徐靈飛，陳 斌

(1.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000；2.四川金互通科技股份有限公司，四川 樂山 614000)

0 引言

光纜交換箱承擔(dān)著通信網(wǎng)絡(luò)的測試、跳轉(zhuǎn)、鏈接、分線等作用，其工作環(huán)境會影響內(nèi)部通信線路的工作狀態(tài)和壽命，它的安全與正常運轉(zhuǎn)對于通信企業(yè)而言十分重要，因此需要定期對其進(jìn)行巡檢維護(hù)。大部分光纜交換箱都采用的是人力巡檢模式，鑰匙管理困難、狀態(tài)監(jiān)控困難、維護(hù)檢修記錄難管理等問題，使得光纜交換箱運營成本高管理效果欠佳，存在智能化聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控改造的需求。GPRS技術(shù)的引入部分解決了光纜交換箱運營維護(hù)困難的問題[1]，但是，GPRS功耗較大，在無源光纜交換箱中無法使用，因此，其將逐漸被停止服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及應(yīng)用和NB-IoT商用網(wǎng)絡(luò)建成[2]，為光纜交換箱運營管理的實時監(jiān)控提供了理想的廣域、低功耗、低成本的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)[3]。NB-IOT網(wǎng)絡(luò)覆蓋更廣、網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)量更大、通信功耗極低[4]，使得基于NB-IOT技術(shù)的光纜交換箱監(jiān)控器不僅適用于城區(qū)，也可以廣泛使用在鄉(xiāng)間、偏僻山區(qū)[5-6]，并解決了無源光纜交換箱電池長續(xù)航需求問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

整個系統(tǒng)基于NB-IOT通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)光纜交換箱鑰匙數(shù)字化管理、防盜預(yù)警和箱內(nèi)狀態(tài)溫濕度、煙霧、水浸及傾斜等狀態(tài)的監(jiān)測，解決光纜交換箱管理現(xiàn)存的弊端。監(jiān)控系統(tǒng)主要由光纜交換箱監(jiān)控終端和NB-IOT監(jiān)控服務(wù)器組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)控終端檢測光纜交換箱狀態(tài)、上傳數(shù)據(jù)并完成電子鎖控制，NB-IOT監(jiān)控服務(wù)器管理整個系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)[7]，并完成光纜交換箱突發(fā)狀況巡檢任務(wù)分配。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)在正常運行期間，檢測溫濕度、煙霧、水侵、振動、傾斜以及電池狀態(tài)，并定時將狀態(tài)值上傳到服務(wù)器，用于光纜交換箱日常工作狀態(tài)后期的分析。在出現(xiàn)突發(fā)情況，如水侵、煙霧值超標(biāo)、振動和大角度傾斜等事件時，蜂鳴器報警提示，實時將狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳，并縮短上傳間隔時間，增加報警數(shù)據(jù)檢測量，細(xì)化記錄異常轉(zhuǎn)臺變化過程。在監(jiān)控服務(wù)器發(fā)現(xiàn)異常后，及時將相關(guān)信息通知給管理員，以分派巡檢員及時進(jìn)行巡檢維護(hù)。

