周 敏，王 歡，薛 江，朱 煒

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 蘇州 215104；

2.江蘇亨通光網(wǎng)科技有限公司 智能ODN項(xiàng)目組，江蘇 蘇州 215200)

基于RFID的智能光纜管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

周 敏1，王 歡2，薛 江2，朱 煒2

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 蘇州 215104；

2.江蘇亨通光網(wǎng)科技有限公司 智能ODN項(xiàng)目組，江蘇 蘇州 215200)

在大規(guī)模光纖網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用背景下，高效的管理光纜資源，已成為移動(dòng)通信管理的重要課題。分析現(xiàn)有光纜管理的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于RFID的工單式管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由便攜式RFID讀卡器、現(xiàn)場(chǎng)管理終端APP、云服務(wù)網(wǎng)管及標(biāo)準(zhǔn)RFID標(biāo)簽卡組成，融合了RFID技術(shù)、Web云開發(fā)技術(shù)、Android開發(fā)技術(shù)及移動(dòng)電源技術(shù)，利用GIS信息建立一個(gè)光纜拓?fù)?，管理者以地圖的拓?fù)湫问街庇^地管理光纜資源。系統(tǒng)不僅可用于光纜管理，也可在其他RFID標(biāo)簽應(yīng)用領(lǐng)域提供一定的借鑒作用。

光纜管理；RFID；云服務(wù)

在“寬帶中國(guó)”的戰(zhàn)略下，工信部通告 2015年建設(shè)了260 萬(wàn)km光纜，為60%的中國(guó)寬帶用戶提供準(zhǔn)入到超速互聯(lián)體驗(yàn)。同時(shí)工信部和發(fā)改委公布的計(jì)劃是到2018年敷設(shè)90000 km光纜，使全國(guó)的寬帶覆蓋擴(kuò)大至90%，如此大量的光纜資源，管理工作十分重要。傳統(tǒng)的光纜標(biāo)識(shí)方法采用掛塑封牌等手工記錄標(biāo)識(shí)方法，存在人為失誤、環(huán)境對(duì)標(biāo)簽內(nèi)容的影響等造成光纜維護(hù)效率較低。本系統(tǒng)采用電子標(biāo)識(shí)的方法取代傳統(tǒng)標(biāo)識(shí)，采用的RFID標(biāo)簽即使在水下通信距離也能達(dá)到0.5 m，再結(jié)合終端GPS信息和網(wǎng)管平臺(tái)[1]，可有效進(jìn)行光纜資源的高效管理。

射頻識(shí)別技術(shù)[2](radio frequency identification，簡(jiǎn)稱RFID)，是20世紀(jì)90年代興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合(交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的。與傳統(tǒng)的接觸式識(shí)別技術(shù)和光學(xué)識(shí)別技術(shù)相比，射頻識(shí)別技術(shù)不但可以使電子標(biāo)簽和讀卡器之間實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸，而且可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)標(biāo)簽的防沖突操作，從而可以解決很多傳統(tǒng)識(shí)別技術(shù)的缺陷。本系統(tǒng)的電子標(biāo)簽采用的是標(biāo)準(zhǔn)的S50卡，符合ISO15693空氣接口協(xié)議，支持多卡防沖突讀取，可以方便地進(jìn)行打孔定制和卡片絲印，經(jīng)過(guò)調(diào)研，該卡片可應(yīng)用于絕大部分場(chǎng)景的光纜標(biāo)識(shí)。

1 光纜資源管理的現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的光纜管理需要依靠人工處理維護(hù)，光纜采用塑封牌及塑料標(biāo)簽紙標(biāo)識(shí)，在管理過(guò)程中，傳統(tǒng)標(biāo)簽易產(chǎn)生以下問(wèn)題：①標(biāo)簽污染。由于環(huán)境腐蝕，標(biāo)簽易污損、丟失，維護(hù)時(shí)難以進(jìn)行光纜的查找；②信息不準(zhǔn)確。由于光纜信息的標(biāo)識(shí)和記錄以人工為主，易發(fā)生記錄及標(biāo)識(shí)錯(cuò)誤，從而影響光纜資源的管理；③施工效率低。由于沒(méi)有GPS信息關(guān)聯(lián)，光纜的巡查、維護(hù)易發(fā)生遺漏、查找困難；④維護(hù)成本高。傳統(tǒng)光纜管理，大部分需要人工處理，成本高。

