張坤鰲，郭澤梅

(西安科技大學 計算機科學與技術學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

現如今物聯(lián)網技術在通信行業(yè)應用得越來越多，運營商在國內建造了大規(guī)模的光交箱、基站等基礎設施，因此導致全國范圍內的光交箱分布過于廣泛且數量龐大，使得在光交箱管理方面出現很多問題[1]。例如，由于箱體數量的不斷增多，導致在鑰匙分配和箱體狀態(tài)的管理上出現很大問題；光交箱出現故障時不能及時地進行維護，即對光交箱的監(jiān)控沒有實現實時性[2]；管理和維護光交箱的人員流動性太大，普通的人員登記表也容易丟失，導致在人員管理方面比較困難；對光交箱進行施工之后，箱體信息不能進行及時更新，導致許多數據錯誤；偏遠地區(qū)的光纜被盜現象非常嚴重，無法做到及時告警[3]。隨著無線通信與遠程技術的發(fā)展， 國內外已出現基于Zigbee和GPRS等技術的光交箱管理系統(tǒng)或類似管理系統(tǒng)的設計與研究[4-8]。但是，和NB-IoT技術對比，Zigbee的傳輸距離短，易受干擾，網絡結構復雜。另外，NB-IoT技術比GPRS技術的最大鏈路預算提高了20 dB，相當于覆蓋強度[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，文中設計了一種基于NB-IoT的光交箱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)易于操作、靈活方便、運行穩(wěn)定、成本較低，能夠做到對光交箱實時監(jiān)控的智能化管理。

1 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)總體結構如圖1所示。該系統(tǒng)分為數據采集模塊、數據發(fā)送模塊和數據接收模塊。其中數據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、電子行程開關、溫度傳感器和濕度傳感器，完成對數據的采集與封裝。數據發(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平臺三部分實現，完成對數據的發(fā)送以及數據的編解碼。數據接收模塊是由云端服務器和終端顯示設備完成，實現對光交箱信息的實時顯示[12]以及遠程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體結構

系統(tǒng)的工作原理如下：首先，智能鎖具中的電子行程開關、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)境濕度數據傳送給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)送數據所需的十六進制格式。NB-IoT基站將數據負責轉發(fā)到IoT平臺，IoT平臺將數據解碼后提供給云端服務器。Web網頁和手機端通過查詢的方式將數據分析結果顯示在界面上。其次，遠程用戶通過Web網頁發(fā)送的控制命令，經IoT平臺編碼后傳送至NB-IoT通信模塊，實現對STM32主控芯片的遠程控制。

2 系統(tǒng)硬件部分設計

2.1 智能鎖具的硬件設計

智能鎖具由STM32F103VCT6主控芯片、數據采集模塊、電子行程開關、NB-IoT通信模塊以及電源模塊組成。溫度傳感器選用DS18B20，其溫度測量范圍[13]為-55～+125 ℃，另外在-10～+85 ℃之間，測量精度為±0.5 ℃。DS18B20的特點是采用單總線的接口方式，使得僅需一根I/O口便可實現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，優(yōu)點是響應速度快，抗干擾能力強。電子行程開關選用LX19-001，其為直動式行程開關，可將機械信號轉變?yōu)殡娦盘?，用來控制機械動作、變換機械運動方向等。NB-IoT通信模塊采用BC95-B5模組，其優(yōu)點是超低功耗、高靈敏度以及超強覆蓋。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構如圖2所示。主控芯片通過I/O口與DS18B20連接，通過I2C接口與STH15通信，通過LX19-001開關的常閉觸點與其連接，并將接收到的數據進行封裝后通過串口發(fā)送到BC95-B5通信模塊。

