专利名称：光缆交接箱集中监控管理系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光缆交接领域，尤其针对无电源取用和无有线信道链路提供的环境下使用的一种光缆交接箱集中监控管理系统。
背景技术：
近年来，随着信息化产业飞速发展，光缆交接箱设备的总容量和台套数大量增加，然而时有被盗和遭破坏的现象发生，通信运营商出于对其企业利润最大化的要求，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主要是通过有线方式，比如需要占用交接箱内的光纤链路，浪费了宝贵的光纤资源。也有另外借用其他有线链路，如通过RJ45接口利用TCP/IP协议连网，通过RS485或者RS232接口控制器连网，电话线MODEN拨号联网等，其缺点是需要布线，施工不方便。而基于ISM开放频段的无线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。对于现有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。在无电源提供的环境下要实现远距离甚至全球距离都能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。然而在通信运营商室外设备管理方面对这样的远程无线光缆交接箱监控系统有着迫切的市场需求。
实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是在无提供外部电源接入和无可利用的有线监控链路通道的情况下，实现对光缆交接箱做信息化监控和管理的一种光缆交接箱集中监控
管理系统。为解决上述问题，本实用新型所设计的光缆交接箱集中监控管理系统，主要由至少两个无线传输单元、至少一个电子门禁单元和一个监控中心计算机组成。其中，每2个无线传输单元中的其中一个即发射端无线传输单元放置在监控现场处，另一个即接收端无线传输单元放置在监控中心处。发射端无线传输单元和接收端无线传输单元的结构均相同，且两者通过无线连接实现双向通信。每个电子门禁单元包括电子钥匙、门锁控制电路和电子锁头。门锁控制电路上设有电子钥匙的接口，门锁控制电路与发射端无线传输单元和电子锁头相连。电子锁头安装在光缆交接箱的箱门上。接收端无线传输单元与监控中心计算机相连接。上述方案中，每个无线传输单元主要由主控芯片、以及与主控芯片相连的无线模块电路、供电电路、接口电路、实时时钟电路、电压检测电路和旁路电路组成。上述方案中，所述无线模块电路为带有移动通信卡座的2G、3G或4G通信模块。上述方案中，所述供电电路为低自放电电池模组。上述方案中，所述接口电路上设有钥匙接口、门禁接口和调试下载接口 ；其中发射端无线传输单元的钥匙接口与电子钥匙相连，发射端无线传输单元的门禁接口与电子锁头相连，接收端无线传输单元的调试下载接口与监控中心计算机相连。上述方案中，监控中心计算机上设有供电子钥匙与监控中心计算机进行数据交换的适配线。与现有技术相比，本实用新型具有以下特点:1、有效解决无源环境下光缆交接箱的监控和管理问题，自主研发的远程无线传输单元功耗低，工业性能可靠，低自放电可充电电池模组维护简便；2、有效解决光缆交接箱的远距离管理，不额外使用有线链路通道，只要2G移动通信网络能到达的地方都能方便联网；3、电子锁使用无源设计，并且设有机械备锁开启功能，安全可靠，故障率降至最低；4、突出展现实施集中监控和管理后带来的高效高可靠性，强大的后台数据库系统和管理软件充分提高了现代信息化管理水平。
图1为光缆交接箱集中监控管理系统的原理图。
具体实施方式
一种光缆交接箱集中监控管理系统，如图1所示，主要由至少两个无线传输单元、至少一个电子门禁单元和一个监控中心计算机组成。每2个无线传输单元中的其中一个即发射端无线传输单元放置在监控现场处，另一个即接收端无线传输单元放置在监控中心处。发射端无线传输单元和接收端无线传输单元的结构均相同，且两者通过无线连接实现双向通信。上述每个无线传输单元主要由主控芯片、以及与主控芯片相连的无线模块电路、供电电路、接口电路、实时时钟电路、电压检测电路和旁路电路组成。所述无线模块电路为带有移动通信卡座的2G、3G或4G通信模块。所述供电电路为低自放电电池模组。所述接口电路上设有钥匙接口、门禁接口和调试下载接口 ；其中发射端无线传输单元的钥匙接口与电子钥匙相连，发射端无线传输单元的门禁接口与电子锁头相连，接收端无线传输单元的调试下载接口与监控中心计算机相连。每个电子门禁单元包括电子钥匙、门锁控制电路和电子锁头。门锁控制电路上设有电子钥匙的接口，门锁控制电路与发射端无线传输单元和电子锁头相连。