光纜交換箱數(shù)量眾多，鑰匙的管理是保證資產(chǎn)安全和巡檢維護(hù)的一個重要環(huán)節(jié)。在機(jī)械鑰匙的基礎(chǔ)上，結(jié)合NB-IOT、藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)鑰匙數(shù)字化管理，數(shù)字鑰匙管理系統(tǒng)如圖2所示。在需要進(jìn)行光纜交換箱巡檢或出現(xiàn)突發(fā)狀況時:1)管理員生成需要巡檢的光交箱的數(shù)字鑰匙；2)通過服務(wù)平臺下發(fā)到巡檢員手機(jī)中；3)在巡檢員到達(dá)現(xiàn)場后觸發(fā)終端數(shù)字鑰匙請求并同步到光纜交換箱監(jiān)控終端中；4)打開監(jiān)控終端中的藍(lán)牙功能以備開鎖，巡檢員使用手機(jī)通過藍(lán)牙與監(jiān)控終端進(jìn)行數(shù)字鑰匙匹配，決定是否打開電子鎖；5)然后監(jiān)控終端將電子鎖狀態(tài)上傳到服務(wù)平臺；6)在數(shù)字鑰匙一次使用完畢后，服務(wù)器通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字鑰匙回收，避免數(shù)字鑰匙的反復(fù)使用。如果數(shù)字鑰匙匹配失敗，巡檢員聯(lián)系管理員重新生成鑰匙再次進(jìn)行圖2中的1)～6)的步驟。在光纜交換箱電子鎖的數(shù)字化管理系統(tǒng)下，實現(xiàn)了智能開鎖，避免了鑰匙復(fù)制、丟失帶來的安全問題，減少非法開門存在的隱患。

圖2 數(shù)字鑰匙管理系統(tǒng)

2 監(jiān)測終端硬件系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)測終端硬件系統(tǒng)主要包括5個部分：主控器模塊、通信模塊、電子鎖控制模塊、傳感器模塊以及電源管理模塊，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個監(jiān)控終端電路設(shè)計工作在3.3 V，電源管理模塊實現(xiàn)在主控器控制下實現(xiàn)對高耗電功能模塊電源供給的管理，在不需要工作的時候切斷這些工作電源，例如:電子鎖、藍(lán)牙通信等。并由主控器定時檢測電池的電壓監(jiān)測電池電量。通信模塊由NB-IOT和藍(lán)牙兩個功能組成，NB-IOT主要實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳和服務(wù)控制平臺控制命令的接收，藍(lán)牙功能用于巡檢員數(shù)字鑰匙的驗證。電子鎖控制模塊主要用于實現(xiàn)對電子鎖的控制和狀態(tài)檢測。傳感器模塊由溫濕度傳感器、水侵傳感器、振動傳感器等組成，檢測工作環(huán)境狀態(tài)。在STM32L151RET6的管理下，終端定時將采集的相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)通過NB-IOT模塊上傳到服務(wù)器。在采集間隙多數(shù)模塊工作在低功耗狀態(tài)[8]，如果出現(xiàn)突發(fā)狀況或需要通信時，通過中斷事件喚醒STM32L151RET6，及時采集數(shù)據(jù)并上傳預(yù)警。

2.1 主控器

系統(tǒng)選擇超低功耗的STM32L151RET6作為主控器，它的內(nèi)部集成了豐富的片上外設(shè)，如GPIO、USART、ADC、RTC等，滿足本系統(tǒng)外圍電路控制需求。該芯片具有5種低功耗模：低功耗運行模式、睡眠模式、低功耗睡眠模式、停止模式、待機(jī)模式，可以在終端采集傳輸數(shù)據(jù)間隙，使其運行于低功耗模式。根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇低功耗睡眠模式作為低功耗模式。監(jiān)控器在正常工作時每個10分鐘進(jìn)行一次狀態(tài)的采集和數(shù)據(jù)的傳輸，然后STM32L151RET6進(jìn)入低功耗模式。在沒有服務(wù)平臺下發(fā)NB-IOT控制指令和出現(xiàn)異常狀況時，STM32L151RET6的喚醒由RTC中斷觸發(fā)。出現(xiàn)異常情況時，由外圍電路產(chǎn)生的電信號觸發(fā)中斷事件喚醒STM32L151RET6。

2.2 通信模塊

通信模塊包括NB-IOT模塊電路和藍(lán)牙模塊電路。NB-IOT模塊選用四川愛聯(lián)的AI-NB15，通過串口與STM32L151RET6通信交互信息。AI-NB15模塊硬件電路如圖4所示。