圖2 智能鎖具硬件組成結構示意

2.2 NB-IoT通信模塊的硬件設計

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領域的一個新興技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接[15]。NB-IoT具備四大特點：功耗方面，NB-IoT采用簡化的協(xié)議，更適合的設計，大幅提升了終端的待機時間；信號覆蓋方面，NB-IoT有更好的覆蓋能力(20 dB增益)，相當于提升了100倍覆蓋區(qū)域的能力[10]；連接數量方面，NB-IoT一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接；價格方面，NB-IoT模塊的成本很低，有利于大批量的使用。

NB-IoT網絡包括NB-IoT模組、NB-IoT基站、NB-IoT分組核心網、IoT平臺和應用平臺[16]。數據的傳輸過程為：NB-IoT模組將數據發(fā)送至NB-IoT基站，基站將數據傳輸至NB-IoT分組核心網，經過NB-IoT分組核心網數據被傳至IoT平臺，隨后IoT平臺再將數據轉發(fā)到應用平臺進行處理。同理，數據從應用平臺的下發(fā)直到NB-IoT模組的接收也是在這個過程中傳輸。NB-IoT模組與應用平臺的數據交互過程如圖3所示。

圖3 NB-IoT模組與應用平臺數據交互過程

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計有底層模塊軟件設計、通信模塊軟件設計、管理系統(tǒng)軟件設計和小程序端設計，其中關鍵部分設計有底層模塊軟件設計、通信模塊軟件設計和管理系統(tǒng)中的報警模塊軟件設計。下面將詳細說明這些關鍵部分的設計。

3.1 底層模塊軟件設計

底層模塊主要功能是：在設備入網成功的前提下，LX19-001、DS18B20和STH15分別定時采集門鎖狀態(tài)、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度數據，并通過主控芯片將每次采集到的數據進行A/D轉換和濾波處理；之后通過NB-IoT模塊將采集到的數據發(fā)送至IoT平臺。主程序設計流程如圖4所示?？梢钥闯?，首先對LX19-001、DS18B20和STH15進行初始化操作，然后設備嘗試入網，入網成功后，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進行A/D轉換和濾波處理過的數據發(fā)送到IoT平臺。數據發(fā)送完成之后，設備進入睡眠等待狀態(tài)，等待下一次被喚醒之后，繼續(xù)循環(huán)以上操作。

圖4 主程序設計流程

3.2 通信模塊軟件設計

通信模塊設計分為兩個部分：一是南向NB-IoT設備與IoT平臺之間的通信，二是IoT平臺與北向應用即終端顯示設備之間的通信。

NB-IoT設備與IoT平臺間的通信需要經過設備注冊、設備配置以及命令響應三個步驟。其中設備注冊的過程比較復雜，又分為profile開發(fā)和插件開發(fā)。profile開發(fā)是指編寫一個設備是什么、能干什么以及如何控制設備的文件，使用Microsoft Visual Studio 2008編寫，文件內容要符合JSON數據轉換格式。開發(fā)插件是為了將NB-IoT設備發(fā)送到IoT平臺的十六進制數據解碼為JSON格式數據。設備配置是指通過AT命令實現NB-IoT設備與IoT平臺之間的數據交互，所需要的AT命令如表1所示。命令響應是指NB-IoT設備對IoT平臺向其下發(fā)訂閱信息或命令時的回應動作。

表1 AT命令

IoT平臺與北向應用之間的通信分為創(chuàng)建設備、設備訂閱、命令下發(fā)和命令響應四個步驟。創(chuàng)建設備是指北向應用在IoT平臺創(chuàng)建NB-IoT設備，等待設備注冊成功后，則可以通過IoT平臺管理設備。設備訂閱是指北向應用通過API接口向IoT平臺發(fā)送訂閱信息，以此得到需要的數據。命令下發(fā)是指北向應用將JSON格式命令發(fā)送到IoT平臺，經IoT平臺編碼后再轉發(fā)給NB-IoT設備。命令響應是指IoT平臺將NB-IoT設備響應的十六進制數據解碼成JSON格式數據后轉發(fā)給北向應用。