光纜的管理主要有敷設(shè)光纜的信息記錄和標(biāo)識(shí)、定期巡檢、故障維護(hù)等。其中定期巡檢傳統(tǒng)管理是安排包線員沿光纜線路進(jìn)行檢查，需要包線員對(duì)線路情況十分熟悉，能夠全面細(xì)致地了解線路變化情況，在巡檢的過(guò)程中通常是通過(guò)手工填寫《光纜線路巡檢記錄表》來(lái)完成巡檢任務(wù)，其中巡檢的過(guò)程不透明，且人為因素多，工作效率低，故障發(fā)現(xiàn)后不能第一時(shí)間進(jìn)行排除。智能光纜管理系統(tǒng)將光纜信息與GPS互聯(lián)綁定，巡檢以導(dǎo)航的方式進(jìn)行，自動(dòng)生成最優(yōu)線路，巡檢記錄采用電子記錄，記錄信息與GPS關(guān)聯(lián)，巡檢效率高，且保證了巡檢點(diǎn)無(wú)遺漏，發(fā)現(xiàn)故障后，系統(tǒng)會(huì)第一時(shí)間下發(fā)光纜維護(hù)工單，且有推送通知，維護(hù)人員通過(guò)工單導(dǎo)航前去維護(hù)。

2 智能光纜管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)光纜管理的弊端，本文設(shè)計(jì)了一種智能化的光纜管理系統(tǒng)，其原理是B/S架構(gòu)的網(wǎng)管與云服務(wù)器組成云網(wǎng)管，通過(guò)3G/4G網(wǎng)絡(luò)下發(fā)操作工單，現(xiàn)場(chǎng)管理終端以APP的形式接收工單推送，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線接口與便攜式讀卡器連接，讀卡器可對(duì)RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，然后按工單操作指導(dǎo)來(lái)完成各項(xiàng)工單任務(wù)及回單。智能光纜管理系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 智能光纜管理系統(tǒng)組成示意圖

本設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：光纜標(biāo)簽直接與數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)，可提供多種數(shù)據(jù)的查詢，便于資源快速核查，及時(shí)了解光纜資源與標(biāo)簽狀況，結(jié)合 GIS 地理信息系統(tǒng)，快速了解標(biāo)簽位置，并進(jìn)行導(dǎo)航，縮短線路維護(hù)時(shí)間；提供網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)，即使個(gè)別標(biāo)簽丟失或損壞，也能快速進(jìn)行光纜定位；人工與電子雙識(shí)別模式標(biāo)簽技術(shù)，滿足光纜識(shí)別的可靠性與便利性要求，其關(guān)鍵數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

圖2 智能光纜管理系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系圖

2.1 便攜式RFID讀卡器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有小功率和中功率兩種規(guī)格的讀卡器，小功率采用內(nèi)置PCB天線，負(fù)責(zé)對(duì)單個(gè)RFID標(biāo)簽的讀寫；中功率讀卡器采用外置抗金屬天線，主要用于RFID標(biāo)簽的核查巡檢操作，讀卡速度高達(dá)60～100 張/s。讀寫器通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線接口連接現(xiàn)場(chǎng)管理終端，終端以APP的形式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)操作完成網(wǎng)管下發(fā)的工單任務(wù)。其硬件組成如圖3所示。