电子锁头安装在光缆交接箱的箱门上。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，监控中心计算机上设有供电子钥匙与监控中心计算机进行数据交换的适配线。在本实用新型优选实施例中，上述各部分的具体组成如下:1、无线传输单元①主控芯片:采用低电压低功耗的微控制器STC系列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。此部分相对其他外围电路来说是主控板的心脏，负责调度主控板上的其他单元。微控制器最小系统的时钟电路设计是采用的内部方式，利用芯片内部的振荡电路。作为微控制器的STC单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚Xl和X2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C7和CS构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和温度的稳定性。本实施例使用11.0592MHz,电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30pF。在焊接印刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠地工作。STC11L04E主控单片机作为低电压版本供电范围是3.6-2.4/2.1V，其中可选择两档复位电压，即2.4V或2.1V。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。上电复位电路的电容在上接高电平，IOK电阻在下接地，中间为接单片机的RST引脚。这种复位电路的工作原理是:通电时，电容C6两端相当于是短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始正常工作。②无线模块电路:发射端无线传输单元的无线模块电路采用Wavecom公司的Q2403A无线CPU芯片。使用60针脚的板对板插座设计，因为使用AT指令开发所以保留一对指令通信串口而其他绝大多数引脚在此项目中不使用。Q2403A无线CPU模块同时负责有管理SIM卡的功能。接收端无线传输单元的无线模块电路采用与发射端无线传输单元的无线模块电路相配合的无线CPU芯片。Q2403A模块双频GSM/GPRS短信数据模块EGSM900/1800MHz 或 EGSM900/1900MHzWISM02D GSM/GPRS 模块具备语音编解码三为一体全速率，增强全速率及半速率(FR/EFR/HR)GPRS/GSM模块，体积小及耗电量低。话音、传真、短信及数据功能为特定应用设计的AT命令遥控系统。WISM02D GPRS/GSM模块已通过GSMPhase2+技术标准的所有认证及即装即用。Q2403A GPRS/GSM模块电源接口 SM检查器应用于3VSM介面(5VSM必须外置电压切换器)两个微型话筒输入及两个微型扬器输出，通用I/O通过串连模拟与数字信息转换器应用于5X5按键盘的输入，一个蜂鸣器输出，RS-232串口支持WISM02D GSM/GPRS模块用AT命令作遥控(GSM07.07及07.05)，串连比特率从300 至 115，200bits/s，自动比特率(300 至 38，400bits/s)和 IrDAL 2 协议(采用外置 IR收发器)。RS-232标准包括一个主通道和一个辅助通道，在此直接使用TTL电平，主串行接口 UARTl 用于连接 Q2403A 与单片机。UARTl 是一个九线接口(TX、RX、CTS、RTS、DSR、DTR、D⑶、RI和GND)，接口电压为2.8V，遵循V24规范。在多数异步串行通信的应用中主要使用主通道，即仅使用RXD、TXD信号，分别对应COMl和COM2。当无线CPU Q2403A处于关闭状态时，在预充电模式下Flash_LED会不断闪烁；当无线CPU处于开启状态时，Flash_LED用于指示网络状态。此处主控板设计时预留了这部分，但是调试时需要外接调试板上提供的LED指示灯。SM卡座的SM卡接口可控制3VS頂卡(或通过外部的SM卡驱动器控制5VSM卡)，该接口完全符合GSM 11.11关于SM卡功能的标准。SM卡接口有5个引脚=SMVCC为SIM卡提供工作电源；SMRST作为SIM卡复位信号使SIM卡复位；SMCLK是时钟信号脚，为SM卡提供工作时钟；SMDATA作为I/O端口 ；SMPRES用于SM卡检测。