基于RFID的智能光缆管理系统设计与开发

周 敏，王 欢，薛 江，朱 炜

(1.苏州工业职业技术学院 机电工程系，江苏 苏州 215104；

2.江苏亨通光网科技有限公司 智能ODN项目组，江苏 苏州 215200)

基于RFID的智能光缆管理系统设计与开发

周 敏1，王 欢2，薛 江2，朱 炜2

(1.苏州工业职业技术学院 机电工程系，江苏 苏州 215104；

2.江苏亨通光网科技有限公司 智能ODN项目组，江苏 苏州 215200)

在大规模光纤网络的应用背景下，高效的管理光缆资源，已成为移动通信管理的重要课题。分析现有光缆管理的现状和存在的问题，设计基于RFID的工单式管理系统。系统主要由便携式RFID读卡器、现场管理终端APP、云服务网管及标准RFID标签卡组成，融合了RFID技术、Web云开发技术、Android开发技术及移动电源技术，利用GIS信息建立一个光缆拓扑，管理者以地图的拓扑形式直观地管理光缆资源。系统不仅可用于光缆管理，也可在其他RFID标签应用领域提供一定的借鉴作用。

光缆管理；RFID；云服务

在“宽带中国”的战略下，工信部通告 2015年建设了260 万km光缆，为60%的中国宽带用户提供准入到超速互联体验。同时工信部和发改委公布的计划是到2018年敷设90000 km光缆，使全国的宽带覆盖扩大至90%，如此大量的光缆资源，管理工作十分重要。传统的光缆标识方法采用挂塑封牌等手工记录标识方法，存在人为失误、环境对标签内容的影响等造成光缆维护效率较低。本系统采用电子标识的方法取代传统标识，采用的RFID标签即使在水下通信距离也能达到0.5 m，再结合终端GPS信息和网管平台[1]，可有效进行光缆资源的高效管理。

射频识别技术[2](radio frequency identification，简称RFID)，是20世纪90年代兴起的一种自动识别技术，利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。与传统的接触式识别技术和光学识别技术相比，射频识别技术不但可以使电子标签和读卡器之间实现无接触，而且可以实现多个标签的防冲突操作，从而可以解决很多传统识别技术的缺陷。本系统的电子标签采用的是标准的S50卡，符合ISO15693空气接口协议，支持多卡防冲突读取，可以方便地进行打孔定制和卡片丝印，经过调研，该卡片可应用于绝大部分场景的光缆标识。

1 光缆资源管理的现状分析

传统的光缆管理需要依靠人工处理维护，光缆采用塑封牌及塑料标签纸标识，在管理过程中，传统标签易产生以下问题：①标签污染。由于环境腐蚀，标签易污损、丢失，维护时难以进行光缆的查找；②信息不准确。由于光缆信息的标识和记录以人工为主，易发生记录及标识错误，从而影响光缆资源的管理；③施工效率低。由于没有GPS信息关联，光缆的巡查、维护易发生遗漏、查找困难；④维护成本高。传统光缆管理，大部分需要人工处理，成本高。

光缆的管理主要有敷设光缆的信息记录和标识、定期巡检、故障维护等。其中定期巡检传统管理是安排包线员沿光缆线路进行检查，需要包线员对线路情况十分熟悉，能够全面细致地了解线路变化情况，在巡检的过程中通常是通过手工填写《光缆线路巡检记录表》来完成巡检任务，其中巡检的过程不透明，且人为因素多，工作效率低，故障发现后不能第一时间进行排除。智能光缆管理系统将光缆信息与GPS互联绑定，巡检以导航的方式进行，自动生成最优线路，巡检记录采用电子记录，记录信息与GPS关联，巡检效率高，且保证了巡检点无遗漏，发现故障后，系统会第一时间下发光缆维护工单，且有推送通知，维护人员通过工单导航前去维护。

2 智能光缆管理系统设计

针对传统光缆管理的弊端，本文设计了一种智能化的光缆管理系统，其原理是B/S架构的网管与云服务器组成云网管，通过3G/4G网络下发操作工单，现场管理终端以APP的形式接收工单推送，通过蓝牙无线接口与便携式读卡器连接，读卡器可对RFID标签进行读写，然后按工单操作指导来完成各项工单任务及回单。智能光缆管理系统组成如图1所示。

图1 智能光缆管理系统组成示意图

本设计有如下特点：光缆标签直接与数据库互联，可提供多种数据的查询，便于资源快速核查，及时了解光缆资源与标签状况，结合 GIS 地理信息系统，快速了解标签位置，并进行导航，缩短线路维护时间；提供网络化的数据，即使个别标签丢失或损坏，也能快速进行光缆定位；人工与电子双识别模式标签技术，满足光缆识别的可靠性与便利性要求，其关键数据关联关系如图2所示。