圖4 AI-NB15模塊硬件電路圖

STM32L151RET6通過主串口(HST)向AI-NB15模塊發(fā)送AT指令，實現(xiàn)AI-NB15模塊的初始化和數(shù)據(jù)的收發(fā)。AI-NB15模塊具有3種工作模式：Active、 IDLE和PSM，它會根據(jù)Active→IDLE(持續(xù)時間為T3324設(shè)定時間)→PSM(持續(xù)時間為T3312設(shè)定時間，期間可以外部激活)這樣的形式在3種模式之間進(jìn)行切換。根據(jù)實際需求，通過AT+CPSMS指令可以設(shè)定T3324和T3312兩個定時器的定時長度。AI-NB15模塊大部分時間處于PSM狀態(tài)，此時其消耗電流僅為5 μA，極大地降低了系統(tǒng)的功耗，比較適合電池供電的應(yīng)用場景。

藍(lán)牙模塊主要用于巡檢員與監(jiān)測終端之間數(shù)字鑰匙的驗證。如果數(shù)字鑰匙驗證通過，則打開光纜交換箱的電子鎖。雖然藍(lán)牙模塊有省電模式，但因為藍(lán)牙模塊只有巡檢員處于現(xiàn)場時才會工作，因此，在終端中添加了一個藍(lán)牙模塊的供電開關(guān)。當(dāng)巡檢員點擊電子鎖上的開鎖按鈕時，才會控制藍(lán)牙模塊的供電開關(guān)，開始與巡檢員手機(jī)之間的通信。

2.3 電子鎖控制電路

電子鎖外置一個觸發(fā)按鍵(LOCK_KEY)，電路上連接到STM32L151RET6。當(dāng)巡檢員攜帶數(shù)字鑰匙到達(dá)現(xiàn)場時，點擊觸發(fā)按鍵激活STM32L151RET6和通信模塊。電子鎖控制電路如圖5所示。STM32L151RET6通過NB-IOT模塊向服務(wù)器請求下發(fā)數(shù)字鑰匙，然后通過藍(lán)牙模塊和巡檢員之間進(jìn)行數(shù)字鑰匙的匹配。當(dāng)匹配成功時，STM32L151RET6在LOCK_CTL引腳上輸出高電平，從而使得圖5中的Q1和Q2源極和漏極導(dǎo)通，從而給電子鎖供電打開電子鎖。電子鎖電路上有開關(guān)檢測功能(LOCK_DEC)，當(dāng)在非授權(quán)情況下開鎖時，STM32L151RET6會實時上報報警信息到服務(wù)器，并打開蜂鳴器現(xiàn)場報警。

圖5 電子鎖控制電路

2.4 傳感器模塊

傳感器模塊主要監(jiān)測光纜交換箱內(nèi)的工作環(huán)境，并完成對光交箱進(jìn)行防盜預(yù)警。

溫濕度傳感器采用Si7021，STM32L151RET6通過I2C接口與其通信，可實現(xiàn)0～100%RH的濕度量程和最大-40～+125 ℃的溫度量程，運行時150 μA低功耗滿足對低功耗的需求。由于溫濕度屬于緩慢變化信號，因此每30分鐘檢測一次[9]。

在出現(xiàn)一些突發(fā)狀況時，如漏雨、自燃等，會對箱內(nèi)的光纜通信工作產(chǎn)生重大影響，因此，系統(tǒng)中添加了水浸和煙霧傳感器。水浸傳感器使用雙極型傳感器，陽極通過一個串聯(lián)電阻連接電源，陰極連接系統(tǒng)地。陽極接入低功耗比較器TLV7042，比較器輸出連接STM32L151RET6，通過檢測兩個電極之間的阻值變化產(chǎn)生報警信號。當(dāng)出現(xiàn)水浸現(xiàn)象時，水份連通傳感器兩個電極，產(chǎn)生的阻值變化引起比較器輸出電平的變化，并通過中斷事件喚醒STM32L151RET6，將報警信號上傳服務(wù)器。