藍(lán)牙讀卡器主體電路部分主要由ARM處理器、電源電路、RFID模塊和藍(lán)牙模塊組成。電源電路為各個(gè)模塊提供穩(wěn)定的5 V電源，ARM處理器通過(guò)串口分別與RFID模塊和藍(lán)牙模塊連接。移動(dòng)電源電路主要是為了便攜及現(xiàn)場(chǎng)操作使用，采用四合一單片系統(tǒng)移動(dòng)電源芯片TP5602，其將充放電、升壓、保護(hù)和電量顯示集成為一個(gè)芯片，因此電路板可以設(shè)計(jì)得很小，使讀寫器便于手持。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)有升壓開關(guān)，不工作時(shí)整體待機(jī)功耗在微安級(jí)別，讀寫器長(zhǎng)時(shí)間放置電量損失極小。小功率讀寫器電源電路為5 V，采用TP5602實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)93%。中功率讀寫工作電壓為12 V，采用TP5602和升壓芯片SX1308實(shí)現(xiàn)。電池采用體積利用率高的聚合物鋰離子電池，在保證讀卡器續(xù)航能力的同時(shí)，盡可能地減小讀卡器的體積。電源指示燈用于顯示電量。蜂鳴器提示RFID標(biāo)簽讀寫成功。ARM處理器選用freescale的低功耗M0+系列處理器MKL14Z32VFT4[3]，降低功耗增加續(xù)航，負(fù)責(zé)讀寫器驅(qū)動(dòng)及其他外設(shè)模塊的通信。藍(lán)牙通信選用BLE 4.0藍(lán)牙模塊HC-08，具有功耗低、通信距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。薄膜按鍵讀寫RFID標(biāo)簽操作按鍵。藍(lán)牙指示燈顯示藍(lán)牙與智能終端的連接狀態(tài)。便攜式藍(lán)牙讀卡器可通過(guò)藍(lán)牙收發(fā)指令和薄膜按鍵對(duì)RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作，指令數(shù)據(jù)收發(fā)和分析等過(guò)程均由嵌入式程序操控完成，程序結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖3 便攜式RFID讀卡器硬件組成

圖4 嵌入式程序結(jié)構(gòu)框圖

程序通過(guò)兩個(gè)中斷來(lái)判斷讀卡器的操作方式，通過(guò)串口中斷接收來(lái)自智能終端的指令，解析指令數(shù)據(jù)；通過(guò)I/O中斷檢測(cè)薄膜按鍵操作。兩種方式最終都通過(guò)串口對(duì)RFID模塊進(jìn)行讀寫操作，并由藍(lán)牙回復(fù)數(shù)據(jù)至智能終端。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)管理終端APP應(yīng)用設(shè)計(jì)

終端程序是基于應(yīng)用廣泛的Android操作系統(tǒng)開發(fā)，通過(guò)mvc架構(gòu)完成對(duì)終端的開發(fā)。編寫APP程序采用eclipse+SDK，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server 2008R2。終端APP的開發(fā)的主要技術(shù)有終端讀寫電子標(biāo)簽技術(shù)、終端與網(wǎng)管之間的通信技術(shù)和調(diào)用百度地圖API技術(shù)。本系統(tǒng)使用的標(biāo)簽采用了高頻ISO/IEC15693協(xié)議，因此nfc和藍(lán)牙開發(fā)都是根據(jù)此協(xié)議展開。終端通過(guò)WebService技術(shù)與百度云服務(wù)器進(jìn)行通信，接收網(wǎng)管下達(dá)工單的推送，完成工單操作后回單至網(wǎng)管。百度地圖 Android SDK是一套基于Android 2.3及以上版本設(shè)備的應(yīng)用程序接口，Android終端系統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備的地圖應(yīng)用，通過(guò)調(diào)用地圖SDK接口，可以輕松訪問(wèn)百度地圖服務(wù)和數(shù)據(jù)，為工單提供準(zhǔn)確可靠的GPS信息。

本APP地圖導(dǎo)航有如下功能：

1) 地圖展示功能。普通地圖(2D)、通過(guò)手勢(shì)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)地圖的點(diǎn)擊、雙擊、長(zhǎng)按、縮放、旋轉(zhuǎn)、改變視角等操作。

