基于NB-IOT智能光纜交換箱監控系統設計與實現

徐靈飛，陳 斌

(1.成都理工大學 工程技術學院，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

光纜交換箱承擔著通信網絡的測試、跳轉、鏈接、分線等作用，其工作環境會影響內部通信線路的工作狀態和壽命，它的安全與正常運轉對于通信企業而言十分重要，因此需要定期對其進行巡檢維護。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、狀態監控困難、維護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，存在智能化聯網監控改造的需求。GPRS技術的引入部分解決了光纜交換箱運營維護困難的問題[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。物聯網技術的普及應用和NB-IoT商用網絡建成[2]，為光纜交換箱運營管理的實時監控提供了理想的廣域、低功耗、低成本的網絡技術基礎[3]。NB-IOT網絡覆蓋更廣、網絡連接數量更大、通信功耗極低[4]，使得基于NB-IOT技術的光纜交換箱監控器不僅適用于城區，也可以廣泛使用在鄉間、偏僻山區[5-6]，并解決了無源光纜交換箱電池長續航需求問題。

1 系統設計方案

整個系統基于NB-IOT通信網絡，實現光纜交換箱鑰匙數字化管理、防盜預警和箱內狀態溫濕度、煙霧、水浸及傾斜等狀態的監測，解決光纜交換箱管理現存的弊端。監控系統主要由光纜交換箱監控終端和NB-IOT監控服務器組成，其結構如圖1所示。監控終端檢測光纜交換箱狀態、上傳數據并完成電子鎖控制，NB-IOT監控服務器管理整個系統監測數據[7]，并完成光纜交換箱突發狀況巡檢任務分配。

圖1 監控系統結構圖

系統在正常運行期間，檢測溫濕度、煙霧、水侵、振動、傾斜以及電池狀態，并定時將狀態值上傳到服務器，用于光纜交換箱日常工作狀態后期的分析。在出現突發情況，如水侵、煙霧值超標、振動和大角度傾斜等事件時，蜂鳴器報警提示，實時將狀態數據上傳，并縮短上傳間隔時間，增加報警數據檢測量，細化記錄異常轉臺變化過程。在監控服務器發現異常后，及時將相關信息通知給管理員，以分派巡檢員及時進行巡檢維護。

光纜交換箱數量眾多，鑰匙的管理是保證資產安全和巡檢維護的一個重要環節。在機械鑰匙的基礎上，結合NB-IOT、藍牙技術實現鑰匙數字化管理，數字鑰匙管理系統如圖2所示。在需要進行光纜交換箱巡檢或出現突發狀況時:1)管理員生成需要巡檢的光交箱的數字鑰匙；2)通過服務平臺下發到巡檢員手機中；3)在巡檢員到達現場后觸發終端數字鑰匙請求并同步到光纜交換箱監控終端中；4)打開監控終端中的藍牙功能以備開鎖，巡檢員使用手機通過藍牙與監控終端進行數字鑰匙匹配，決定是否打開電子鎖；5)然后監控終端將電子鎖狀態上傳到服務平臺；6)在數字鑰匙一次使用完畢后，服務器通過NB-IOT網絡將數字鑰匙回收，避免數字鑰匙的反復使用。如果數字鑰匙匹配失敗，巡檢員聯系管理員重新生成鑰匙再次進行圖2中的1)～6)的步驟。在光纜交換箱電子鎖的數字化管理系統下，實現了智能開鎖，避免了鑰匙復制、丟失帶來的安全問題，減少非法開門存在的隱患。

圖2 數字鑰匙管理系統

2 監測終端硬件系統設計

監測終端硬件系統主要包括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，結構如圖3所示。

圖3 監測終端系統結構圖

整個監控終端電路設計工作在3.3 V，電源管理模塊實現在主控器控制下實現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、藍牙通信等。并由主控器定時檢測電池的電壓監測電池電量。通信模塊由NB-IOT和藍牙兩個功能組成，NB-IOT主要實現監測數據的上傳和服務控制平臺控制命令的接收，藍牙功能用于巡檢員數字鑰匙的驗證。電子鎖控制模塊主要用于實現對電子鎖的控制和狀態檢測。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，檢測工作環境狀態。在STM32L151RET6的管理下，終端定時將采集的相關狀態數據通過NB-IOT模塊上傳到服務器。在采集間隙多數模塊工作在低功耗狀態[8]，如果出現突發狀況或需要通信時，通過中斷事件喚醒STM32L151RET6，及時采集數據并上傳預警。

