光纤分配网远程施工系统的设计与实现

赵 光，李建华，饶风华，郭卫斌，范贵生

(1.华东理工大学 信息科学与工程学院，上海 200237；2.万马电子医疗有限公司，杭州 311306)

0 引言

光缆交接箱（Fiber Distribution Terminal，FDT）是为主干光缆与配线光缆提供光纤交接的一种户外接口设备，光纤分配网（Optical Distribution Network，ODN）是实现光纤线路以及FDT等设备管理的光纤网络系统。在传统ODN中，施工必须依赖施工规划图纸来进行，施工人员领取图纸后，到指定施工FDT所在地区，通过图纸进行光纤的端口跳接或拆除，施工完成后进行施工信息的手工统计，然后交由记录人员将结果录入设备信息数据库中。在这个施工过程中由于采用手动施工且设备端口比较多，端口定位困难，操作容易出错并且会因为在现场难以发现错误而引起返工；施工完成后，光纤路由信息手工记录容易漏记或是错记。此外，记录人员在将此次施工结果手工录入数据库中进行管理时，录入易出错，手工施工致使传统ODN中施工错误率高、效率低下、光纤资源浪费严重[1]。随着光纤入户（Fiber To The Home，FTTH）[2,3]和ODN的建设规模不断扩大，这些缺点更加明显，传统ODN中所使用的运营手段已经难以满足现在ODN网络中光纤设备的管理需求。没有正确的光纤连接信息是ODN管理困难的关键问题，因此，设计一套电子化、智能化[3,4]的ODN远程施工系统具有极其重要的意义。

本文通过对传统ODN中施工人员进行施工的具体流程的分析以及对Android平台下远程工程施工研究[5]，设计并开发了一种光纤分配网远程施工系统，该系统实现了工单的电子化管理、施工数据的远程传输、施工告警信息的通知以及施工结果的自动回传、存储、发布等功能，能够确保施工正确率，提高运营商对ODN的管理效率[6]，实现光纤资源的合理配置。

1 系统总体方案设计及工作原理

ODN远程施工系统基于C/S架构，可分为三层来进行分析设计，如图1所示。第一层为服务器端，包括了安装有工单子系统的服务器，实现了为远程施工终端提供工单获取功能。第二层为远程施工终端，包括了基于Android平台的智能移动终端，移动终端上安装了针对远程施工而开发的客户端软件。第三层为具体FDT施工设备，包含了与智能移动终端进行蓝牙通信模块、安装有光交控制器的FDT设备，蓝牙通信模块可以通过与光交控制器的通信实现对FDT设备的控制，FDT设备则根据光交控制器的施工控制指令做出相应施工指示来指导施工人员施工。

系统的施工流程按操作人员的不同可以分为两个阶段。第一阶段，管理员在施工管理中心创建与指派工单。管理员通过浏览器访问工单子系统服务器，根据具体需求创建对应的工单，然后将工单指派给相应施工人员。创建的工单一般包含了要施工的设备信息、工单类型、具体施工人员等，不同类型的工单封装的数据有所差异。第二阶段，施工人员在户外设备的施工现场执行具体施工任务。施工人员在现场首先手持智能移动终端通过GPRS、WiFi或是3G等无线网络[7]接入到网络，为远程访问工单子系统做好准备。具体施工时，启动终端上已经安装好的远程施工客户端，登录客户端，获取指派给当前施工人员的工单，搜索周围蓝牙模块并进行选择、配对，成功后即可发送指令给蓝牙模块，蓝牙模块将指令转发给对应FDT设备上的光交控制器，控制器解析接收到的命令并控制设备给出相应的施工指示，施工人员根据指示进行具体施工操作来完成施工。施工完毕后将控制器会施工结果回传给移动终端，由终端解析校验并将结果信息远程写入工单子系统数据库中，完成工单、设备等信息的同步。

图1 ODN远程施工系统体系结构图

基于上文所述的系统体系结构以及施工流程，本文设计的ODN远程施工系统，其硬件包括了作为工单子系统运行环境的服务器、基于Android平台的智能移动终端、蓝牙通信模块、光交控制器以及FDT设备；软件包括了运行于服务器上的工单子系统Web应用程序、运行于智能移动终端上的施工客户端。下面介绍该系统的硬件设计方案以及软件的开发实现。