2) 線路規(guī)劃功能。從當(dāng)前位置前往坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)的線路規(guī)劃。

3) 定位功能。獲取當(dāng)前位置GPS坐標(biāo)經(jīng)緯度信息。

本系統(tǒng)開發(fā)的終端APP主要分為：工單管理、施工導(dǎo)引、終端管理和讀卡器連接。工單管理主要是對(duì)網(wǎng)管工單的下載、分析和回單操作。施工導(dǎo)引主要利用地理導(dǎo)航前往施工地點(diǎn)進(jìn)行操作，進(jìn)而完成具體的工單，然后回單。終端管理包括網(wǎng)絡(luò)配置、幫助文檔、日志查詢等模塊。讀卡器連接主要是藍(lán)牙功能的應(yīng)用模塊，通過(guò)此模塊可以與藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行連接，從而對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作。

2.3 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光纜電子標(biāo)簽網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)開發(fā)，未避免無(wú)公網(wǎng)IP及防火墻問(wèn)題，本系統(tǒng)采用云服務(wù)器進(jìn)行通信橋接，使智能終端在有網(wǎng)絡(luò)的情況下可以與網(wǎng)管進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)主要功能包括用戶管理、配置管理、拓?fù)滹@示、工單管理和系統(tǒng)管理。

光纜電子標(biāo)簽網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)由網(wǎng)管發(fā)起工單，現(xiàn)場(chǎng)管理終端(智能終端或NFC手機(jī)，以下簡(jiǎn)稱終端)下載工單后，在光纜電子標(biāo)牌(以下簡(jiǎn)稱標(biāo)簽)的掛牌現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀寫，并采集當(dāng)?shù)氐腉PS數(shù)據(jù)，以回單的方式將標(biāo)簽數(shù)據(jù)回傳給網(wǎng)管，從而構(gòu)建出網(wǎng)絡(luò)配置和拓?fù)鋽?shù)據(jù)，并在網(wǎng)管中錄入光纜的資源信息編碼，從而構(gòu)建起光纜電子標(biāo)牌、地理位置信息、光纜、OSS光纜資源編碼等數(shù)據(jù)的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系。其流程與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)工單流程與數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系圖

在完成光纜敷設(shè)或割接工程施工后，網(wǎng)管會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)光纜核查工單，工單完成指派與審批后即可進(jìn)行工程驗(yàn)收核查。在光纜核查過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)有標(biāo)簽漏失，網(wǎng)管會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生告警，以便網(wǎng)管生成標(biāo)簽維護(hù)工單，進(jìn)行光纜電子標(biāo)牌的維護(hù)管理。網(wǎng)管的各功能模塊有用戶管理、配置管理、工單管理。用戶管理包括賬號(hào)管理、操作日志查詢及登錄注銷，可根據(jù)不同權(quán)限分配賬號(hào)，達(dá)到光纜的有序管理。配置管理可以管理網(wǎng)管配置數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)管的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、修改、備份、保存和清除處理?？梢赃M(jìn)行標(biāo)簽查詢，根據(jù)標(biāo)簽所在光纜的子網(wǎng)、施工隊(duì)、敷設(shè)起止時(shí)間中的一項(xiàng)或多項(xiàng)條件，可查找到對(duì)應(yīng)光纜信息。工單管理包括工單查詢、巡檢分析及工單發(fā)起。工單發(fā)起包括下達(dá)敷設(shè)工單、割接工單、光纜拆除工單、核查工單、光纜更名工單、標(biāo)簽拆除工單和標(biāo)簽維護(hù)工單。其中核查工單用于資源核查或工程驗(yàn)收，在完成一個(gè)新的光纜敷設(shè)施工后，網(wǎng)管會(huì)自動(dòng)添加一個(gè)對(duì)于該光纜的核查工單，需要對(duì)該工單指配施工人員才能提起申請(qǐng)。敷設(shè)工單主要用于未進(jìn)行電子標(biāo)識(shí)光纜資源的RFID標(biāo)識(shí)，可采用新編碼和已有編碼進(jìn)行標(biāo)識(shí)。割接工單用于光纜割接操作，是對(duì)光纜標(biāo)識(shí)操作。光纜拆除工單對(duì)于已經(jīng)損壞或者因?yàn)槠渌虿荒苁褂玫墓饫|，進(jìn)行光纜拆除操作。核查工單是在光纜正常運(yùn)行過(guò)程中，階段性的檢查光纜段標(biāo)簽是否有遺漏或損毀。光纜更名工單是光纜因?yàn)楦罱?、增段等操作后需要更換名字的操作。標(biāo)簽拆除工單對(duì)光纜段中多余的標(biāo)簽進(jìn)行拆除操作。標(biāo)簽維護(hù)工單是核查之后出現(xiàn)標(biāo)簽的遺失或者損壞的情況，對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行替補(bǔ)的操作。系統(tǒng)管理主要是進(jìn)行系統(tǒng)的WebService服務(wù)端口配置及光纜資源信息數(shù)據(jù)的備份和整理。系統(tǒng)管理操作只有管理用戶權(quán)限及以上才可進(jìn)行操作，其中系統(tǒng)配置操作只有系統(tǒng)用戶才可以進(jìn)行。

