基于NB-IoT的光交箱管理系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)

張坤鰲，郭澤梅

(西安科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

現(xiàn)如今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在通信行業(yè)應(yīng)用得越來(lái)越多，運(yùn)營(yíng)商在國(guó)內(nèi)建造了大規(guī)模的光交箱、基站等基礎(chǔ)設(shè)施，因此導(dǎo)致全國(guó)范圍內(nèi)的光交箱分布過(guò)于廣泛且數(shù)量龐大，使得在光交箱管理方面出現(xiàn)很多問(wèn)題[1]。例如，由于箱體數(shù)量的不斷增多，導(dǎo)致在鑰匙分配和箱體狀態(tài)的管理上出現(xiàn)很大問(wèn)題；光交箱出現(xiàn)故障時(shí)不能及時(shí)地進(jìn)行維護(hù)，即對(duì)光交箱的監(jiān)控沒(méi)有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性[2]；管理和維護(hù)光交箱的人員流動(dòng)性太大，普通的人員登記表也容易丟失，導(dǎo)致在人員管理方面比較困難；對(duì)光交箱進(jìn)行施工之后，箱體信息不能進(jìn)行及時(shí)更新，導(dǎo)致許多數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；偏遠(yuǎn)地區(qū)的光纜被盜現(xiàn)象非常嚴(yán)重，無(wú)法做到及時(shí)告警[3]。隨著無(wú)線通信與遠(yuǎn)程技術(shù)的發(fā)展， 國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)基于Zigbee和GPRS等技術(shù)的光交箱管理系統(tǒng)或類似管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[4-8]。但是，和NB-IoT技術(shù)對(duì)比，Zigbee的傳輸距離短，易受干擾，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。另外，NB-IoT技術(shù)比GPRS技術(shù)的最大鏈路預(yù)算提高了20 dB，相當(dāng)于覆蓋強(qiáng)度[9]增大了100倍[10]。更重要的是，NB-IoT通信模塊成本很小，非常適合大范圍的使用[11]。

為此，文中設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT的光交箱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)易于操作、靈活方便、運(yùn)行穩(wěn)定、成本較低，能夠做到對(duì)光交箱實(shí)時(shí)監(jiān)控的智能化管理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊是由光交箱中的智能鎖具完成。智能鎖具中包含了STM32主控芯片、電子行程開(kāi)關(guān)、溫度傳感器和濕度傳感器，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集與封裝。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊是由智能鎖具中的NB-IoT通信模塊、NB-IoT基站以及IoT平臺(tái)三部分實(shí)現(xiàn)，完成對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送以及數(shù)據(jù)的編解碼。數(shù)據(jù)接收模塊是由云端服務(wù)器和終端顯示設(shè)備完成，實(shí)現(xiàn)對(duì)光交箱信息的實(shí)時(shí)顯示[12]以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的工作原理如下：首先，智能鎖具中的電子行程開(kāi)關(guān)、溫度傳感器和濕度傳感器將分別采集到的門鎖狀態(tài)、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度數(shù)據(jù)傳送給STM32主控芯片，主控芯片將采集到的信息封裝成NB-IoT通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)所需的十六進(jìn)制格式。NB-IoT基站將數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT平臺(tái)，IoT平臺(tái)將數(shù)據(jù)解碼后提供給云端服務(wù)器。Web網(wǎng)頁(yè)和手機(jī)端通過(guò)查詢的方式將數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示在界面上。其次，遠(yuǎn)程用戶通過(guò)Web網(wǎng)頁(yè)發(fā)送的控制命令，經(jīng)IoT平臺(tái)編碼后傳送至NB-IoT通信模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)STM32主控芯片的遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 智能鎖具的硬件設(shè)計(jì)

