基于NB-IOT智能光缆交换箱监控系统设计与实现

徐灵飞，陈 斌

(1.成都理工大学 工程技术学院，四川 乐山 614000；2.四川金互通科技股份有限公司，四川 乐山 614000)

0 引言

光缆交换箱承担着通信网络的测试、跳转、链接、分线等作用，其工作环境会影响内部通信线路的工作状态和寿命，它的安全与正常运转对于通信企业而言十分重要，因此需要定期对其进行巡检维护。大部分光缆交换箱都采用的是人力巡检模式，钥匙管理困难、状态监控困难、维护检修记录难管理等问题，使得光缆交换箱运营成本高管理效果欠佳，存在智能化联网监控改造的需求。GPRS技术的引入部分解决了光缆交换箱运营维护困难的问题[1]，但是，GPRS功耗较大，在无源光缆交换箱中无法使用，因此，其将逐渐被停止服务。物联网技术的普及应用和NB-IoT商用网络建成[2]，为光缆交换箱运营管理的实时监控提供了理想的广域、低功耗、低成本的网络技术基础[3]。NB-IOT网络覆盖更广、网络连接数量更大、通信功耗极低[4]，使得基于NB-IOT技术的光缆交换箱监控器不仅适用于城区，也可以广泛使用在乡间、偏僻山区[5-6]，并解决了无源光缆交换箱电池长续航需求问题。

1 系统设计方案

整个系统基于NB-IOT通信网络，实现光缆交换箱钥匙数字化管理、防盗预警和箱内状态温湿度、烟雾、水浸及倾斜等状态的监测，解决光缆交换箱管理现存的弊端。监控系统主要由光缆交换箱监控终端和NB-IOT监控服务器组成，其结构如图1所示。监控终端检测光缆交换箱状态、上传数据并完成电子锁控制，NB-IOT监控服务器管理整个系统监测数据[7]，并完成光缆交换箱突发状况巡检任务分配。

图1 监控系统结构图

系统在正常运行期间，检测温湿度、烟雾、水侵、振动、倾斜以及电池状态，并定时将状态值上传到服务器，用于光缆交换箱日常工作状态后期的分析。在出现突发情况，如水侵、烟雾值超标、振动和大角度倾斜等事件时，蜂鸣器报警提示，实时将状态数据上传，并缩短上传间隔时间，增加报警数据检测量，细化记录异常转台变化过程。在监控服务器发现异常后，及时将相关信息通知给管理员，以分派巡检员及时进行巡检维护。

光缆交换箱数量众多，钥匙的管理是保证资产安全和巡检维护的一个重要环节。在机械钥匙的基础上，结合NB-IOT、蓝牙技术实现钥匙数字化管理，数字钥匙管理系统如图2所示。在需要进行光缆交换箱巡检或出现突发状况时:1)管理员生成需要巡检的光交箱的数字钥匙；2)通过服务平台下发到巡检员手机中；3)在巡检员到达现场后触发终端数字钥匙请求并同步到光缆交换箱监控终端中；4)打开监控终端中的蓝牙功能以备开锁，巡检员使用手机通过蓝牙与监控终端进行数字钥匙匹配，决定是否打开电子锁；5)然后监控终端将电子锁状态上传到服务平台；6)在数字钥匙一次使用完毕后，服务器通过NB-IOT网络将数字钥匙回收，避免数字钥匙的反复使用。如果数字钥匙匹配失败，巡检员联系管理员重新生成钥匙再次进行图2中的1)～6)的步骤。在光缆交换箱电子锁的数字化管理系统下，实现了智能开锁，避免了钥匙复制、丢失带来的安全问题，减少非法开门存在的隐患。

图2 数字钥匙管理系统

2 监测终端硬件系统设计

监测终端硬件系统主要包括5个部分：主控器模块、通信模块、电子锁控制模块、传感器模块以及电源管理模块，结构如图3所示。

图3 监测终端系统结构图

整个监控终端电路设计工作在3.3 V，电源管理模块实现在主控器控制下实现对高耗电功能模块电源供给的管理，在不需要工作的时候切断这些工作电源，例如:电子锁、蓝牙通信等。并由主控器定时检测电池的电压监测电池电量。通信模块由NB-IOT和蓝牙两个功能组成，NB-IOT主要实现监测数据的上传和服务控制平台控制命令的接收，蓝牙功能用于巡检员数字钥匙的验证。电子锁控制模块主要用于实现对电子锁的控制和状态检测。传感器模块由温湿度传感器、水侵传感器、振动传感器等组成，检测工作环境状态。在STM32L151RET6的管理下，终端定时将采集的相关状态数据通过NB-IOT模块上传到服务器。在采集间隙多数模块工作在低功耗状态[8]，如果出现突发状况或需要通信时，通过中断事件唤醒STM32L151RET6，及时采集数据并上传预警。