图2 智能光缆管理系统关键数据关联关系图

2.1 便携式RFID读卡器设计

本系统设计有小功率和中功率两种规格的读卡器，小功率采用内置PCB天线，负责对单个RFID标签的读写；中功率读卡器采用外置抗金属天线，主要用于RFID标签的核查巡检操作，读卡速度高达60～100 张/s。读写器通过蓝牙无线接口连接现场管理终端，终端以APP的形式进行现场指导操作完成网管下发的工单任务。其硬件组成如图3所示。

蓝牙读卡器主体电路部分主要由ARM处理器、电源电路、RFID模块和蓝牙模块组成。电源电路为各个模块提供稳定的5 V电源，ARM处理器通过串口分别与RFID模块和蓝牙模块连接。移动电源电路主要是为了便携及现场操作使用，采用四合一单片系统移动电源芯片TP5602，其将充放电、升压、保护和电量显示集成为一个芯片，因此电路板可以设计得很小，使读写器便于手持。电源系统设计有升压开关，不工作时整体待机功耗在微安级别，读写器长时间放置电量损失极小。小功率读写器电源电路为5 V，采用TP5602实现，转换效率高达93%。中功率读写工作电压为12 V，采用TP5602和升压芯片SX1308实现。电池采用体积利用率高的聚合物锂离子电池，在保证读卡器续航能力的同时，尽可能地减小读卡器的体积。电源指示灯用于显示电量。蜂鸣器提示RFID标签读写成功。ARM处理器选用freescale的低功耗M0+系列处理器MKL14Z32VFT4[3]，降低功耗增加续航，负责读写器驱动及其他外设模块的通信。蓝牙通信选用BLE 4.0蓝牙模块HC-08，具有功耗低、通信距离远等特点。薄膜按键读写RFID标签操作按键。蓝牙指示灯显示蓝牙与智能终端的连接状态。便携式蓝牙读卡器可通过蓝牙收发指令和薄膜按键对RFID标签进行读写操作，指令数据收发和分析等过程均由嵌入式程序操控完成，程序结构框图如图4所示。

图3 便携式RFID读卡器硬件组成

图4 嵌入式程序结构框图

程序通过两个中断来判断读卡器的操作方式，通过串口中断接收来自智能终端的指令，解析指令数据；通过I/O中断检测薄膜按键操作。两种方式最终都通过串口对RFID模块进行读写操作，并由蓝牙回复数据至智能终端。

2.2 现场管理终端APP应用设计

终端程序是基于应用广泛的Android操作系统开发，通过mvc架构完成对终端的开发。编写APP程序采用eclipse+SDK，数据库采用SQL Server 2008R2。终端APP的开发的主要技术有终端读写电子标签技术、终端与网管之间的通信技术和调用百度地图API技术。本系统使用的标签采用了高频ISO/IEC15693协议，因此nfc和蓝牙开发都是根据此协议展开。终端通过WebService技术与百度云服务器进行通信，接收网管下达工单的推送，完成工单操作后回单至网管。百度地图 Android SDK是一套基于Android 2.3及以上版本设备的应用程序接口，Android终端系统移动设备的地图应用，通过调用地图SDK接口，可以轻松访问百度地图服务和数据，为工单提供准确可靠的GPS信息。

本APP地图导航有如下功能：

1) 地图展示功能。普通地图(2D)、通过手势控制来实现地图的点击、双击、长按、缩放、旋转、改变视角等操作。

2) 线路规划功能。从当前位置前往坐标节点的线路规划。

3) 定位功能。获取当前位置GPS坐标经纬度信息。

本系统开发的终端APP主要分为：工单管理、施工导引、终端管理和读卡器连接。工单管理主要是对网管工单的下载、分析和回单操作。施工导引主要利用地理导航前往施工地点进行操作，进而完成具体的工单，然后回单。终端管理包括网络配置、帮助文档、日志查询等模块。读卡器连接主要是蓝牙功能的应用模块，通过此模块可以与蓝牙设备进行连接，从而对电子标签进行读写操作。

2.3 网络管理系统设计

光缆电子标签网络管理系统基于B/S架构开发，未避免无公网IP及防火墙问题，本系统采用云服务器进行通信桥接，使智能终端在有网络的情况下可以与网管进行实时通信。网络管理系统主要功能包括用户管理、配置管理、拓扑显示、工单管理和系统管理。