通過箱內(nèi)檢測煙霧的濃度來判斷附近是否出現(xiàn)火源，系統(tǒng)選用COMS煙霧傳感器IAQ-CORE-P對箱內(nèi)下煙霧濃度進(jìn)行監(jiān)測。該傳感器具有靈敏度高，響應(yīng)速度快的特點，工作電壓為3.3 V，通電預(yù)熱后，在脈沖工作模式下功耗僅為9 mW。IAQ-CORE-P傳感器通過I2C接口和STM32L151RET6進(jìn)行連接，其器件地址為0x5A。在需要讀取檢測結(jié)果時，STM32L151RET6發(fā)送0xB5給傳感器，然后會收到傳感器返回的9字節(jié)數(shù)據(jù)。前兩個字節(jié)和后兩個字節(jié)分別代表二氧化碳(單位：ppm)和TVOC(單位：ppb)的濃度，煙霧濃度數(shù)據(jù)每10分鐘讀取一次。

為防止出現(xiàn)人為破壞，系統(tǒng)增加在非授權(quán)操作情況下震動和傾斜檢測功能，這個功能通過超低功耗3軸運動加速傳感器LIS3DH實現(xiàn)[10]。定義震動為加速度增加并減小的加速度變化過程，利用LIS3DH的單擊識別功能可以識別震動事件。這需要定義識別單擊事件的加速度上限閾值CLICK_THS(定義為2.046 g)，并設(shè)定加速度增加和下降的時間間隔TIME_LIMIT(定義為500 ms)，只要在x、y、z任意一個方向產(chǎn)生超過CLICK_THS的加速度時，LIS3DH開始計時，當(dāng)在定義的時間TIME_LIMIT內(nèi)加速度值能回落到閾值之下，就認(rèn)定是一個震動事件。將LIS3DH單擊事件中斷定義在INT1引腳上，當(dāng)產(chǎn)生震動事件時，可立即激活STM32L151RET6。在初始化角度基礎(chǔ)上，每10分鐘檢測一次LIS3DH的重力加速度的變化，檢測箱體傾斜的角度，超出定義的閾值則上報報警信息。

2.5 電源管理

為了簡化設(shè)計和降低電源系統(tǒng)工作功耗，整個終端電路被設(shè)計工作在3.3 V電源系統(tǒng)。系統(tǒng)由鋰電池或普通干電池供電，由于電池在長時間使用后會出現(xiàn)壓降的情況，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作在3.3 V ,選用升降壓DC-DC電源芯片TPS63805進(jìn)行穩(wěn)壓，并且其靜態(tài)工作電流為11 μA，符合本系統(tǒng)低功耗應(yīng)用要求。當(dāng)電池電壓下降到低于3.3 V時，TPS63805可以無縫實現(xiàn)降壓和升壓的切換，在1.3～ 5.5 V輸入電壓范圍下可輸出3.3 V，并提供2 A的工作電流，滿足系統(tǒng)要求。為了保證系統(tǒng)電源供給的安全，主控器定時檢測電池的電壓，保障供電安穩(wěn)定性。鋰電池供電時，報警電壓設(shè)置為3.5 V。3節(jié)南孚干電池供電時，報警點呀設(shè)置為2.8 V。在主控器檢測電池電壓達(dá)到報警電壓后，上傳報警信號提示及時進(jìn)行維護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)開發(fā)基于中國電信物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，包括終端控制程序、應(yīng)用服務(wù)器軟件以及物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺profile和插件開發(fā)。