2.1 主控器

系統選擇超低功耗的STM32L151RET6作為主控器，它的內部集成了豐富的片上外設，如GPIO、USART、ADC、RTC等，滿足本系統外圍電路控制需求。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、待機模式，可以在終端采集傳輸數據間隙，使其運行于低功耗模式。根據系統要求，選擇低功耗睡眠模式作為低功耗模式。監控器在正常工作時每個10分鐘進行一次狀態的采集和數據的傳輸，然后STM32L151RET6進入低功耗模式。在沒有服務平臺下發NB-IOT控制指令和出現異常狀況時，STM32L151RET6的喚醒由RTC中斷觸發。出現異常情況時，由外圍電路產生的電信號觸發中斷事件喚醒STM32L151RET6。

2.2 通信模塊

通信模塊包括NB-IOT模塊電路和藍牙模塊電路。NB-IOT模塊選用四川愛聯的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模塊發送AT指令，實現AI-NB15模塊的初始化和數據的收發。AI-NB15模塊具有3種工作模式：Active、 IDLE和PSM，它會根據Active→IDLE(持續時間為T3324設定時間)→PSM(持續時間為T3312設定時間，期間可以外部激活)這樣的形式在3種模式之間進行切換。根據實際需求，通過AT+CPSMS指令可以設定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，此時其消耗電流僅為5 μA，極大地降低了系統的功耗，比較適合電池供電的應用場景。

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

2.3 電子鎖控制電路

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

圖5 電子鎖控制電路

2.4 傳感器模塊

傳感器模塊主要監測光纜交換箱內的工作環境，并完成對光交箱進行防盜預警。

溫濕度傳感器采用Si7021，STM32L151RET6通過I2C接口與其通信，可實現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]。

在出現一些突發狀況時，如漏雨、自燃等，會對箱內的光纜通信工作產生重大影響，因此，系統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，陽極通過一個串聯電阻連接電源，陰極連接系統地。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生報警信號。當出現水浸現象時，水份連通傳感器兩個電極，產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器。

通過箱內檢測煙霧的濃度來判斷附近是否出現火源，系統選用COMS煙霧傳感器IAQ-CORE-P對箱內下煙霧濃度進行監測。該傳感器具有靈敏度高，響應速度快的特點，工作電壓為3.3 V，通電預熱后，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進行連接，其器件地址為0x5A。在需要讀取檢測結果時，STM32L151RET6發送0xB5給傳感器，然后會收到傳感器返回的9字節數據。前兩個字節和后兩個字節分別代表二氧化碳(單位：ppm)和TVOC(單位：ppb)的濃度，煙霧濃度數據每10分鐘讀取一次。

為防止出現人為破壞，系統增加在非授權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[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任意一個方向產生超過CLICK_THS的加速度時，LIS3DH開始計時，當在定義的時間TIME_LIMIT內加速度值能回落到閾值之下，就認定是一個震動事件。將LIS3DH單擊事件中斷定義在INT1引腳上，當產生震動事件時，可立即激活STM32L151RET6。在初始化角度基礎上，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

為了簡化設計和降低電源系統工作功耗，整個終端電路被設計工作在3.3 V電源系統。系統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壓降的情況，為保證系統穩定工作在3.3 V ,選用升降壓DC-DC電源芯片TPS63805進行穩壓，并且其靜態工作電流為11 μA，符合本系統低功耗應用要求。當電池電壓下降到低于3.3 V時，TPS63805可以無縫實現降壓和升壓的切換，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，滿足系統要求。為了保證系統電源供給的安全，主控器定時檢測電池的電壓，保障供電安穩定性。鋰電池供電時，報警電壓設置為3.5 V。3節南孚干電池供電時，報警點呀設置為2.8 V。在主控器檢測電池電壓達到報警電壓后，上傳報警信號提示及時進行維護。