2.1 主控器

系统选择超低功耗的STM32L151RET6作为主控器，它的内部集成了丰富的片上外设，如GPIO、USART、ADC、RTC等，满足本系统外围电路控制需求。该芯片具有5种低功耗模：低功耗运行模式、睡眠模式、低功耗睡眠模式、停止模式、待机模式，可以在终端采集传输数据间隙，使其运行于低功耗模式。根据系统要求，选择低功耗睡眠模式作为低功耗模式。监控器在正常工作时每个10分钟进行一次状态的采集和数据的传输，然后STM32L151RET6进入低功耗模式。在没有服务平台下发NB-IOT控制指令和出现异常状况时，STM32L151RET6的唤醒由RTC中断触发。出现异常情况时，由外围电路产生的电信号触发中断事件唤醒STM32L151RET6。

2.2 通信模块

通信模块包括NB-IOT模块电路和蓝牙模块电路。NB-IOT模块选用四川爱联的AI-NB15，通过串口与STM32L151RET6通信交互信息。AI-NB15模块硬件电路如图4所示。

图4 AI-NB15模块硬件电路图

STM32L151RET6通过主串口(HST)向AI-NB15模块发送AT指令，实现AI-NB15模块的初始化和数据的收发。AI-NB15模块具有3种工作模式：Active、 IDLE和PSM，它会根据Active→IDLE(持续时间为T3324设定时间)→PSM(持续时间为T3312设定时间，期间可以外部激活)这样的形式在3种模式之间进行切换。根据实际需求，通过AT+CPSMS指令可以设定T3324和T3312两个定时器的定时长度。AI-NB15模块大部分时间处于PSM状态，此时其消耗电流仅为5 μA，极大地降低了系统的功耗，比较适合电池供电的应用场景。

蓝牙模块主要用于巡检员与监测终端之间数字钥匙的验证。如果数字钥匙验证通过，则打开光缆交换箱的电子锁。虽然蓝牙模块有省电模式，但因为蓝牙模块只有巡检员处于现场时才会工作，因此，在终端中添加了一个蓝牙模块的供电开关。当巡检员点击电子锁上的开锁按钮时，才会控制蓝牙模块的供电开关，开始与巡检员手机之间的通信。

2.3 电子锁控制电路

电子锁外置一个触发按键(LOCK_KEY)，电路上连接到STM32L151RET6。当巡检员携带数字钥匙到达现场时，点击触发按键激活STM32L151RET6和通信模块。电子锁控制电路如图5所示。STM32L151RET6通过NB-IOT模块向服务器请求下发数字钥匙，然后通过蓝牙模块和巡检员之间进行数字钥匙的匹配。当匹配成功时，STM32L151RET6在LOCK_CTL引脚上输出高电平，从而使得图5中的Q1和Q2源极和漏极导通，从而给电子锁供电打开电子锁。电子锁电路上有开关检测功能(LOCK_DEC)，当在非授权情况下开锁时，STM32L151RET6会实时上报报警信息到服务器，并打开蜂鸣器现场报警。

图5 电子锁控制电路

2.4 传感器模块

传感器模块主要监测光缆交换箱内的工作环境，并完成对光交箱进行防盗预警。

温湿度传感器采用Si7021，STM32L151RET6通过I2C接口与其通信，可实现0～100%RH的湿度量程和最大-40～+125 ℃的温度量程，运行时150 μA低功耗满足对低功耗的需求。由于温湿度属于缓慢变化信号，因此每30分钟检测一次[9]。

