光纜交接箱集中監(jiān)控與管理系統(tǒng)

沈良恒+劉建明

摘要：針對(duì)當(dāng)前室外光纜交接箱缺乏有效監(jiān)管手段的現(xiàn)實(shí)情況，設(shè)計(jì)開發(fā)一套由無線傳輸單元、電子門禁單元和監(jiān)控中心監(jiān)管后臺(tái)組成的集中式監(jiān)控與管理系統(tǒng)。綜合運(yùn)用單片機(jī)結(jié)合無線CPU技術(shù)、通信電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，為在室外無源環(huán)境且不額外占用有線鏈路通道的情況下，對(duì)光纜交接箱進(jìn)行信息化遠(yuǎn)程綜合管理提供了有效的解決方案。

關(guān)鍵詞：光纜交接箱；無源環(huán)境；遠(yuǎn)程管理；STC單片機(jī)；無線CPU

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）33-0230-04

近年來，隨著信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，光纜交接箱設(shè)備的總?cè)萘亢团_(tái)套數(shù)大量增加，然而被盜和遭破壞的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，維護(hù)人員巡檢和維護(hù)也常無記錄可查，同時(shí)通信運(yùn)營(yíng)商出于對(duì)其服務(wù)質(zhì)量提升的要求，配線分線設(shè)備的維護(hù)將趨向無人值守、遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控和集中管理。目前光纜交接箱的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與管理缺少有效手段，而如采用有線聯(lián)網(wǎng)方式則要么需要占用交接箱內(nèi)的光纖鏈路，其缺點(diǎn)是浪費(fèi)了寶貴的光纖資源；要么通過RJ45接口利用TCP/IP協(xié)議聯(lián)網(wǎng)，或者電話線MODEN撥號(hào)聯(lián)網(wǎng)，其缺點(diǎn)是需要另外布設(shè)其他有線鏈路，施工不方便。而基于無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、ZigBee等的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于傳輸距離往往最遠(yuǎn)只有幾百米，并且信號(hào)容易受阻擋衰減，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離下的集中監(jiān)控。對(duì)于光纜交接箱監(jiān)控管理系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝單元，無論是有線還是短距離無線聯(lián)網(wǎng)，安裝時(shí)一般都需要就近取電，但是安裝在室外的光交箱是處于無源環(huán)境。在無外接電源提供的環(huán)境下要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離不受地理位置限制的對(duì)光纜交接箱做信息化集中監(jiān)控管理，這樣的產(chǎn)品目前仍是技術(shù)空白。通信運(yùn)營(yíng)商在室外設(shè)備管理方面對(duì)這樣的遠(yuǎn)程無線光交箱監(jiān)管系統(tǒng)有著迫切的市場(chǎng)需求。

1 總體設(shè)計(jì)

光纜交接箱集中監(jiān)控管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由兩個(gè)無線傳輸單元、一個(gè)電子門禁單元和一套監(jiān)控中心監(jiān)管后臺(tái)組成。兩個(gè)無線傳輸單元中的其中一個(gè)，即發(fā)射端無線傳輸單元安裝在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)處，另一個(gè)接收端無線傳輸單元放置在監(jiān)控中心處和計(jì)算機(jī)相連。

無線傳輸單元主要由主控制器、以及與主控制器相連的無線CPU模塊、供電模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和電壓檢測(cè)模塊組成。無線CPU模塊為帶有移動(dòng)通信SIM卡座的2G、3G或4G通信模塊，供電電路帶有低自放電電池組。電子門禁單元包括電子鑰匙、門禁控制電路和電子鎖頭。電子鑰匙由維護(hù)人員攜帶；門禁控制電路與發(fā)射端無線傳輸單元及電子鎖頭相連，使用門磁作為報(bào)警觸發(fā)開關(guān)；電子鎖頭安裝在光纜交接箱的箱門上，并設(shè)有可插入電子鑰匙的接口。接收端無線傳輸單元與監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)相連接。此外，為了對(duì)電子鑰匙中的門禁密碼的權(quán)限進(jìn)行分配和保存的開門記錄數(shù)據(jù)的讀取，監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上配有供電子鑰匙與監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的適配器。

