沈良恒+劉建明

摘要：針對當(dāng)前室外光纜交接箱缺乏有效監(jiān)管手段的現(xiàn)實情況，設(shè)計開發(fā)一套由無線傳輸單元、電子門禁單元和監(jiān)控中心監(jiān)管后臺組成的集中式監(jiān)控與管理系統(tǒng)。綜合運用單片機結(jié)合無線CPU技術(shù)、通信電子技術(shù)和計算機軟件技術(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，對光纜交接箱進行信息化遠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；遠程管理；STC單片機；無線CPU

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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_套數(shù)大量增加，然而被盜和遭破壞的現(xiàn)象時有發(fā)生，維護人員巡檢和維護也常無記錄可查，同時通信運營商出于對其服務(wù)質(zhì)量提升的要求，配線分線設(shè)備的維護將趨向無人值守、遠程自動監(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，其缺點是浪費了寶貴的光纖資源；要么通過RJ45接口利用TCP/IP協(xié)議聯(lián)網(wǎng)，或者電話線MODEN撥號聯(lián)網(wǎng)，其缺點是需要另外布設(shè)其他有線鏈路，施工不方便。而基于無線局域網(wǎng)、藍牙、ZigBee等的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于傳輸距離往往最遠只有幾百米，并且信號容易受阻擋衰減，不能實現(xiàn)遠距離下的集中監(jiān)控。對于光纜交接箱監(jiān)控管理系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝單元，無論是有線還是短距離無線聯(lián)網(wǎng)，安裝時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)境下要實現(xiàn)遠距離不受地理位置限制的對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。通信運營商在室外設(shè)備管理方面對這樣的遠程無線光交箱監(jiān)管系統(tǒng)有著迫切的市場需求。

1 總體設(shè)計

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，由兩個無線傳輸單元、一個電子門禁單元和一套監(jiān)控中心監(jiān)管后臺組成。兩個無線傳輸單元中的其中一個，即發(fā)射端無線傳輸單元安裝在監(jiān)控現(xiàn)場處，另一個接收端無線傳輸單元放置在監(jiān)控中心處和計算機相連。

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、實時時鐘模塊和電壓檢測模塊組成。無線CPU模塊為帶有移動通信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)控中心計算機相連接。此外，為了對電子鑰匙中的門禁密碼的權(quán)限進行分配和保存的開門記錄數(shù)據(jù)的讀取，監(jiān)控中心計算機上配有供電子鑰匙與監(jiān)控中心計算機進行數(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

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單片機設(shè)計的最小系統(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)計時在電源腳串聯(lián)一磁珠和接一小電容到地以濾除電路噪聲使單片機工作更加穩(wěn)定可靠。

主控制器負責(zé)控制和調(diào)度無線CPU模塊Q2403A，供電模塊GS3406，實時時鐘模塊DS1302，電壓檢測模塊BD4928及UART通信接口。在具體開發(fā)中涉及移動通信技術(shù)，AT指令系統(tǒng)和微控制器的中斷系統(tǒng)，定時/計數(shù)器、串口通信、I2C通信、低功耗模、軟件消抖技術(shù)等。特別是開啟了多個中斷源，包括外部中斷0，定時器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Q2403A無線CPU，使用60針腳的板對板插座封裝接口，因為使用AT指令開發(fā)所以保留一對指令通信用的串口而其他絕大多數(shù)引腳在此項目中不使用。Q2403A無線CPU模組同時有管理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)接口包括一個主通道和一個輔助通道，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。UART1是一個九線接口（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，因為Q2403A的供電電壓設(shè)置在4.2V左右比較穩(wěn)定（實際范圍可在3.4V-4.7V）。

實時時鐘模塊使用的時鐘芯片DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充電時鐘芯片，內(nèi)含有一個實時時鐘/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、分、秒初始值，再用功能函數(shù)“initial_ds1302”完成初始時間值寫入DS1302相應(yīng)寄存器。DS1302 與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需用到三個口線：RES 復(fù)位， I/O 數(shù)據(jù)線，SCLK串行時鐘。當(dāng)電子鑰匙插入時所寫入的時間戳信息就來自于此。

電壓檢測模塊采用獨立低功耗超小封裝的電壓檢測芯片BD4928設(shè)計。因為STC11L04E微控制器內(nèi)部沒有集成比較器，所以無法使用單片機內(nèi)部資源來構(gòu)成電壓檢測電路。在測試評估中做了從2.2V～3.0V的電壓變化測試，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存儲器。由于USB接口可以看成總共5個引腳（外殼的屏蔽地也算一個引腳）的端子，其中一對用于電源供電環(huán)路，一個引腳用于插入鑰匙時中斷觸發(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存儲器芯片已經(jīng)做到最大512Kbit容量，如24C512芯片且低壓版型號電壓范圍是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開門密碼，另一方面主控制器也把當(dāng)時的時間和站點ID等信息寫回電子鑰匙存儲下來，作為維護人員的巡檢考勤數(shù)據(jù)。表1給出了STC11L04E對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24C512相應(yīng)存儲地址進行操作。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，才會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，對外接口采用防水防塵防曬設(shè)計，作為電子鑰匙的插入接口。

3 監(jiān)控中心監(jiān)管后臺設(shè)計

位于監(jiān)控中心的監(jiān)控管理后臺是一組基于C/S架構(gòu)安裝有管理客戶端軟件和數(shù)據(jù)庫的計算機，可通過適配器與電子鑰匙進行數(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)限分級設(shè)置與配發(fā)操作。監(jiān)控管理后臺提供完整的交接箱屬性數(shù)據(jù)管理功能，包括站點編號、所屬地理位置、交接箱總?cè)萘亢鸵颜加萌萘俊?dāng)前及歷史記錄查詢等，同時還提供電子鑰匙使用權(quán)限人員數(shù)據(jù)庫，建立有巡檢人員完整檔案，能夠分析記錄的數(shù)據(jù)并形成管理報表，如光交箱設(shè)施某一時期的狀態(tài)報表、電子鑰匙使用情況報表等。

監(jiān)控管理后臺的圖形化人機界面具備以下可操作的功能窗體：

1） “站點設(shè)置”功能界面，設(shè)置相應(yīng)的站點ID，并且可對站點ID進行添加、修改和刪除操作。站點ID池最大容量為65535個站點。

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

3） “數(shù)據(jù)下載”功能界面，使用計算機的USB接口通過適配線掛載電子鑰匙查看其中存儲的數(shù)據(jù)。下載操作可以把鑰匙里的數(shù)據(jù)保存于本地數(shù)據(jù)庫中，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，進行虛擬鑰匙的分派?？蓪﹄娮予€匙進行添加和刪除操作，也可以編輯對應(yīng)的描述和備注信息。

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

6） 添加和修改系統(tǒng)后臺的登錄用戶名及密碼功能。

監(jiān)控中心計算機內(nèi)的管理客戶端軟件是通過適配線與電子鑰匙進行數(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。在計算機端把連接的USB轉(zhuǎn)串口芯片識別為串口設(shè)備，開發(fā)人員采用串口協(xié)議編寫主機端處理程序；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)點是在硬件上，擁有了USB的優(yōu)點，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，只要無線移動通信網(wǎng)絡(luò)能到達的地方都能方便組網(wǎng)。實施集中監(jiān)管后帶來運維的高效率和高可靠性，不僅可對設(shè)備進行監(jiān)管，也可對巡檢維護人員進行量化考核，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)邏輯場景下的室外設(shè)備的遠程監(jiān)控管理領(lǐng)域。

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