沈良恒+刘建明

摘要：针对当前室外光缆交接箱缺乏有效监管手段的现实情况，设计开发一套由无线传输单元、电子门禁单元和监控中心监管后台组成的集中式监控与管理系统。综合运用单片机结合无线CPU技术、通信电子技术和计算机软件技术，为在室外无源环境且不额外占用有线链路通道的情况下，对光缆交接箱进行信息化远程综合管理提供了有效的解决方案。

关键词：光缆交接箱；无源环境；远程管理；STC单片机；无线CPU

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0230-04

近年来，随着信息产业的飞速发展，光缆交接箱设备的总容量和台套数大量增加，然而被盗和遭破坏的现象时有发生，维护人员巡检和维护也常无记录可查，同时通信运营商出于对其服务质量提升的要求，配线分线设备的维护将趋向无人值守、远程自动监控和集中管理。目前光缆交接箱的联网监控与管理缺少有效手段，而如采用有线联网方式则要么需要占用交接箱内的光纤链路，其缺点是浪费了宝贵的光纤资源；要么通過RJ45接口利用TCP/IP协议联网，或者电话线MODEN拨号联网，其缺点是需要另外布设其他有线链路，施工不方便。而基于无线局域网、蓝牙、ZigBee等的无线网络技术由于传输距离往往最远只有几百米，并且信号容易受阻挡衰减，不能实现远距离下的集中监控。对于光缆交接箱监控管理系统的现场安装单元，无论是有线还是短距离无线联网，安装时一般都需要就近取电，但是安装在室外的光交箱是处于无源环境。在无外接电源提供的环境下要实现远距离不受地理位置限制的对光缆交接箱做信息化集中监控管理，这样的产品目前仍是技术空白。通信运营商在室外设备管理方面对这样的远程无线光交箱监管系统有着迫切的市场需求。

1 总体设计

光缆交接箱集中监控管理系统总体结构如图1所示，由两个无线传输单元、一个电子门禁单元和一套监控中心监管后台组成。两个无线传输单元中的其中一个，即发射端无线传输单元安装在监控现场处，另一个接收端无线传输单元放置在监控中心处和计算机相连。

无线传输单元主要由主控制器、以及与主控制器相连的无线CPU模块、供电模块、实时时钟模块和电压检测模块组成。无线CPU模块为带有移动通信SIM卡座的2G、3G或4G通信模块，供电电路带有低自放电电池组。电子门禁单元包括电子钥匙、门禁控制电路和电子锁头。电子钥匙由维护人员携带；门禁控制电路与发射端无线传输单元及电子锁头相连，使用门磁作为报警触发开关；电子锁头安装在光缆交接箱的箱门上，并设有可插入电子钥匙的接口。接收端无线传输单元与监控中心计算机相连接。此外，为了对电子钥匙中的门禁密码的权限进行分配和保存的开门记录数据的读取，监控中心计算机上配有供电子钥匙与监控中心计算机进行数据交换的适配器。

2 无线传输单元和电子门禁单元设计

2.1 无线传输单元

2.1.1 主控制器

采用低电压低功耗的微控制器STC11L04E单片机设计的最小系统，包括上电复位电路，晶体振荡电路和供电电路。此型单片机的低电压版供电范围是3.6～2.4/2.1V，其中可选择两档复位电压，即2.4V或2.1V，适合电池环境下使用。设计时在电源脚串联一磁珠和接一小电容到地以滤除电路噪声使单片机工作更加稳定可靠。

主控制器负责控制和调度无线CPU模块Q2403A，供电模块GS3406，实时时钟模块DS1302，电压检测模块BD4928及UART通信接口。在具体开发中涉及移动通信技术，AT指令系统和微控制器的中断系统，定时/计数器、串口通信、I2C通信、低功耗模、软件消抖技术等。特别是开启了多个中断源，包括外部中断0，定时器0中断，外部中断1和串口中断，其控制逻辑流程图如图2所示。

2.1.2 无线CPU模块

采用Wavecom公司低成本的工业级Q2403A无线CPU，使用60针脚的板对板插座封装接口，因为使用AT指令开发所以保留一对指令通信用的串口而其他绝大多数引脚在此项目中不使用。Q2403A无线CPU模组同时有管理SIM卡的功能，具备双频GSM/GPRS短信数据EGSM900/1800MHz或EGSM900/1900MHzWISMO2D GSM/GPRS，体积小且耗电量低。其RS-232标准接口包括一个主通道和一个辅助通道，在此直接使用TTL电平，主通道串行接口UART1用于连接Q2403A与STC11L04E单片机。UART1是一个九线接口（TX、RX、CTS、RTS、DSR、DTR、DCD、RI和GND），接口电压为2.8V，遵循V24规范。

根据现阶段实际使用需求，发射端无线传输单元向监控中心发送三种短信息内容：

（1）现场安装完成后，发送“安装成功”指示短信；

（2）电池组电量不足，自动发送“更换电池”指示短信；

（3）异常打开光缆交接箱门，即没有插入正确的电子钥匙就打开箱门，发送“异常开门”指示短信。

2.1.3 辅助功能模块

供电模块为整个无线传输单元的供电电路，电源使用电池组。其中电池组不经过升压电路直接给主控制器供电；无线CPU模块的供电则是通过以GS3406升压DC-DC芯片为核心的升压电路。无线传输单元中使用两节1.5V电池串联通过GS3406升压后给Q2403A提供4.5V的电压，因为Q2403A的供电电压设置在4.2V左右比较稳定（实际范围可在3.4V-4.7V）。