光缆电子标签网络管理系统的网络数据由网管发起工单，现场管理终端(智能终端或NFC手机，以下简称终端)下载工单后，在光缆电子标牌(以下简称标签)的挂牌现场进行标签数据的读写，并采集当地的GPS数据，以回单的方式将标签数据回传给网管，从而构建出网络配置和拓扑数据，并在网管中录入光缆的资源信息编码，从而构建起光缆电子标牌、地理位置信息、光缆、OSS光缆资源编码等数据的相互关联关系。其流程与数据关联关系如图5所示。

图5 网络管理系统工单流程与数据关联关系图

在完成光缆敷设或割接工程施工后，网管会自动生成一个光缆核查工单，工单完成指派与审批后即可进行工程验收核查。在光缆核查过程中若发现有标签漏失，网管会自动产生告警，以便网管生成标签维护工单，进行光缆电子标牌的维护管理。网管的各功能模块有用户管理、配置管理、工单管理。用户管理包括账号管理、操作日志查询及登录注销，可根据不同权限分配账号，达到光缆的有序管理。配置管理可以管理网管配置数据，对网管的配置数据进行查询、修改、备份、保存和清除处理。可以进行标签查询，根据标签所在光缆的子网、施工队、敷设起止时间中的一项或多项条件，可查找到对应光缆信息。工单管理包括工单查询、巡检分析及工单发起。工单发起包括下达敷设工单、割接工单、光缆拆除工单、核查工单、光缆更名工单、标签拆除工单和标签维护工单。其中核查工单用于资源核查或工程验收，在完成一个新的光缆敷设施工后，网管会自动添加一个对于该光缆的核查工单，需要对该工单指配施工人员才能提起申请。敷设工单主要用于未进行电子标识光缆资源的RFID标识，可采用新编码和已有编码进行标识。割接工单用于光缆割接操作，是对光缆标识操作。光缆拆除工单对于已经损坏或者因为其他原因不能使用的光缆，进行光缆拆除操作。核查工单是在光缆正常运行过程中，阶段性的检查光缆段标签是否有遗漏或损毁。光缆更名工单是光缆因为割接、增段等操作后需要更换名字的操作。标签拆除工单对光缆段中多余的标签进行拆除操作。标签维护工单是核查之后出现标签的遗失或者损坏的情况，对标签进行替补的操作。系统管理主要是进行系统的WebService服务端口配置及光缆资源信息数据的备份和整理。系统管理操作只有管理用户权限及以上才可进行操作，其中系统配置操作只有系统用户才可以进行。

3 结论

光缆管理系统由便携式RFID读卡器、现场管理终端APP、云服务网管及标准RFID标签卡组成，融合了RFID、嵌入式、Android及云服务等多种技术。该系统利用GPS技术与云平台，使操作人员能及时到现场进行施工操作，同时结合数据关联功能可以便捷地为各级别维护管理任务提供智能化的信息服务。本系统不仅可用于光缆管理，也可在其他RFID标签应用领域提供一定的借鉴作用。

[1] 苏辉，吴立新，陆镇虹，等.GIS技术在通信领域中的应用及需要解决的问题[J].电信科学，2002(2)：28-31.

[2] 孙明月.无线射频技术简介[J]. 科技创业月刊，2010(1)：42-43.

[3] 沈忱，王宜怀，李成金，等. Cortex-M0+内核Kinetis L系列的低功耗机制分析[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2014，14(3)：9-12.

Design and Implementation of Fiber Management System Based on RFID

ZHOU Min1， WANG Huan2，XUE Jiang2，ZHU Wei2

(1.Department of Machinery and Electrical Engineering，Suzhou Institute of Industrial Technology，Suzhou 215104，China；2.Intelligent ODN Project Team，Jiangsu Hengtong Guangwang Technology Co., LTD，Suzhou 215200，China)

Under the background of the large scale application of optical fiber network， efficient management of cable resources has become an important subject to the management of mobile communication. Based on the analysis of the current situation of the exsiting cable management and exsiting problems， the workorder-type management system is put forward. The system is mainly composed of portable RFID reader， on-site management terminal APP， cloud service network and standard RFID card. The system combines RFID technology，cloud web technology， Android technology and mobile-power-supply technology. Managers can manage cable resources intuitively in the form of the topolopgy map by using GIS information to build a cable topology.

cable management；RFID；cloud service

TP315

A

1008-5475(2017)04-0025-04

10.16219/j.cnki.szxbzk.2017.04.007

2017-03-17；

2017-04-13

江苏省高等职业院校高级访问工程师计划资助项目(2015FG037)

周 敏(1980-)，女，江苏靖江人，讲师，硕士，主要从事机电及光电设备研究。

周 敏，王欢，薛江，等.基于RFID的智能光缆管理系统设计与开发[J].苏州市职业大学学报，2017，28(4)：25-28.

(责任编辑：沈凤英)