3.1 終端控制程序

終端控制程序啟動后首先進(jìn)行STM32L151RET6片上外設(shè)的初始化配置，包括GPIO、RTC、定時器、外部中斷、USART、ADC等。然后，對各傳感器模塊進(jìn)行配置，接著開始配置NB-IOT模塊并附著通信網(wǎng)絡(luò)。在確認(rèn)聯(lián)網(wǎng)成功后，開始電子鎖和各傳感器模塊狀態(tài)的采集，上傳一次數(shù)據(jù)到服務(wù)器。最后STM32L151RET6啟動定時器并進(jìn)入低功耗模式，開始周期性數(shù)據(jù)采集。當(dāng)出現(xiàn)溫濕度、煙霧、震動、傾斜報警或非授權(quán)開門等突發(fā)情況時，相關(guān)傳感器實時觸發(fā)主控制通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)上傳服務(wù)器進(jìn)行報警。在巡檢員攜帶數(shù)字鑰匙到達(dá)現(xiàn)場后，點擊電子鎖外置按鍵，觸發(fā)STM32L151RET6開始一次NB-IOT通信，從服務(wù)器上獲取當(dāng)前授權(quán)的數(shù)字鑰匙。然后，接通藍(lán)牙模塊供電開關(guān)并配置藍(lán)牙模塊，通過藍(lán)牙通信開始與巡檢員現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)字鑰匙匹配。當(dāng)數(shù)字鑰匙匹配成功后，STM32L151RET6打開電子鎖，并通過NB-IOT通信上傳電子鎖狀態(tài)、請求服務(wù)器回收已使用的數(shù)字鑰匙。在電子鎖開鎖后的整個巡檢過程中，STM32L151RET6都處于正常運行狀態(tài)，在檢測到關(guān)鎖動作后斷開藍(lán)牙模塊終端供電開關(guān)并進(jìn)入到休眠定時狀態(tài)。控制程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)終端程序流程圖

3.2 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺profile和插件開發(fā)

這部分NB-IOT通信中的南向開發(fā)，系統(tǒng)通信基于COAP協(xié)議，在電信物聯(lián)網(wǎng)平臺上需要進(jìn)行NB-IOT模塊的注冊、應(yīng)用創(chuàng)建以及profile和插件開發(fā)。Profile定義應(yīng)用涉及到的上傳和下發(fā)數(shù)據(jù)的屬性，插件定義具體的通信數(shù)據(jù)內(nèi)容與Profile數(shù)據(jù)屬性之間的映射關(guān)系，由物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)廠商定義數(shù)據(jù)到JSON格式數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換。涉及到終端上傳的數(shù)據(jù)包括采集數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)以及數(shù)字鑰匙請求、回收等[10]。服務(wù)器通過物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)給終端的數(shù)據(jù)包括數(shù)字鑰匙和控制碼，如重傳控制、開鎖及解除警告等。系統(tǒng)中涉及到的上傳和下發(fā)數(shù)據(jù)組成如表1所示。

表1 NB-IOT數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)格式

上傳和下發(fā)的數(shù)據(jù)由MessageID、字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)實體以及校驗碼等組成。

上傳的數(shù)據(jù)包括采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)和數(shù)字鑰匙請求/回收。狀態(tài)數(shù)據(jù)的MessageID是0x01，其中的RSSI值是NB-IOT模塊本身的射頻信號強(qiáng)度，通過AT+CSQ命令獲取。水浸、震動以及非授權(quán)電子鎖開關(guān)狀態(tài)以開關(guān)量封裝在報警碼中。鑰匙控制的MessageID是0x02，以0x55作為鑰匙請求碼，0xAA作為鑰匙回收碼。

下發(fā)的數(shù)據(jù)包括數(shù)字鑰匙和控制碼。數(shù)字鑰匙的MessageID是0x11，MID是隨機(jī)的16位響應(yīng)字段，在終端接收到下發(fā)的數(shù)據(jù)后原樣返回給服務(wù)器作為接收確認(rèn)。對應(yīng)于這一下發(fā)數(shù)據(jù)的確認(rèn)消息MessageID定為0x12?？刂拼a的MessageID是0x13，控制碼功能包括數(shù)據(jù)重傳、緊急開鎖、解除報警等功能，對應(yīng)于這一下發(fā)數(shù)據(jù)的確認(rèn)消息MessageID定為0x14。