智能鎖具由STM32F103VCT6主控芯片、數(shù)據(jù)采集模塊、電子行程開(kāi)關(guān)、NB-IoT通信模塊以及電源模塊組成。溫度傳感器選用DS18B20，其溫度測(cè)量范圍[13]為-55～+125 ℃，另外在-10～+85 ℃之間，測(cè)量精度為±0.5 ℃。DS18B20的特點(diǎn)是采用單總線的接口方式，使得僅需一根I/O口便可實(shí)現(xiàn)與主控芯片的雙向通訊[14]。濕度傳感器采用STH15，其能適配各種單片機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)。電子行程開(kāi)關(guān)選用LX19-001，其為直動(dòng)式行程開(kāi)關(guān)，可將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，用來(lái)控制機(jī)械動(dòng)作、變換機(jī)械運(yùn)動(dòng)方向等。NB-IoT通信模塊采用BC95-B5模組，其優(yōu)點(diǎn)是超低功耗、高靈敏度以及超強(qiáng)覆蓋。電源模塊采用鋰電池供電，為可充電式電池。智能鎖具的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控芯片通過(guò)I/O口與DS18B20連接，通過(guò)I2C接口與STH15通信，通過(guò)LX19-001開(kāi)關(guān)的常閉觸點(diǎn)與其連接，并將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝后通過(guò)串口發(fā)送到BC95-B5通信模塊。

圖2 智能鎖具硬件組成結(jié)構(gòu)示意

2.2 NB-IoT通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)NB-IoT通信模塊采用BC95-B5模組，該模組體積小，支持頻段[10]為850 MHz，工作溫度為 -40～+85 ℃。

NB-IoT是IoT領(lǐng)域的一個(gè)新興技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接[15]。NB-IoT具備四大特點(diǎn)：功耗方面，NB-IoT采用簡(jiǎn)化的協(xié)議，更適合的設(shè)計(jì)，大幅提升了終端的待機(jī)時(shí)間；信號(hào)覆蓋方面，NB-IoT有更好的覆蓋能力(20 dB增益)，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力[10]；連接數(shù)量方面，NB-IoT一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接；價(jià)格方面，NB-IoT模塊的成本很低，有利于大批量的使用。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)包括NB-IoT模組、NB-IoT基站、NB-IoT分組核心網(wǎng)、IoT平臺(tái)和應(yīng)用平臺(tái)[16]。數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程為：NB-IoT模組將數(shù)據(jù)發(fā)送至NB-IoT基站，基站將數(shù)據(jù)傳輸至NB-IoT分組核心網(wǎng)，經(jīng)過(guò)NB-IoT分組核心網(wǎng)數(shù)據(jù)被傳至IoT平臺(tái)，隨后IoT平臺(tái)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行處理。同理，數(shù)據(jù)從應(yīng)用平臺(tái)的下發(fā)直到NB-IoT模組的接收也是在這個(gè)過(guò)程中傳輸。NB-IoT模組與應(yīng)用平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互過(guò)程如圖3所示。

圖3 NB-IoT模組與應(yīng)用平臺(tái)數(shù)據(jù)交互過(guò)程

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)有底層模塊軟件設(shè)計(jì)、通信模塊軟件設(shè)計(jì)、管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和小程序端設(shè)計(jì)，其中關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)有底層模塊軟件設(shè)計(jì)、通信模塊軟件設(shè)計(jì)和管理系統(tǒng)中的報(bào)警模塊軟件設(shè)計(jì)。下面將詳細(xì)說(shuō)明這些關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)。

3.1 底層模塊軟件設(shè)計(jì)

底層模塊主要功能是：在設(shè)備入網(wǎng)成功的前提下，LX19-001、DS18B20和STH15分別定時(shí)采集門鎖狀態(tài)、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度數(shù)據(jù)，并通過(guò)主控芯片將每次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和濾波處理；之后通過(guò)NB-IoT模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至IoT平臺(tái)。主程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示?？梢钥闯?，首先對(duì)LX19-001、DS18B20和STH15進(jìn)行初始化操作，然后設(shè)備嘗試入網(wǎng)，入網(wǎng)成功后，LX19-001采集門鎖狀態(tài)、DS18B20采集環(huán)境溫度、STH15采集環(huán)境濕度，之后由NB-IoT模塊把被MCU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和濾波處理過(guò)的數(shù)據(jù)發(fā)送到IoT平臺(tái)。數(shù)據(jù)發(fā)送完成之后，設(shè)備進(jìn)入睡眠等待狀態(tài)，等待下一次被喚醒之后，繼續(xù)循環(huán)以上操作。