需要注意的是，不使用SM卡时，SMPRES必须与VCC连接；使用SM卡时，电平由低到高跃迁表示SM卡被插入，电平由高到低变化表示SM卡被移除。其中与SMVCC连接的电容C不能超过470nF。③供电模块:为整个远程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芯片单元供电；无线模块电路的供电则是通过以GS3406升压DC-DC芯片为核心的升压电路。无线传输单元可以使用3节1.5V电池串联通过GS3406升压后给Q2403A提供4.5V的供电，同时分路通过选用静态功耗极低的LDO给STC单片机提供3.3V电压，其中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)。为了使电池容量利用更彻底，先设计为采用4节1.5V电池，两两串联再并联提供总的3V电压，同时总电量也得以提升。可以不通过LDO直接供电STC单片机，而Q2403A的供电通过升压供电电路升压后，可以通过使能控制端在需要启动无线CPU时上升到4.2V。在升压DC-DC芯片选型时评估了专用于GSM Modems应用场合的LTC3125和LTC3127芯片，带使能控制端，在非使能工作状态下静态功耗极低(0.1uA)，并且输出电压方便可调。但是最终出于成本考虑选用了和LTC功能相似的国产芯片中广芯源的GS3406，MS0P-10封装外围电路也比较简洁。输出电压可通过配置Ral，Ra2与R2的电阻比值校准到需要的数值。值得注意的是，电压输出端并联一对2200uF大电容是考虑Q2403A有可能在启动和发射瞬间需要2A脉冲大电流的需要，之所以并联也是考虑降低电容内阻的需要。⑤接口模块:所有对外交互的接口都在此单元中，电子钥匙与门禁复合接口的物理结构采用一个标准DB9串口，带接口保护技术设计。另外独立的调试下载接口设计方便调试和下载程序。电子钥匙与门禁复合接口借用DB9串口的物理结构，针脚数量比较合适，机械刚性也适合接插安装，稳固牢靠。九针(含外壳作为第十脚)中只有一针预留，其中电子钥匙占用五个引脚；门禁检测占用两个引脚，分别对应开门和关门检测，剩余一引脚接地。电子钥匙的供电回路占用五个脚中的两个，正极串联一 2A自恢复保险电阻，进行过流保护，比如即使电子钥匙故障短路也不至于损坏无线发射单元内的供电部分。“USB”端口用于提供中断触发源，即当电子钥匙插入时能触发无线传输单元内的MCU唤醒并工作。I2C总线、USB电子钥匙触发线和门禁检测线都串联一小电阻限流作为接口保护措施。调试下载接口设计为六针迷你排插，其中COMl和COM2作为在线编程接口通过STC-1SP软件烧写程序到主控板上的MCU，当然这里使用的是TTL电平，需要经过电平转换再连接入电脑的RS232串口。Load_RTC、Flash LED和BEEP是辅助调试接口，分别外接低电平、发光二极管和蜂鸣器电路，用于调试时钟芯片的时间初始化，查看无线猫模块工作状态和表示无线发射单元工作在哪个阶段。⑥实时时钟模块:以DALLAS公司的DS1302实时时钟芯片为核心，本单元设计带有独立的军工级低频率时钟晶体，以及纽扣电池作为备份电源。主控芯片单元通过3根单片机口线与其交互。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，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、周、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整。时钟操作可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。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。时钟/RAM的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。广泛应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等产品领域。DS1302是由DS1202改进而来增加了以下的特性:双电源管脚用于主电源和备份电源供应，芯片第八脚BAT引脚为可编程涓流充电电源，附加七个字节存储器。DS1302设计用于非常低的功耗，可以在少于Imff的功耗时保持数据和时钟信息。工作电流在2.0V时小于300nA，在此BAT选用CR1220纽扣电池就足够使用10年以上。R4位置设计零值电阻用于选择性当跳线用，即可以选主电源供电或纽扣电池供电。