3.3 監(jiān)控服務(wù)器軟件

這部分是NB-IOT通信中的北向開發(fā)，監(jiān)控服務(wù)器與物聯(lián)網(wǎng)平臺之間通過HTTPS協(xié)議進(jìn)行通信，通信數(shù)據(jù)以JSON格式進(jìn)行組織。監(jiān)控服務(wù)器使用物聯(lián)網(wǎng)平臺地址/端口號、創(chuàng)建應(yīng)用或項目后獲取的應(yīng)用ID、應(yīng)用密鑰完成對平臺上設(shè)備的注冊，實現(xiàn)監(jiān)控服務(wù)器和物聯(lián)網(wǎng)平臺的對接。之后監(jiān)控服務(wù)器可以訂閱物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)平臺到服務(wù)器消息推送以獲取NB-IOT終端的上傳數(shù)據(jù)。當(dāng)服務(wù)器需要下發(fā)指令時，需要將相應(yīng)的控制指令包裝成JSON格式發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)平臺，并根據(jù)接插件轉(zhuǎn)換成自定義數(shù)據(jù)等待終端查詢。服務(wù)器管理軟件以城市為單位，可以選擇城市不同區(qū)域進(jìn)行管理，能夠顯示設(shè)備總數(shù)、在線數(shù)量以及報警數(shù)量，并能夠查看設(shè)備的在線信息和報警信息。選擇需要查看的設(shè)備，可以顯示設(shè)備的基本信息和狀態(tài)信息，如設(shè)備位置、設(shè)備ID、巡檢狀態(tài)、電子鎖狀態(tài)、溫濕度等。軟件設(shè)定了靈活的管理功能，通過巡檢控制功能可以進(jìn)行設(shè)備的巡檢任務(wù)的分配，設(shè)備管理功能可以實現(xiàn)設(shè)備的增加、刪除等，授權(quán)管理可以給設(shè)備指定巡檢員，通過設(shè)備日志功能可以查詢設(shè)備的歷史狀態(tài)信息，解除報警和電子鎖控制功能可以實現(xiàn)服務(wù)器向下到設(shè)備的控制。服務(wù)器軟件的界面如圖7所示。

圖7 監(jiān)控服務(wù)器軟件控制界面

4 系統(tǒng)測試

在不同的位置布置多個終端設(shè)備，進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)測試，測試結(jié)果如表2所示。終端設(shè)備可以正常連接到物聯(lián)網(wǎng)平臺并將各自的采集數(shù)據(jù)傳動到監(jiān)控服務(wù)器中，在監(jiān)控服務(wù)器軟件上顯示的電子鎖開關(guān)、溫濕度、RSSI以及傾斜度等采集量和現(xiàn)場實測基本一致。對報警功能進(jìn)行了測試，在非授權(quán)狀況下打開電子鎖、將箱體傾斜一定角度等都可以將相關(guān)報警信上傳到服務(wù)器上進(jìn)行提示。系統(tǒng)的其他功能如巡檢控制、設(shè)備管理、授權(quán)管理、電子鎖控制等功能經(jīng)過測試都能正常工作。

表2 系統(tǒng)測試結(jié)果

5 結(jié)束語

針對當(dāng)前光纜交換箱管理存在的問題，設(shè)計了一套監(jiān)控系統(tǒng)，解決了管理、監(jiān)控和控制等問題。該系統(tǒng)具備智能化、低功耗、通信覆蓋廣和節(jié)點多等優(yōu)點，滿足了光纜交換箱智能化管理的要求，實現(xiàn)了在線管理，簡化了巡檢工作，大幅提高了光纜交換箱的安全性，保障了光纜通信的安全工作環(huán)境。另外，本系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計內(nèi)容適用于如水表、路燈、車位等場景管理應(yīng)用。