圖4 主程序設(shè)計(jì)流程

3.2 通信模塊軟件設(shè)計(jì)

通信模塊設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：一是南向NB-IoT設(shè)備與IoT平臺(tái)之間的通信，二是IoT平臺(tái)與北向應(yīng)用即終端顯示設(shè)備之間的通信。

NB-IoT設(shè)備與IoT平臺(tái)間的通信需要經(jīng)過(guò)設(shè)備注冊(cè)、設(shè)備配置以及命令響應(yīng)三個(gè)步驟。其中設(shè)備注冊(cè)的過(guò)程比較復(fù)雜，又分為profile開(kāi)發(fā)和插件開(kāi)發(fā)。profile開(kāi)發(fā)是指編寫(xiě)一個(gè)設(shè)備是什么、能干什么以及如何控制設(shè)備的文件，使用Microsoft Visual Studio 2008編寫(xiě)，文件內(nèi)容要符合JSON數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式。開(kāi)發(fā)插件是為了將NB-IoT設(shè)備發(fā)送到IoT平臺(tái)的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)解碼為JSON格式數(shù)據(jù)。設(shè)備配置是指通過(guò)AT命令實(shí)現(xiàn)NB-IoT設(shè)備與IoT平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互，所需要的AT命令如表1所示。命令響應(yīng)是指NB-IoT設(shè)備對(duì)IoT平臺(tái)向其下發(fā)訂閱信息或命令時(shí)的回應(yīng)動(dòng)作。

表1 AT命令

IoT平臺(tái)與北向應(yīng)用之間的通信分為創(chuàng)建設(shè)備、設(shè)備訂閱、命令下發(fā)和命令響應(yīng)四個(gè)步驟。創(chuàng)建設(shè)備是指北向應(yīng)用在IoT平臺(tái)創(chuàng)建NB-IoT設(shè)備，等待設(shè)備注冊(cè)成功后，則可以通過(guò)IoT平臺(tái)管理設(shè)備。設(shè)備訂閱是指北向應(yīng)用通過(guò)API接口向IoT平臺(tái)發(fā)送訂閱信息，以此得到需要的數(shù)據(jù)。命令下發(fā)是指北向應(yīng)用將JSON格式命令發(fā)送到IoT平臺(tái)，經(jīng)IoT平臺(tái)編碼后再轉(zhuǎn)發(fā)給NB-IoT設(shè)備。命令響應(yīng)是指IoT平臺(tái)將NB-IoT設(shè)備響應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)解碼成JSON格式數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)給北向應(yīng)用。

NB-IoT設(shè)備與北向應(yīng)用分別通過(guò)與IoT平臺(tái)之間的通信實(shí)現(xiàn)了北向應(yīng)用對(duì)NB-IoT設(shè)備的管理，整體通信過(guò)程如圖5所示。

3.3 報(bào)警模塊軟件設(shè)計(jì)

報(bào)警分為機(jī)械故障報(bào)警和非法開(kāi)鎖報(bào)警兩種模式。當(dāng)環(huán)境溫度值和濕度值不屬于系統(tǒng)設(shè)定閾值的范圍，則啟動(dòng)機(jī)械故障報(bào)警模式。當(dāng)箱體在關(guān)閉狀態(tài)下被暴力開(kāi)鎖時(shí)，則啟動(dòng)非法開(kāi)鎖報(bào)警模式。