3 結(jié)論

光纜管理系統(tǒng)由便攜式RFID讀卡器、現(xiàn)場(chǎng)管理終端APP、云服務(wù)網(wǎng)管及標(biāo)準(zhǔn)RFID標(biāo)簽卡組成，融合了RFID、嵌入式、Android及云服務(wù)等多種技術(shù)。該系統(tǒng)利用GPS技術(shù)與云平臺(tái)，使操作人員能及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工操作，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)功能可以便捷地為各級(jí)別維護(hù)管理任務(wù)提供智能化的信息服務(wù)。本系統(tǒng)不僅可用于光纜管理，也可在其他RFID標(biāo)簽應(yīng)用領(lǐng)域提供一定的借鑒作用。

[1] 蘇輝，吳立新，陸鎮(zhèn)虹，等.GIS技術(shù)在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用及需要解決的問(wèn)題[J].電信科學(xué)，2002(2)：28-31.

[2] 孫明月.無(wú)線射頻技術(shù)簡(jiǎn)介[J]. 科技創(chuàng)業(yè)月刊，2010(1)：42-43.

[3] 沈忱，王宜懷，李成金，等. Cortex-M0+內(nèi)核Kinetis L系列的低功耗機(jī)制分析[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014，14(3)：9-12.

Design and Implementation of Fiber Management System Based on RFID

ZHOU Min1， WANG Huan2，XUE Jiang2，ZHU Wei2

(1.Department of Machinery and Electrical Engineering，Suzhou Institute of Industrial Technology，Suzhou 215104，China；2.Intelligent ODN Project Team，Jiangsu Hengtong Guangwang Technology Co., LTD，Suzhou 215200，China)

Under the background of the large scale application of optical fiber network， efficient management of cable resources has become an important subject to the management of mobile communication. Based on the analysis of the current situation of the exsiting cable management and exsiting problems， the workorder-type management system is put forward. The system is mainly composed of portable RFID reader， on-site management terminal APP， cloud service network and standard RFID card. The system combines RFID technology，cloud web technology， Android technology and mobile-power-supply technology. Managers can manage cable resources intuitively in the form of the topolopgy map by using GIS information to build a cable topology.

cable management；RFID；cloud service

TP315

A

1008-5475(2017)04-0025-04

10.16219/j.cnki.szxbzk.2017.04.007

2017-03-17；

2017-04-13

江蘇省高等職業(yè)院校高級(jí)訪問(wèn)工程師計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015FG037)

周 敏(1980-)，女，江蘇靖江人，講師，碩士，主要從事機(jī)電及光電設(shè)備研究。

周 敏，王歡，薛江，等.基于RFID的智能光纜管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，28(4)：25-28.

(責(zé)任編輯：沈鳳英)