2 系统的硬件设计

在本文设计实现的光纤分配网远程施工系统中，采用基于Android平台的移动终端向蓝牙模块发送施工控制命令并由位于FDT上的光交单片机控制器将命令转发给FDT设备，进而控制FDT上各个机框、板卡、端口的施工指示灯，来指导施工人员进行施工。施工完毕后光交单片机控制器会将施工结果信息发送给蓝牙模块，由蓝牙模块将信息传输到移动终端并由终端来上传到工单子系统数据库中。下面分别介绍蓝牙模块、单片机控制器的选择以及电路设计方案。

2.1 单片机控制器与蓝牙模块的选择

FDT设备是通过光交单片机控制器与外部设备进行设备信息的交互。在本系统中，控制器中的单片机采用的是ATMEL公司的ATmega128，该单片机是ATMEL公司8位系列单片机中配置最高的一款，高性能、低功耗、稳定性极高，能够满足本系统对FDT设备户外施工的需求。

系统施工客户端需要以蓝牙模块为中介与光交单片机控制器进行通信。在蓝牙模块的选择上，我们选用了广州汇承信息科技有限公司的HC-06型号蓝牙模块[8]。HC-06根据模块工作模式可以分为主机模式和从机模式，分别用于主动去连接与被动接受连接。在本系统施工过程中，考虑到是由智能移动终端主动配对连接并发送施工命令，因而选用的是从机模式，以便接受配对连接并与施工命令并以此来控制光交控制器完成施工指示。HC-06蓝牙模块基于蓝牙2.0标准，功耗低、抗干扰性强、使用方便，同时，该模块传输时误码率基本上为0，只有在通信链路发生信号衰减时才会产生误码，非常符合本系统施工要求。

2.2 单片机控制器与蓝牙模块的连接使用

本系统中HC-06蓝牙通信模块与光交控制器芯片的接线原理图如图2所示[9～11]。HC-06的发送引脚TXD与ATmega128芯片的接受引脚RXD0相连接，HC-06的接受引脚RXD与ATmega128芯片的发送引脚TXD0相连接，同时HC-06的VCC引脚接电源，GND引脚接地，LED引脚用于显示蓝牙模块工作状态。施工时，施工终端搜索蓝牙模块，进行配对，LED灯常亮表示配对连接成功，此时便可以与蓝牙模块进行命令发送和接受，蓝牙模块则通过与单片机控制器的命令实现对设备的控制。

图2 蓝牙模块与光交控制器芯片接线原理图

3 系统的软件设计与实现

根据系统体系结构的设计，ODN远程施工系统软件部分可分为两个子系统来进行具体开发。工单子系统主要用来作为远程施工终端的工单支撑系统，为施工终端提供了远程访问的接口，用以获取工单等数据。远程施工终端作为施工系统的中心，包括了与工单子系统进行远程数据通信来获取施工任务以及与ODN设备进行数据通信来进行具体施工功能。

3.1 工单子系统的实现

工单子系统采用Tomcat作为服务器软件，SQL Server 2005作为后台数据库，Hibernate作为后台数据持久化框架来进行设计实现，用户可以通过浏览器访问该子系统用以完成工单的创建等管理功能。子系统主要包含了以下功能模块。

1）工单管理模块

电子工单作为ODN远程施工系统进行远程施工信息的载体，是对传统ODN中纸质工单的电子化抽象。在本模块中共包括了5种施工工单的管理：设备配置工单、机框工单、板卡工单、路由工单、巡检工单。设备配置工单用于完成设备安装完成后的初始配置，机框工单以及板卡工单用于完成设备机框板卡信息的变更，路由工单用于完成设备端口之间的跳接拆除功能，巡检工单则是对设备信息进行检查并进行设备信息不一致时的同步。用户通过工单管理模块来完成以上各种工单向不同施工人员指派，并通过该模块查看各施工工单的施工状态，包括施工未指派、待施工、施工中、施工完成等状态，方便用户及时了解设备现场的施工进度，路由工单管理界面如图3所示。