圖5 NB-IoT設(shè)備、IoT平臺(tái)和北向應(yīng)用整體通信過(guò)程

實(shí)現(xiàn)報(bào)警的過(guò)程如下：用戶通過(guò)小程序掃描箱體IMEI碼(箱體的唯一識(shí)別碼)，將箱體信息顯示在管理系統(tǒng)界面上，管理系統(tǒng)通過(guò)查詢服務(wù)器實(shí)時(shí)更新箱體狀態(tài)，并由此判斷是否存在故障。(1)當(dāng)環(huán)境溫度值和濕度值大于設(shè)定閾值時(shí)，則表明出現(xiàn)機(jī)械故障。此時(shí)，系統(tǒng)界面會(huì)彈出包含箱體編號(hào)和故障原因的機(jī)械故障告警框，同時(shí)在監(jiān)控地圖中的箱體標(biāo)注會(huì)變成黃色，以便施工人員分辨并及時(shí)找出箱體詳細(xì)位置；(2)當(dāng)箱門狀態(tài)為開(kāi)，施工狀態(tài)為關(guān)時(shí)，則表明出現(xiàn)非法開(kāi)鎖報(bào)警。此時(shí)，系統(tǒng)界面會(huì)彈出包含箱體編號(hào)和故障原因的非法開(kāi)鎖告警框，同時(shí)在監(jiān)控地圖中的箱體標(biāo)注會(huì)變成紅色，以便施工人員迅速找出箱體詳細(xì)位置。

兩種報(bào)警模式的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)過(guò)程：定時(shí)器管理器每隔五秒刷新一次數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的光交箱狀態(tài)表，程序循環(huán)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的狀態(tài)表數(shù)據(jù)，并將讀取到的狀態(tài)數(shù)據(jù)一一進(jìn)行判斷，最后根據(jù)判斷結(jié)果在系統(tǒng)界面彈出相應(yīng)告警框。檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

告警提示模塊實(shí)現(xiàn)過(guò)程：系統(tǒng)首先獲取故障信息表中未處理的故障數(shù)據(jù)，之后利用JavaScript將AJAX獲取到的后臺(tái)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載至網(wǎng)頁(yè)中。告警提示模塊設(shè)計(jì)流程如圖7所示。獲取故障數(shù)據(jù)的偽代碼如下：

int max=7; //最多顯示7條記錄

for(Breakhistory breakhistory:breakhistorylist)

{

max--;

if(max<0)

{

break;

}

stringBuffer.append("

}

圖6 檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)流程

圖7 告警提示模塊設(shè)計(jì)流程

地圖模塊實(shí)現(xiàn)過(guò)程：JavaScript通過(guò)SQL語(yǔ)句與數(shù)據(jù)庫(kù)中的光交箱狀態(tài)表進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并對(duì)狀態(tài)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，同時(shí)根據(jù)判斷條件將最終結(jié)果顯示在監(jiān)控地圖中。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試分為開(kāi)鎖測(cè)試和報(bào)警測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下：(1)系統(tǒng)硬件設(shè)備上電后，特定用戶在小程序掃描箱體IMEI碼后，管理系統(tǒng)界面彈出開(kāi)鎖請(qǐng)求，待審核通過(guò)后，箱門在5 s內(nèi)打開(kāi)，大大簡(jiǎn)化了開(kāi)鎖流程，提高了工作效率；(2)箱體為關(guān)閉狀態(tài)，箱體溫度為60 ℃，管理系統(tǒng)界面1 min內(nèi)彈出機(jī)械故障告警框，同時(shí)監(jiān)控地圖中的標(biāo)注顏色變?yōu)辄S色；(3)箱體為關(guān)閉狀態(tài)，箱門被撬開(kāi)，管理系統(tǒng)界面1 min內(nèi)彈出非法開(kāi)鎖告警框，同時(shí)監(jiān)控地圖中的標(biāo)注顏色變?yōu)榧t色。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控光交箱，并且消除了傳統(tǒng)管理光交箱存在的許多隱患。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的基于NB-IoT的光交箱管理系統(tǒng)，可通過(guò)PC端和手機(jī)端對(duì)數(shù)量龐大的光交箱體進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔，易于操作，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性高，大大提高了工作效率，減少了人力和資源的浪費(fèi)，能從根本上解決傳統(tǒng)管理光交箱的許多問(wèn)題。下一步將在該系統(tǒng)上增加傳感器的種類和增加視頻監(jiān)控的方式，使系統(tǒng)更加完善。