Y2晶体尽量选用军工级的产品，虽然价格较贵，但是能保证强射频干扰环境下时钟走时的精确性。[0024]⑦电压检测电路:采用独立的低功耗且超小封装的电压检测芯片BD4928设计，为远程无线传输单元的可靠工作带来保障。电压检测电路采用低功耗的电压检测芯片BD4928是经过多次试验确定的型号。因为MCU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，得选择专用IC来搭建。在试验评估中做了从2.2V-3.0V的电压检测测试，当电池组稳定在2.2V时其实这时Q2403A在发送短信瞬间已经欠压，导致主控板复位；而电压检测值设定在3.0V时又不能充分用尽电池组的电量(新电池组在未接入负载时的电压会在3.5V左右，而非理论上的两节标称1.5V电池串联后的3.0V整)。BD48XX是开漏输出，需要接上拉电阻，而BD49XX是COMS输出，不用上拉，电路简化，而且选择FVE超小封装布局紧凑。⑧旁路电路:上拉电阻阵列的四条口线用于中断唤醒主控芯片单元；强化设计了钥匙插入检测电路，提高电子钥匙在使用时的可靠性。上拉电阻阵列中对应的四条口线都是用于中断唤醒单片机使用的，分别对应门禁的开启触发、关门触发、USB电子钥匙插入触发和低电压检测芯片触发。由于单片机中断响应时检测的是低电平或是下降沿触发，所以设置口线初始态为高电平，而且考虑静态功耗竟可能小，于是选用稍大的IOK电阻串联。上拉后也增强了端口的抗干扰能力消除端口异动的可能。电子钥匙插入检测电路在USB电子钥匙插入检测脚串联一磁珠(或电感)和接一小电容到地以滤除电路噪声，也属于物理去抖动的范畴，使单片机具有中断功能的口线工作更加稳定可靠。2、电子门禁单元①电子钥匙因有小巧便携的要求，于是做成类似U盘的形式，接口也是使用USB公头接口。由于USB接口可以看成总共才5个引脚(4根引脚和外壳的屏蔽地)的端子，其中一对用于电源供电环路，一个引脚用于中断触发(接到STC微控制器的中断脚)，那么只剩下两根引脚用于数据交换，引脚数十分紧张。目前也有单条总线通信的EEPROM存储芯片，但是容量做不大，而市场上双线通信的I2C总线已经做到最大512Kbit容量，而且低压版电压范围是1.7V-3.6V匹配远程无线传输单元内电池组提供的电压。在电子钥匙内部电路中，可以看到I2C总线上各设计有一个上拉电阻增加驱动能力，上拉阻值大小也和通信速率有关。因为I2C通信协议对信号线长度有限定，所以也要求电子锁头的引出线到主控板的距离控制在70cm以内较为可靠。同时增加发光二极管电路，可跨接到I2C总线任一条线路上用于通信指示显示，如有数据交互时会表现为闪烁。②门锁控制电路和电子锁头整体构成电子门锁的主体部分，该电子门锁采用防水防尘防晒设计。门锁控制电路只有在电子钥匙插入时才工作，因为电子门锁和电子钥匙匹对密码口令时是使用电子钥匙的插入触发来唤醒供电模块提供的电源。只有在电子锁头读取电子钥匙中的密码并匹配正确时，才会由门锁控制电路控制开门并解除门磁告警。3、监控中心计算机位于监控中心的监控中心计算机的监控管理后台系统实质是一台装有管理软件的数据库服务器，登录后台系统客户端管理软件便可监控所有的光缆交接箱，电子钥匙的权限分级设置与配发及报表生成操作。系统提供完整的交接箱属性数据管理功能，包括门禁编号、所属地理位置、当前及历史记录查询等。系统还提供电子钥匙使用权限人员数据库，建立有完整档案。系统能够自动处理记录的监控数据并形成管理报表，如电子门锁单元某一时期的状态报表、电子钥匙使用情况报表等，从而提高了现代化管理水平。[0031]此外，监控中心计算机内的客户端管理软件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。适配线电路使用了 USB转串口芯片FT232RL芯片:在主机端，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(主机端，PC机端)；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(设备端，控制板端)。这样带来的优点是:硬件上，拥有了USB的优点:现在很多设备都没有串口，只有USB接口才能适用。软件上，开发人员编写的是UART协议，避开了 USB协议的复杂性。实现USB转串口的转接芯片有多种方案，国产的有CH340外围元器件只需要晶体和电容，计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容，价格便宜；Prolific公司的PL2303作为USB/RS232双向转换器，由器件自动完成，开发者无需考虑固件设计，高兼容驱动可在大多操作系统上模拟成传统COM端口，市面上应用相当广泛。