图3 路由工单管理界面

2）设备管理模块

FDT设备是ODN远程施工系统进行具体施工的资源，电子工单必须依赖设备的存在而创建。在本系统中存储了FDT设备的编码、机框、板卡、端口信息，用于用户创建工单时进行选择。系统此外还提供了这些信息的维护等功能。为了给与用户更直观的设备显示，该模块还包含了可视化的设备界面，如图4所示。

图4 设备可视化界面

3）用户管理模块

ODN远程施工系统的用户包含了管理员、施工班组以及施工人员的管理，施工人员属于某一个施工班组。管理员用于创建施工工单并指派工单；施工人员则负责具体施工任务。用户管理主要是为方便区域施工管理而存在的，通过对不同施工人员的施工指派来达到管理不同区域设备的施工的目的。

4）告警管理模块

该模块用于记录施工人员在施工过程中由于误操作产生的告警信息。产生告警信息后，该告警会在设备可视化界面上显示，管理员可以通过图4直观的查看到设备告警信息。

为了能够实时在可视化界面上显示设备最新数据，通过设置定时器来实现定时获取设备最新数据并更新设备可视化界面。

3.2 远程施工终端的实现

远程施工终端采用的是搭载有Android智能操作系统的手机作为硬件支持，施工客户端软件是基于Android平台进行开发实现[12]。施工终端包含了以下功能模块。

1）工单管理模块

该模块主要包括了获取的远程工单的按状态分类显示以及自动或是手动获取远程工单功能，便于施工人员及时获取工单并了解工单执行状态，此外还有临时工单的创建，主要是为了方便施工人员能够及时应对现场施工状况，如图5所示。

图5 远程施工终端工单管理

图6 施工操作界面

2）通讯管理模块

该模块包含了对工单子系统远程通信参数的设置以及对于蓝牙模块的连接的实现。对于与工单子系统的连接主要是子系统服务器IP、端口的设置以及各种工单远程接口的调用实现，对于蓝牙模块的通讯则包括了对于蓝牙模块的的搜索、选择、配对连接的实现。

3）施工管理模块

该模块是施工人员进行具体设备施工操作时的模块，包括了向设备发送施工命令，施工完成后施工结果自动校验，自动回传设备施工结果信息到工单子系统，如图6所示。

4）通知管理模块

该模块包含了施工过程产生的各种通知的显示，用来给施工人员以包括施工告警信息在内的操作提示，使施工人员可以明确自己每一步施工操作的结果，如果出现误操作可以现场及时纠正，避免出现返工。

3.3 远程施工终端与工单子系统的通信

基于Android平台的智能移动终端在进行具体施工的时候，需要通过GPRS等移动网络接入互联网，工单子系统服务器也要接入互联网，通过互联网来实现两者数据的通信。它们之间采用基于简单对象访问协议（Simple Object Access Protocol，SOAP）的Web Service远程调用技术。Web Service作为将本地的应用程序转换成网络应用程序的一种接口技术，可以使其他应用程序在无需借助其他软件或是硬件的情况下即可进行远程服务的调用，只需要遵从SOAP协议，设计好相关调用接口即可，不用考虑平台的兼容性问题，具有非常好的扩展性，升级部署也非常方便。

在施工的时候中，施工人员登录远程施工客户端，即可以Web Service远程服务调用的方式从工单子系统获取相应的数据，来进行施工任务，施工终端与工单子系统之间的通信内容如图7所示。

图7 远程施工终端与工单子系统通信内容

在Web Service的具体实现上，采用的是开源Java Web服务引擎XFire。XFire配置简单，在工单子系统的web.xml文件中加入如下配置即可完成对XFire的部署。

远程服务接口的暴露配置也很简单，只需要在定义并实现好接口后在services.xml文件中如下配置即可。以远程登录接口为例的配置如下。

施工终端通过服务端暴露的WSDL地址以及要远程调用的方法名称设置好参数来完成远程调用，关键代码示例如下。

3.4 远程施工终端与ODN设备的通信

在ODN远程施工系统中，施工人员手持施工终端与FDT设备进行交互来完成具体施工，此时FDT设备可以看作是施工通信的服务器端，来接受终端发送的施工命令，然后根据命令做出相应的施工指示。FDT设备信息传输是通过其上的单片机控制器进行的，在硬件设计方面，系统将蓝牙模块芯片与单片机控制器芯片进行连接，通过蓝牙模块与控制器的通信，实现移动终端对FDT设备的施工控制。蓝牙传输有较强的穿透性，抗干扰性强，移动终端上基本均已经集成了蓝牙通讯模块，可以在保证数据传输正确性的前提下有效降低系统开发成本。