在出现一些突发状况时，如漏雨、自燃等，会对箱内的光缆通信工作产生重大影响，因此，系统中添加了水浸和烟雾传感器。水浸传感器使用双极型传感器，阳极通过一个串联电阻连接电源，阴极连接系统地。阳极接入低功耗比较器TLV7042，比较器输出连接STM32L151RET6，通过检测两个电极之间的阻值变化产生报警信号。当出现水浸现象时，水份连通传感器两个电极，产生的阻值变化引起比较器输出电平的变化，并通过中断事件唤醒STM32L151RET6，将报警信号上传服务器。

通过箱内检测烟雾的浓度来判断附近是否出现火源，系统选用COMS烟雾传感器IAQ-CORE-P对箱内下烟雾浓度进行监测。该传感器具有灵敏度高，响应速度快的特点，工作电压为3.3 V，通电预热后，在脉冲工作模式下功耗仅为9 mW。IAQ-CORE-P传感器通过I2C接口和STM32L151RET6进行连接，其器件地址为0x5A。在需要读取检测结果时，STM32L151RET6发送0xB5给传感器，然后会收到传感器返回的9字节数据。前两个字节和后两个字节分别代表二氧化碳(单位：ppm)和TVOC(单位：ppb)的浓度，烟雾浓度数据每10分钟读取一次。

为防止出现人为破坏，系统增加在非授权操作情况下震动和倾斜检测功能，这个功能通过超低功耗3轴运动加速传感器LIS3DH实现[10]。定义震动为加速度增加并减小的加速度变化过程，利用LIS3DH的单击识别功能可以识别震动事件。这需要定义识别单击事件的加速度上限阈值CLICK_THS(定义为2.046 g)，并设定加速度增加和下降的时间间隔TIME_LIMIT(定义为500 ms)，只要在x、y、z任意一个方向产生超过CLICK_THS的加速度时，LIS3DH开始计时，当在定义的时间TIME_LIMIT内加速度值能回落到阈值之下，就认定是一个震动事件。将LIS3DH单击事件中断定义在INT1引脚上，当产生震动事件时，可立即激活STM32L151RET6。在初始化角度基础上，每10分钟检测一次LIS3DH的重力加速度的变化，检测箱体倾斜的角度，超出定义的阈值则上报报警信息。

2.5 电源管理

为了简化设计和降低电源系统工作功耗，整个终端电路被设计工作在3.3 V电源系统。系统由锂电池或普通干电池供电，由于电池在长时间使用后会出现压降的情况，为保证系统稳定工作在3.3 V ,选用升降压DC-DC电源芯片TPS63805进行稳压，并且其静态工作电流为11 μA，符合本系统低功耗应用要求。当电池电压下降到低于3.3 V时，TPS63805可以无缝实现降压和升压的切换，在1.3～ 5.5 V输入电压范围下可输出3.3 V，并提供2 A的工作电流，满足系统要求。为了保证系统电源供给的安全，主控器定时检测电池的电压，保障供电安稳定性。锂电池供电时，报警电压设置为3.5 V。3节南孚干电池供电时，报警点呀设置为2.8 V。在主控器检测电池电压达到报警电压后，上传报警信号提示及时进行维护。

3 系统软件设计

整个系统开发基于中国电信物联网开放平台，包括终端控制程序、应用服务器软件以及物联网开发平台profile和插件开发。

3.1 终端控制程序

终端控制程序启动后首先进行STM32L151RET6片上外设的初始化配置，包括GPIO、RTC、定时器、外部中断、USART、ADC等。然后，对各传感器模块进行配置，接着开始配置NB-IOT模块并附着通信网络。在确认联网成功后，开始电子锁和各传感器模块状态的采集，上传一次数据到服务器。最后STM32L151RET6启动定时器并进入低功耗模式，开始周期性数据采集。当出现温湿度、烟雾、震动、倾斜报警或非授权开门等突发情况时，相关传感器实时触发主控制通过NB-IOT网络上传服务器进行报警。在巡检员携带数字钥匙到达现场后，点击电子锁外置按键，触发STM32L151RET6开始一次NB-IOT通信，从服务器上获取当前授权的数字钥匙。然后，接通蓝牙模块供电开关并配置蓝牙模块，通过蓝牙通信开始与巡检员现场进行数字钥匙匹配。当数字钥匙匹配成功后，STM32L151RET6打开电子锁，并通过NB-IOT通信上传电子锁状态、请求服务器回收已使用的数字钥匙。在电子锁开锁后的整个巡检过程中，STM32L151RET6都处于正常运行状态，在检测到关锁动作后断开蓝牙模块终端供电开关并进入到休眠定时状态。控制程序流程如图6所示。