但是最终考虑选用进口的FT232RL芯片，虽然价格较贵但是最稳定，热插拔不会像PL2302那样容易烧掉，并且适配线所需的数量相对并不多，所以稳定为主价格次要。FT232R整合了 EEPR0M，可用于IO的配置以及存储USB VID序列号和产品描述信息PID。芯片能自行产生时钟，无需外挂晶振钟振，节约成本。而且内部集成了电源去耦RC电路，自带TX、RX收发指示。特别的是能把内置的时钟(6MHZ/12MHZ/24MHZ/48MHZ)引出来，外带处理器时可省掉一个晶振。在实现USB到串行UART接口的转换也可转换到同步、异步Bit-Bang接口模式。同时提供各种操作系统(OS)下的官方驱动程序。设计简单，使用方便，兼容性好。适配线是用来连接PC机和电子钥匙的，电子钥匙是基于I2C总线的EEPROM存储芯片24C512。引入FT232R解决了 USB转TTL(UART)的问题，但要读取I2C总线的24C512还需TTL与I2C的转换部件，而且是用于自定义的指令协议灵活性要高。于是再引入一个单片机最小系统完成协议转换功能。电源从PC机的USB 口直接取电，有EMI电磁干扰处理电路，还设计有0.5A自恢复保险电阻。STC单片机最小系统外设有Dl发光二极管，可以看到PC机与电子钥匙通信时的状态闪烁指示。本实用新型的工作过程如下:当配备有电子门锁的交接箱箱门被打开，发射端无线传输单元的电池模组环路即刻闭合，将触发发射端无线传输单元进入工作状态。无线回传方式是通过选择发射端无线传输单元内配置的SIM卡中的位于远端监控中心的接收端无线传输单元通信号码发回包含现场信息的短信或彩信，监控中心的接收端无线传输单元接收下短信息数据包(如位置信息，时间信息，是否电子钥匙开门，是否机械备锁开门，是何权限人员开门，是否破坏性开门等信息)，并通过适配线单元接口传输至集中监控中心计算机。监控中心计算机将多个接收端无线传输单元的数据集中管理，完成数据记录、数据查询、命令交换、用户管理，电子钥匙分配，告警统计及报表生成等工作。
权利要求1.光缆交接箱集中监控管理系统，其特征在于:主要由至少两个无线传输单元、至少一个电子门禁单元和一个监控中心计算机组成；其中， 每2个无线传输单元中的其中一个即发射端无线传输单元放置在监控现场处，另一个即接收端无线传输单元放置在监控中心处；发射端无线传输单元和接收端无线传输单元的结构均相同，且两者通过无线连接实现双向通信； 每个电子门禁单元包括电子钥匙、门锁控制电路和电子锁头；门锁控制电路上设有电子钥匙的接口，门锁控制电路与发射端无线传输单元和电子锁头相连；电子锁头安装在光缆交接箱的箱门上； 接收端无线传输单元与监控中心计算机相连接。
2.根据权利要求1所述的光缆交接箱集中监控管理系统，其特征在于:每个无线传输单元主要由主控芯片、以及与主控芯片相连的无线模块电路、供电电路、接口电路、实时时钟电路、电压检测电路和旁路电路组成。
3.根据权利要求2所述的光缆交接箱集中监控管理系统，其特征在于:所述无线模块电路为带有移动通信卡座的2G、3G或4G通信模块。
4.根据权利要求2所述的光缆交接箱集中监控管理系统，其特征在于:所述供电电路为低自放电电池模组。
5.根据权利要求2所述的光缆交接箱集中监控管理系统，其特征在于:所述接口电路包含钥匙接口、门禁接口和调制下载接口 ；其中发射端无线传输单元的钥匙接口与电子钥匙相连，发射端无线传输单元的门禁接口与电子锁头相连，接收端无线传输单元的调制下载接口与监控中心计算机相连。
6.根据权利要求1所述的光缆交接箱集中监控管理系统，其特征在于:监控中心计算机上设有供电子钥匙与监控中心计算机进行数据交换的适配线。
专利摘要本实用新型公开一种光缆交接箱集中监控管理系统，每2个无线传输单元中的其中一个即发射端无线传输单元放置在监控现场处，另一个即接收端无线传输单元放置在监控中心处。发射端无线传输单元和接收端无线传输单元的结构均相同，且两者通过无线连接实现双向通信。每个电子门禁单元包括电子钥匙、门锁控制电路和电子锁头。门锁控制电路上设有电子钥匙的接口，门锁控制电路与发射端无线传输单元和电子锁头相连。电子锁头安装在光缆交接箱的箱门上。接收端无线传输单元与监控中心计算机相连接。本实用新型在无提供外部电源接入和无可利用的有线监控链路通道的情况下，能够实现对光缆交接箱做信息化监控和管理。
文档编号G05B19/418GK202956645SQ20122065766
公开日2013年5月29日 申请日期2012年12月3日 优先权日2012年12月3日
发明者沈良恒, 姚晓强, 李秀腾 申请人:桂林卡尔曼通信技术有限公司