搜索到蓝牙设备后，就可以获取到设备的物理地址并进行连接获取通信套接字，启动工作线程进行通信。在远程施工客户端中，进行蓝牙设备连接通信的部分代码如下所示。

为了使施工命令的正确接受以及施工结果正确返回并解析，我们制定了一套协议标准，作为移动终端以及光交控制器对工单数据和施工结果进行编解码的规范。该协议数据包包含了数据包头部、数据包状态、数据区长度、数据区、数据包的CRC校验码以及数据包尾部信息，协议会根据工单类型的不同对数据区做不同的编码，信息采用16进制编码传输，包头为0x02，包尾为0x03，该协议编码规范如图8所示。

图8 施工数据传输协议编码规范

4 系统功能测试

在运营商户外的FDT设备的现场，搭建了一个测试环境用于对系统主要功能进行了测试。搭建的测试环境主要包括了一台安装有工单子系统的服务器，一部安装有远程施工客户端的搭载有Android智能操作系统的手机，一台户外FDT设备以及用于手机访问工单子系统服务器的无线网络，系统主要功能的测试如表1所示。

表1 系统主要功能测试表

根据运营商提供的测试用例文档，测试用例的施工结果与其预期效果一致，能够准确方便完成传统ODN中依赖纸质工单施工的各项施工任务。

5 结束语

本文设计并实现了一种光纤分配网远程施工系统，介绍了系统的硬件设计方案以及软件的设计实现。系统采用基于Android平台的移动终端作为施工客户端，接入网络以Web Service方式与工单子系统进行工单等数据的交互，通过蓝牙通信模块与FDT上单片机控制器通信来实现对FDT设备的控制，实现了光纤分配网的施工电子化，能够确保施工正确率，提高了光纤设备资源利用率，也方便了网络运营商对于光纤分配网的管理维护。同时，系统还具有较强的扩展性，能够在光纤分配网设备扩展的情况下确保其施工管理的高效率，这对于光纤分配网络的合理规划以及资源的合理配置具有重要意义。

[1]陈洁.ODN“智能化”的考虑[J].电信网技术,2012,(10)：9-13.

[2]赵暘.规模化FTTH 建设的关键点[J].电信科学,2011,27(5)：131-134.

[3]刘亚荣,李新,杨晓斐.实现三网融合的农村FTTH解决方案[J].制造业自动化,2011,33(2)：66-67.

[4]Gebizlioglu O S.ODN intelligence-Automating fiber deployment and operations[C].Optical Fiber Communication Conference and Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC),2013.IEEE,2013：1-3.

[5]宋伟,郝建民,赵霄剑,李振华,陈大萍.基于Android平台的建设工程施工现场质量管理应用研究[J].施工技术,2013,42(18)：96-99.

[6]黄丰凡,张秋昊.iODN对于资源管理能力的提升[J].电信技术,2011,(12)：76-77.

[7]郑洁琼,陈泽宇,王敏娟,杰森·吴.3G网络下移动学习的探索与实践[J].开放教育研究,2012,(1)：159-162.

[8]HC-06蓝牙规格文档[Z].广州汇承信息科技有限公司,2012.

[9]陈松.基于单片机的蓝牙应用系统的设计[J].辽东学院学报(自然科学版),2008,15(4)：210-213.

[10]张群,杨絮,张正言,陆起涌.蓝牙模块串口通信的设计与实现[J].实验室研究与探索,2012,31(3)：79-82.

[11]袁倩.光缆交接箱门禁短信告警系统的研究与设计[J].国外电子测量技术,2012,31(3)：62-64.

[12]周秋月,胥布工,郭国坤.基于Android的摩托车监测客户端设计与实现[J].计算机应用与软件,2013,30(5)：115-144.