2 無線傳輸單元和電子門禁單元設(shè)計(jì)

2.1 無線傳輸單元

2.1.1 主控制器

采用低電壓低功耗的微控制器STC11L04E單片機(jī)設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)，包括上電復(fù)位電路，晶體振蕩電路和供電電路。此型單片機(jī)的低電壓版供電范圍是3.6～2.4/2.1V，其中可選擇兩檔復(fù)位電壓，即2.4V或2.1V，適合電池環(huán)境下使用。設(shè)計(jì)時(shí)在電源腳串聯(lián)一磁珠和接一小電容到地以濾除電路噪聲使單片機(jī)工作更加穩(wěn)定可靠。

主控制器負(fù)責(zé)控制和調(diào)度無線CPU模塊Q2403A，供電模塊GS3406，實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊DS1302，電壓檢測(cè)模塊BD4928及UART通信接口。在具體開發(fā)中涉及移動(dòng)通信技術(shù)，AT指令系統(tǒng)和微控制器的中斷系統(tǒng)，定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串口通信、I2C通信、低功耗模、軟件消抖技術(shù)等。特別是開啟了多個(gè)中斷源，包括外部中斷0，定時(shí)器0中斷，外部中斷1和串口中斷，其控制邏輯流程圖如圖2所示。

2.1.2 無線CPU模塊

采用Wavecom公司低成本的工業(yè)級(jí)Q2403A無線CPU，使用60針腳的板對(duì)板插座封裝接口，因?yàn)槭褂肁T指令開發(fā)所以保留一對(duì)指令通信用的串口而其他絕大多數(shù)引腳在此項(xiàng)目中不使用。Q2403A無線CPU模組同時(shí)有管理SIM卡的功能，具備雙頻GSM/GPRS短信數(shù)據(jù)EGSM900/1800MHz或EGSM900/1900MHzWISMO2D GSM/GPRS，體積小且耗電量低。其RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道，在此直接使用TTL電平，主通道串行接口UART1用于連接Q2403A與STC11L04E單片機(jī)。UART1是一個(gè)九線接口（TX、RX、CTS、RTS、DSR、DTR、DCD、RI和GND），接口電壓為2.8V，遵循V24規(guī)范。

根據(jù)現(xiàn)階段實(shí)際使用需求，發(fā)射端無線傳輸單元向監(jiān)控中心發(fā)送三種短信息內(nèi)容：

（1）現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后，發(fā)送“安裝成功”指示短信；

（2）電池組電量不足，自動(dòng)發(fā)送“更換電池”指示短信；

（3）異常打開光纜交接箱門，即沒有插入正確的電子鑰匙就打開箱門，發(fā)送“異常開門”指示短信。

2.1.3 輔助功能模塊

供電模塊為整個(gè)無線傳輸單元的供電電路，電源使用電池組。其中電池組不經(jīng)過升壓電路直接給主控制器供電；無線CPU模塊的供電則是通過以GS3406升壓DC-DC芯片為核心的升壓電路。無線傳輸單元中使用兩節(jié)1.5V電池串聯(lián)通過GS3406升壓后給Q2403A提供4.5V的電壓，因?yàn)镼2403A的供電電壓設(shè)置在4.2V左右比較穩(wěn)定（實(shí)際范圍可在3.4V-4.7V）。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊使用的時(shí)鐘芯片DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片，內(nèi)含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31 字節(jié)靜態(tài)RAM，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)調(diào)整。通過修改函數(shù)“unsigned char time[]={0x11，0x05，0x08，0x07，0x16，0x17，0x00}”設(shè)定年、月、日、星期、時(shí)、分、秒初始值，再用功能函數(shù)“initial_ds1302”完成初始時(shí)間值寫入DS1302相應(yīng)寄存器。DS1302 與單片機(jī)之間能簡(jiǎn)單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅需用到三個(gè)口線：RES 復(fù)位， I/O 數(shù)據(jù)線，SCLK串行時(shí)鐘。當(dāng)電子鑰匙插入時(shí)所寫入的時(shí)間戳信息就來自于此。