图6 系统终端程序流程图

3.2 物联网开发平台profile和插件开发

这部分NB-IOT通信中的南向开发，系统通信基于COAP协议，在电信物联网平台上需要进行NB-IOT模块的注册、应用创建以及profile和插件开发。Profile定义应用涉及到的上传和下发数据的属性，插件定义具体的通信数据内容与Profile数据属性之间的映射关系，由物联网平台实现厂商定义数据到JSON格式数据的相互转换。涉及到终端上传的数据包括采集数据、报警数据以及数字钥匙请求、回收等[10]。服务器通过物联网平台下发给终端的数据包括数字钥匙和控制码，如重传控制、开锁及解除警告等。系统中涉及到的上传和下发数据组成如表1所示。

表1 NB-IOT数据通信数据格式

上传和下发的数据由MessageID、字节数、数据实体以及校验码等组成。

上传的数据包括采集的状态数据和数字钥匙请求/回收。状态数据的MessageID是0x01，其中的RSSI值是NB-IOT模块本身的射频信号强度，通过AT+CSQ命令获取。水浸、震动以及非授权电子锁开关状态以开关量封装在报警码中。钥匙控制的MessageID是0x02，以0x55作为钥匙请求码，0xAA作为钥匙回收码。

下发的数据包括数字钥匙和控制码。数字钥匙的MessageID是0x11，MID是随机的16位响应字段，在终端接收到下发的数据后原样返回给服务器作为接收确认。对应于这一下发数据的确认消息MessageID定为0x12。控制码的MessageID是0x13，控制码功能包括数据重传、紧急开锁、解除报警等功能，对应于这一下发数据的确认消息MessageID定为0x14。

3.3 监控服务器软件

这部分是NB-IOT通信中的北向开发，监控服务器与物联网平台之间通过HTTPS协议进行通信，通信数据以JSON格式进行组织。监控服务器使用物联网平台地址/端口号、创建应用或项目后获取的应用ID、应用密钥完成对平台上设备的注册，实现监控服务器和物联网平台的对接。之后监控服务器可以订阅物联网平台数据，实现物联网平台到服务器消息推送以获取NB-IOT终端的上传数据。当服务器需要下发指令时，需要将相应的控制指令包装成JSON格式发送给物联网平台，并根据接插件转换成自定义数据等待终端查询。服务器管理软件以城市为单位，可以选择城市不同区域进行管理，能够显示设备总数、在线数量以及报警数量，并能够查看设备的在线信息和报警信息。选择需要查看的设备，可以显示设备的基本信息和状态信息，如设备位置、设备ID、巡检状态、电子锁状态、温湿度等。软件设定了灵活的管理功能，通过巡检控制功能可以进行设备的巡检任务的分配，设备管理功能可以实现设备的增加、删除等，授权管理可以给设备指定巡检员，通过设备日志功能可以查询设备的历史状态信息，解除报警和电子锁控制功能可以实现服务器向下到设备的控制。服务器软件的界面如图7所示。

图7 监控服务器软件控制界面

4 系统测试

在不同的位置布置多个终端设备，进行联网测试，测试结果如表2所示。终端设备可以正常连接到物联网平台并将各自的采集数据传动到监控服务器中，在监控服务器软件上显示的电子锁开关、温湿度、RSSI以及倾斜度等采集量和现场实测基本一致。对报警功能进行了测试，在非授权状况下打开电子锁、将箱体倾斜一定角度等都可以将相关报警信上传到服务器上进行提示。系统的其他功能如巡检控制、设备管理、授权管理、电子锁控制等功能经过测试都能正常工作。

表2 系统测试结果

5 结束语

针对当前光缆交换箱管理存在的问题，设计了一套监控系统，解决了管理、监控和控制等问题。该系统具备智能化、低功耗、通信覆盖广和节点多等优点，满足了光缆交换箱智能化管理的要求，实现了在线管理，简化了巡检工作，大幅提高了光缆交换箱的安全性，保障了光缆通信的安全工作环境。另外，本系统相关设计内容适用于如水表、路灯、车位等场景管理应用。