竹流向监管系统

烟花爆竹流向监管系统通过电子标签识读器对烟花爆竹的品种、含药量、级别以及出入库时间信息进行读取、录入，实现了对批发单位仓库烟花爆竹期初库存数、入库数、出库数、返库数等流向数据的实时监管。系统功能如下：能够实时掌握批发单位仓库中的烟花爆竹库存数，监管批发单位是否超量储存；能够通过批发企业的出库信息和批发单位与零售单位的配送关系，随时掌握批发单位给每个销售网点的配送信息；能够查询零售单位每批进货量，累计进货量等信息。系统实现了批发仓库存量预警机制，能够通过短信将有关预警信息发给相关的人员。烟花爆竹流向监管系统如图2所示。

图2 烟花爆竹流向监管系统

2.2 烟花爆竹物联网监控系统

烟花爆竹物联网监控系统分为市区两级系统：批发单位仓库温湿度监控数据、周界报警数据和视频监控数据通过数据接口直接发送到市局系统；零售单位视频监控数据通过数据接口发送到区系统。市区两级平台通过数据共享和交换分别存储到实时和历史数据库中。烟花爆竹物联网监控系统如图3所示。

图3 烟花爆竹物联网监控系统

系统依托地理信息系统的空间信息技术，实现了监控数据的可视化，有效地跟踪流向数据和温湿度传感数据及视频数据，通过地理信息系统直观的表现方式，能够快速定位预警和报警信息，为事故应急处理提供有利支持。通过仓库温湿度、周界报警等物联网监控，进一步提高了技防水平，有效保障了烟花爆竹的存储安全。通过视频监控有效保障了零售网点安全。

2.3 移动执法系统

移动执法系统是在移动PC上部署的单机执法检查系统，实现对烟花爆竹的核查功能，支持执法人员手工输入或与执法终端对接自动获取烟花爆竹的RFID码，查询烟花爆竹相关品名、类型、批发单位、零售单位等信息，方便执法人员进行核查，辅助现场执法。系统能够实现与流向监管系统的数据同步，保持流向数据的及时更新。移动执法系统如图4所示。

图4 移动执法系统

3 系统硬件设计方案

系统硬件设计主要包括RFID扫描终端设计和RFID天线门设计。

批发单位采用手持RFID扫描终端、RFID天线门组合方式进行烟花爆竹出入库管理。其中，RFID天线门主要实现烟花爆竹批量扫描作业，提高出入库作业效率；手持RFID扫描主要是对没有通过批量扫描的烟花爆竹进行补扫以及库房的盘库操作。

3.1 RFID扫描终端

扫描终端主要指标如下：

（1）符合标准：ISO14443A/B、ISO15693、ISO18000-6C、6B；

（2）设备工作频率：可兼容UHF 频率920～925 MHz、HF 频率 13.56 MHz ；

（3）显示屏：竖屏，至少达到3.2"，240×320，达到256K真彩、半穿透半反射型TFT LCD（室外太阳光下可读）背光可调；

（4）系统闪存：至少满足128 MB DDR SDRAM、256 MB NANDFLASH；

（5）键盘：标准键盘，左右手皆可操作的人体工程学设计，可单手操作；

（6）天线：HF内置天线、UHF圆极化3 dBi天线；

（7）电源接口：主电池满足3.7 V/4 000 mA·h锂聚合物电池，扩展手柄电池需满足3.7 V/4 000 mA·h锂电池；

（8）无线通信：支持WiFi无线通信、蓝牙通信2.0（标准配置）、红外通信（标准配置）、GPRS/CDMA（可选配件，内置）、GPS定位功能（可选配件，内置）；

（9）数据接口：支持10M/100M LAN接口、USB 2.0接口（支持USB OTG）、RS 232接口（可选）；

（10）外部接口：支持1个耳麦插孔、1个DC_IN插孔及DC_IN+5 V电源输入接口；

（11）扩展槽口：需包括1个SD/MMC卡插槽、1个SAM卡插槽、1个IC卡插槽；

（12）操作温度：-20～55 ℃；

（13）存储温度：-25～60 ℃；

（14）防护等级达到IP66；

（15）相对湿度：5%RH～95%RH。

3.2 RFID天线门

RFID天线门主要指标如下：

（1）符合EPC Class 1 Gen 2（ISO 18000-6C），标签缓存大于200个标签，标签识读率大于190标签/s，标签识读距离大于6 m；

（2）4个RF天线；

（3）天线门一对，含两个门，高至少1.8 m；

（4）识读器处理器最低配置：Intel IXP420（266 MHz）；

（5）内存至少满足64 MB SDRAM/64 MB FLASH；

（6）工作频率为865～956 MHz；

（7）天线支持4高性能反向TNC连接器天线端口；

（8）射频功率至少为30 dBm；

（9）网络需支持10/100 Base-T Ethernet（RJ 45），串口为 RS 232（DB9）；

（10）网络服务；

（11）工作温度为-20～55 ℃；

（12）存储温度为-20～85 ℃；

（13）湿度为5%RH～95%RH（non-condensing）；

（14）防护等级达到IP54；

（15）符合中国地区频率使用要求，且有国家主管部门的认证。

4 系统应用

本文系统实现了对烟花爆竹批发单位仓库、零售网点的全面监控，以及对烟花爆竹流向的全过程、实时监管，圆满完成每年春节期间烟花爆竹综合管理的技术保障任务。通过本项目的实施，全面提升烟花爆竹相关企业的管理水平，在落实企业安全生产监管主体责任的同时，大幅提升政府监管和应急处置能力。

（1）批发单位。运用物联网技术实现了企业流向管理的现代化，提高了出入库效率，通过物联网监控，提高了存储仓库的安防能力，主要表现在两方面：一是电子标签提高了烟花爆竹出入库效率，使配送更加智能化，流向数据统计及时准确；二是仓库网联网监控进一步提高了技防水平，有效保障了烟花爆竹的存储安全。

（2）零售网点。通过视频监控有效保障了网点安全。春节期间，烟花爆竹零售网点未发生销售非法烟花爆竹的情况；也没有发生零售网点不安全情况；同时还协助公安部分查获了盗窃等刑事案件。

（3）政府监管。物联网技术的应用促进了烟花爆竹安全生产监管向及时、远程和精细化方向发展，有效遏制了非法烟花爆竹的生产、运输、销售和燃放，保障春节期间城市安全运行，主要表现在三方面：一是通过对接企业流向系统，有效遏制烟花爆竹超量存储和超量配送，春节期间系统发出了多次存量预警，通过短信及时提醒有关企业负责人；二是运用移动执法系统，在春节期间开展了多场次的执法检查；三是开展了视频图像远程监管，结合举报投诉，有效防止了烟花爆竹的非法销售。

（4）城市运行和应急管理。本系统结合示范工程的燃放期间噪声分析、空气质量监测、燃放指数预报、城市高点视频监控等信息，支撑相关信息在市应急办展开延伸综合应用，有效提高了公安消防、城管执法、医疗卫生和环境整治等综合保障力量的部署与调度水平，并为相关监管部门开展春节期间烟花爆竹管理及科学决策提供支撑。