電壓檢測(cè)模塊采用獨(dú)立低功耗超小封裝的電壓檢測(cè)芯片BD4928設(shè)計(jì)。因?yàn)镾TC11L04E微控制器內(nèi)部沒有集成比較器，所以無法使用單片機(jī)內(nèi)部資源來構(gòu)成電壓檢測(cè)電路。在測(cè)試評(píng)估中做了從2.2V～3.0V的電壓變化測(cè)試，為保障無線傳輸單元正常工作則電池欠壓告警門限設(shè)定在2.8V為最合適。

2.2 電子門禁單元

2.2.1 電子鑰匙

考慮小巧便攜做成類似U盤的形式，接口使用USB公頭接口，內(nèi)部包含一顆EEPROM存儲(chǔ)器。由于USB接口可以看成總共5個(gè)引腳（外殼的屏蔽地也算一個(gè)引腳）的端子，其中一對(duì)用于電源供電環(huán)路，一個(gè)引腳用于插入鑰匙時(shí)中斷觸發(fā)STC11L04E的中斷腳，剩下兩根引腳用于I2C數(shù)據(jù)交換。市面上雙線通信的I2C總線EEPROM存儲(chǔ)器芯片已經(jīng)做到最大512Kbit容量，如24C512芯片且低壓版型號(hào)電壓范圍是1.7V～3.6V適合無線傳輸單元內(nèi)電池組提供的電壓。電子鑰匙在插入電子鎖頭的瞬間一方面用于比對(duì)開門密碼，另一方面主控制器也把當(dāng)時(shí)的時(shí)間和站點(diǎn)ID等信息寫回電子鑰匙存儲(chǔ)下來，作為維護(hù)人員的巡檢考勤數(shù)據(jù)。表1給出了STC11L04E對(duì)24C512操作用到的函數(shù)。

STC11L04E微控制器通過以下寫與讀I2C總線函數(shù)對(duì)24C512相應(yīng)存儲(chǔ)地址進(jìn)行操作。值得注意的是無論讀寫操作地址都發(fā)送了兩次，即把高8位和低8位分別發(fā)出。這是由于24C512容量是512Bit僅僅一個(gè)8位地址已不夠?qū)ぶ贰?/p>

2.2.2 門禁控制電路和電子鎖頭

門禁控制電路主要使用一對(duì)門磁開關(guān)，只有在電子鎖頭讀取電子鑰匙中的密碼并匹配正確時(shí)，才會(huì)解除門磁告警而允許開門，否則將觸發(fā)“異常開門”指示短信。光交箱的電子鎖頭包含電插鎖，對(duì)外接口采用防水防塵防曬設(shè)計(jì)，作為電子鑰匙的插入接口。

3 監(jiān)控中心監(jiān)管后臺(tái)設(shè)計(jì)

位于監(jiān)控中心的監(jiān)控管理后臺(tái)是一組基于C/S架構(gòu)安裝有管理客戶端軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算機(jī)，可通過適配器與電子鑰匙進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、權(quán)限分配和密碼口令修改等操作。操作人員登錄監(jiān)控管理后臺(tái)便可管理所有的光纜交接箱數(shù)據(jù)及電子鑰匙的權(quán)限分級(jí)設(shè)置與配發(fā)操作。監(jiān)控管理后臺(tái)提供完整的交接箱屬性數(shù)據(jù)管理功能，包括站點(diǎn)編號(hào)、所屬地理位置、交接箱總?cè)萘亢鸵颜加萌萘?、?dāng)前及歷史記錄查詢等，同時(shí)還提供電子鑰匙使用權(quán)限人員數(shù)據(jù)庫(kù)，建立有巡檢人員完整檔案，能夠分析記錄的數(shù)據(jù)并形成管理報(bào)表，如光交箱設(shè)施某一時(shí)期的狀態(tài)報(bào)表、電子鑰匙使用情況報(bào)表等。

監(jiān)控管理后臺(tái)的圖形化人機(jī)界面具備以下可操作的功能窗體：

1） “站點(diǎn)設(shè)置”功能界面，設(shè)置相應(yīng)的站點(diǎn)ID，并且可對(duì)站點(diǎn)ID進(jìn)行添加、修改和刪除操作。站點(diǎn)ID池最大容量為65535個(gè)站點(diǎn)。