实时时钟模块使用的时钟芯片DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM，每月的天数和闰年的天数可自动调整。通过修改函数“unsigned char time[]={0x11，0x05，0x08，0x07，0x16，0x17，0x00}”设定年、月、日、星期、时、分、秒初始值，再用功能函数“initial_ds1302”完成初始时间值写入DS1302相应寄存器。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：RES 复位， I/O 数据线，SCLK串行时钟。当电子钥匙插入时所写入的时间戳信息就来自于此。

电压检测模块采用独立低功耗超小封裝的电压检测芯片BD4928设计。因为STC11L04E微控制器内部没有集成比较器，所以无法使用单片机内部资源来构成电压检测电路。在测试评估中做了从2.2V～3.0V的电压变化测试，为保障无线传输单元正常工作则电池欠压告警门限设定在2.8V为最合适。

2.2 电子门禁单元

2.2.1 电子钥匙

考虑小巧便携做成类似U盘的形式，接口使用USB公头接口，内部包含一颗EEPROM存储器。由于USB接口可以看成总共5个引脚（外壳的屏蔽地也算一个引脚）的端子，其中一对用于电源供电环路，一个引脚用于插入钥匙时中断触发STC11L04E的中断脚，剩下两根引脚用于I2C数据交换。市面上双线通信的I2C总线EEPROM存储器芯片已经做到最大512Kbit容量，如24C512芯片且低压版型号电压范围是1.7V～3.6V适合无线传输单元内电池组提供的电压。电子钥匙在插入电子锁头的瞬间一方面用于比对开门密码，另一方面主控制器也把当时的时间和站点ID等信息写回电子钥匙存储下来，作为维护人员的巡检考勤数据。表1给出了STC11L04E对24C512操作用到的函数。

STC11L04E微控制器通过以下写与读I2C总线函数对24C512相应存储地址进行操作。值得注意的是无论读写操作地址都发送了两次，即把高8位和低8位分别发出。这是由于24C512容量是512Bit仅仅一个8位地址已不够寻址。

2.2.2 门禁控制电路和电子锁头

门禁控制电路主要使用一对门磁开关，只有在电子锁头读取电子钥匙中的密码并匹配正确时，才会解除门磁告警而允许开门，否则将触发“异常开门”指示短信。光交箱的电子锁头包含电插锁，对外接口采用防水防尘防晒设计，作为电子钥匙的插入接口。

3 监控中心监管后台设计

位于监控中心的监控管理后台是一组基于C/S架构安装有管理客户端软件和数据库的计算机，可通过适配器与电子钥匙进行数据交换、权限分配和密码口令修改等操作。操作人员登录监控管理后台便可管理所有的光缆交接箱数据及电子钥匙的权限分级设置与配发操作。监控管理后台提供完整的交接箱属性数据管理功能，包括站点编号、所属地理位置、交接箱总容量和已占用容量、当前及历史记录查询等，同时还提供电子钥匙使用权限人员数据库，建立有巡检人员完整档案，能够分析记录的数据并形成管理报表，如光交箱设施某一时期的状态报表、电子钥匙使用情况报表等。

监控管理后台的图形化人机界面具备以下可操作的功能窗体：

1） “站点设置”功能界面，设置相应的站点ID，并且可对站点ID进行添加、修改和删除操作。站点ID池最大容量为65535个站点。

2） “人员设置”功能界面，设置相应的人员ID和编辑个人信息，并且可对人员ID进行添加、修改和删除操作。人员ID池最大容量为255个名额。

3） “数据下载”功能界面，使用计算机的USB接口通过适配线挂载电子钥匙查看其中存储的数据。下载操作可以把钥匙里的数据保存于本地数据库中，也可初始化电子钥匙。

4） “钥匙分配”功能界面，用于给电子钥匙分配权限，进行虚拟钥匙的分派。可对电子钥匙进行添加和删除操作，也可以编辑对应的描述和备注信息。

5） “查询报表”功能界面，用于把数据库中的报表导出生成Excel文件，并可以直接打印。

6） 添加和修改系统后台的登录用户名及密码功能。

监控中心计算机内的管理客户端软件是通过适配线与电子钥匙进行数据交换，权限分配和加密口令修改等操作。适配线主要使用了USB转串口芯片FT232RL芯片并配合协议转换器件读写电子钥匙中的EEPROM内的数据。FT232RL芯片对操作系统兼容性好，尤其在Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容。在计算机端把连接的USB转串口芯片识别为串口设备，开发人员采用串口协议编写主机端处理程序；在设备端，连接的USB转串口芯片作为UART设备，开发人员采用UART协议编写终端控制程序。这样带来的优点是在硬件上，拥有了USB的优点，即现在很多设备都没有串口，只有USB接口才能适用；在软件上，开发人员编写的是UART协议，避开了USB协议的复杂性。

4 结语

光缆交接箱集中监控管理系统的实施可有效解决无源环境下光缆交接箱的监控和管理问题。光交箱的远距离监控不需要额外占用和部署有线链路通道，只要无线移动通信网络能到达的地方都能方便组网。实施集中监管后带来运维的高效率和高可靠性，不仅可对设备进行监管，也可对巡检维护人员进行量化考核，充分提高了现代信息化科学管理水平。另外，本系统可以推广到其他类似业务逻辑场景下的室外设备的远程监控管理领域。

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