NB-IoT設備與北向應用分別通過與IoT平臺之間的通信實現了北向應用對NB-IoT設備的管理，整體通信過程如圖5所示。

3.3 報警模塊軟件設計

報警分為機械故障報警和非法開鎖報警兩種模式。當環(huán)境溫度值和濕度值不屬于系統(tǒng)設定閾值的范圍，則啟動機械故障報警模式。當箱體在關閉狀態(tài)下被暴力開鎖時，則啟動非法開鎖報警模式。

圖5 NB-IoT設備、IoT平臺和北向應用整體通信過程

實現報警的過程如下：用戶通過小程序掃描箱體IMEI碼(箱體的唯一識別碼)，將箱體信息顯示在管理系統(tǒng)界面上，管理系統(tǒng)通過查詢服務器實時更新箱體狀態(tài)，并由此判斷是否存在故障。(1)當環(huán)境溫度值和濕度值大于設定閾值時，則表明出現機械故障。此時，系統(tǒng)界面會彈出包含箱體編號和故障原因的機械故障告警框，同時在監(jiān)控地圖中的箱體標注會變成黃色，以便施工人員分辨并及時找出箱體詳細位置；(2)當箱門狀態(tài)為開，施工狀態(tài)為關時，則表明出現非法開鎖報警。此時，系統(tǒng)界面會彈出包含箱體編號和故障原因的非法開鎖告警框，同時在監(jiān)控地圖中的箱體標注會變成紅色，以便施工人員迅速找出箱體詳細位置。

兩種報警模式的設計實現。

檢測模塊實現過程：定時器管理器每隔五秒刷新一次數據庫中存儲的光交箱狀態(tài)表，程序循環(huán)讀取數據庫中的狀態(tài)表數據，并將讀取到的狀態(tài)數據一一進行判斷，最后根據判斷結果在系統(tǒng)界面彈出相應告警框。檢測模塊設計流程如圖6所示。

告警提示模塊實現過程：系統(tǒng)首先獲取故障信息表中未處理的故障數據，之后利用JavaScript將AJAX獲取到的后臺數據動態(tài)加載至網頁中。告警提示模塊設計流程如圖7所示。獲取故障數據的偽代碼如下：

int max=7; //最多顯示7條記錄

for(Breakhistory breakhistory:breakhistorylist)

{

max--;

if(max<0)

{

break;

}

stringBuffer.append("

}

圖6 檢測模塊設計流程

圖7 告警提示模塊設計流程

地圖模塊實現過程：JavaScript通過SQL語句與數據庫中的光交箱狀態(tài)表進行關聯(lián)，并對狀態(tài)表中的數據進行判斷，同時根據判斷條件將最終結果顯示在監(jiān)控地圖中。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設計完成后，對其進行了系統(tǒng)測試。測試分為開鎖測試和報警測試。測試結果如下：(1)系統(tǒng)硬件設備上電后，特定用戶在小程序掃描箱體IMEI碼后，管理系統(tǒng)界面彈出開鎖請求，待審核通過后，箱門在5 s內打開，大大簡化了開鎖流程，提高了工作效率；(2)箱體為關閉狀態(tài)，箱體溫度為60 ℃，管理系統(tǒng)界面1 min內彈出機械故障告警框，同時監(jiān)控地圖中的標注顏色變?yōu)辄S色；(3)箱體為關閉狀態(tài)，箱門被撬開，管理系統(tǒng)界面1 min內彈出非法開鎖告警框，同時監(jiān)控地圖中的標注顏色變?yōu)榧t色。結果表明，該系統(tǒng)能夠遠程實時監(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 結束語

文中設計的基于NB-IoT的光交箱管理系統(tǒng)，可通過PC端和手機端對數量龐大的光交箱體進行遠程監(jiān)控。系統(tǒng)界面簡潔，易于操作，運行穩(wěn)定，實時性高，大大提高了工作效率，減少了人力和資源的浪費，能從根本上解決傳統(tǒng)管理光交箱的許多問題。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。