2） “人員設(shè)置”功能界面，設(shè)置相應(yīng)的人員ID和編輯個(gè)人信息，并且可對(duì)人員ID進(jìn)行添加、修改和刪除操作。人員ID池最大容量為255個(gè)名額。

3） “數(shù)據(jù)下載”功能界面，使用計(jì)算機(jī)的USB接口通過適配線掛載電子鑰匙查看其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。下載操作可以把鑰匙里的數(shù)據(jù)保存于本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，也可初始化電子鑰匙。

4） “鑰匙分配”功能界面，用于給電子鑰匙分配權(quán)限，進(jìn)行虛擬鑰匙的分派?？蓪?duì)電子鑰匙進(jìn)行添加和刪除操作，也可以編輯對(duì)應(yīng)的描述和備注信息。

5） “查詢報(bào)表”功能界面，用于把數(shù)據(jù)庫(kù)中的報(bào)表導(dǎo)出生成Excel文件，并可以直接打印。

6） 添加和修改系統(tǒng)后臺(tái)的登錄用戶名及密碼功能。

監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)內(nèi)的管理客戶端軟件是通過適配線與電子鑰匙進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，權(quán)限分配和加密口令修改等操作。適配線主要使用了USB轉(zhuǎn)串口芯片F(xiàn)T232RL芯片并配合協(xié)議轉(zhuǎn)換器件讀寫電子鑰匙中的EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)。FT232RL芯片對(duì)操作系統(tǒng)兼容性好，尤其在Windows操作系統(tǒng)下的串口應(yīng)用程序完全兼容。在計(jì)算機(jī)端把連接的USB轉(zhuǎn)串口芯片識(shí)別為串口設(shè)備，開發(fā)人員采用串口協(xié)議編寫主機(jī)端處理程序；在設(shè)備端，連接的USB轉(zhuǎn)串口芯片作為UART設(shè)備，開發(fā)人員采用UART協(xié)議編寫終端控制程序。這樣帶來的優(yōu)點(diǎn)是在硬件上，擁有了USB的優(yōu)點(diǎn)，即現(xiàn)在很多設(shè)備都沒有串口，只有USB接口才能適用；在軟件上，開發(fā)人員編寫的是UART協(xié)議，避開了USB協(xié)議的復(fù)雜性。

4 結(jié)語

光纜交接箱集中監(jiān)控管理系統(tǒng)的實(shí)施可有效解決無源環(huán)境下光纜交接箱的監(jiān)控和管理問題。光交箱的遠(yuǎn)距離監(jiān)控不需要額外占用和部署有線鏈路通道，只要無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)能到達(dá)的地方都能方便組網(wǎng)。實(shí)施集中監(jiān)管后帶來運(yùn)維的高效率和高可靠性，不僅可對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)管，也可對(duì)巡檢維護(hù)人員進(jìn)行量化考核，充分提高了現(xiàn)代信息化科學(xué)管理水平。另外，本系統(tǒng)可以推廣到其他類似業(yè)務(wù)邏輯場(chǎng)景下的室外設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣維. 基于STC15系列增強(qiáng)型單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2014.

[2] 陸玲. 嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[M]. 北京： 北京航天航空大學(xué)出版社， 2008.

[3] 何立民. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編[M]. 北京： 北京航天航空大學(xué)出版社， 2006.

[4] 洪利. 無線CPU與移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)[M]. 北京： 北京航天航空大學(xué)出版社， 2008.

[5] 杜耀宗. Q2406無線CPU嵌入式開發(fā)技術(shù)[M]. 北京： 北京航天航空大學(xué)出版社， 2006.

[6] 黃維通. Visual C++案例教程[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2011.

[7] 陳凱， 秦實(shí)宏， 王敏， 等. 基于GSM模塊TC35I的收發(fā)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 33（1）.

[8] 周皓， 陳榮， 張文峰. 基于GSM模塊發(fā)送中英文短消息的設(shè)計(jì)[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2014（33）.