3 系統軟件設計

整個系統開發基于中國電信物聯網開放平臺，包括終端控制程序、應用服務器軟件以及物聯網開發平臺profile和插件開發。

3.1 終端控制程序

終端控制程序啟動后首先進行STM32L151RET6片上外設的初始化配置，包括GPIO、RTC、定時器、外部中斷、USART、ADC等。然后，對各傳感器模塊進行配置，接著開始配置NB-IOT模塊并附著通信網絡。在確認聯網成功后，開始電子鎖和各傳感器模塊狀態的采集，上傳一次數據到服務器。最后STM32L151RET6啟動定時器并進入低功耗模式，開始周期性數據采集。當出現溫濕度、煙霧、震動、傾斜報警或非授權開門等突發情況時，相關傳感器實時觸發主控制通過NB-IOT網絡上傳服務器進行報警。在巡檢員攜帶數字鑰匙到達現場后，點擊電子鎖外置按鍵，觸發STM32L151RET6開始一次NB-IOT通信，從服務器上獲取當前授權的數字鑰匙。然后，接通藍牙模塊供電開關并配置藍牙模塊，通過藍牙通信開始與巡檢員現場進行數字鑰匙匹配。當數字鑰匙匹配成功后，STM32L151RET6打開電子鎖，并通過NB-IOT通信上傳電子鎖狀態、請求服務器回收已使用的數字鑰匙。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，在檢測到關鎖動作后斷開藍牙模塊終端供電開關并進入到休眠定時狀態。控制程序流程如圖6所示。

圖6 系統終端程序流程圖

3.2 物聯網開發平臺profile和插件開發

這部分NB-IOT通信中的南向開發，系統通信基于COAP協議，在電信物聯網平臺上需要進行NB-IOT模塊的注冊、應用創建以及profile和插件開發。Profile定義應用涉及到的上傳和下發數據的屬性，插件定義具體的通信數據內容與Profile數據屬性之間的映射關系，由物聯網平臺實現廠商定義數據到JSON格式數據的相互轉換。涉及到終端上傳的數據包括采集數據、報警數據以及數字鑰匙請求、回收等[10]。服務器通過物聯網平臺下發給終端的數據包括數字鑰匙和控制碼，如重傳控制、開鎖及解除警告等。系統中涉及到的上傳和下發數據組成如表1所示。

表1 NB-IOT數據通信數據格式

上傳和下發的數據由MessageID、字節數、數據實體以及校驗碼等組成。

上傳的數據包括采集的狀態數據和數字鑰匙請求/回收。狀態數據的MessageID是0x01，其中的RSSI值是NB-IOT模塊本身的射頻信號強度，通過AT+CSQ命令獲取。水浸、震動以及非授權電子鎖開關狀態以開關量封裝在報警碼中。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。

下發的數據包括數字鑰匙和控制碼。數字鑰匙的MessageID是0x11，MID是隨機的16位響應字段，在終端接收到下發的數據后原樣返回給服務器作為接收確認。對應于這一下發數據的確認消息MessageID定為0x12。控制碼的MessageID是0x13，控制碼功能包括數據重傳、緊急開鎖、解除報警等功能，對應于這一下發數據的確認消息MessageID定為0x14。

3.3 監控服務器軟件

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

圖7 監控服務器軟件控制界面

4 系統測試

在不同的位置布置多個終端設備，進行聯網測試，測試結果如表2所示。終端設備可以正常連接到物聯網平臺并將各自的采集數據傳動到監控服務器中，在監控服務器軟件上顯示的電子鎖開關、溫濕度、RSSI以及傾斜度等采集量和現場實測基本一致。對報警功能進行了測試，在非授權狀況下打開電子鎖、將箱體傾斜一定角度等都可以將相關報警信上傳到服務器上進行提示。系統的其他功能如巡檢控制、設備管理、授權管理、電子鎖控制等功能經過測試都能正常工作。

表2 系統測試結果

5 結束語

針對當前光纜交換箱管理存在的問題，設計了一套監控系統，解決了管理、監控和控制等問題。該系統具備智能化、低功耗、通信覆蓋廣和節點多等優點，滿足了光纜交換箱智能化管理的要求，實現了在線管理，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境。另外，本系統相關設計內容適用于如水表、路燈、車位等場景管理應用。