滕廣華

（山東奧邦交通設(shè)施工程有限公司 山東省濟(jì)南市 250000）

1 背景

隨著交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)高速公路里程不斷增加，人們對(duì)高速公路道路及交通安全設(shè)施的要求也在不斷提高。傳統(tǒng)的道路標(biāo)志牌大多為靜態(tài)的固定印刷標(biāo)志，僅能顯示兩地間距離等少量信息，無(wú)法高質(zhì)量地提供交通出行服務(wù)，而近年來(lái)出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)交通標(biāo)志牌則提供了更多交通信息，該動(dòng)態(tài)交通標(biāo)志牌設(shè)置在高速公路主線合流點(diǎn)之后，通過(guò)路段交通流檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)與第三方互聯(lián)網(wǎng)公司路況數(shù)據(jù)的融合，用于顯示實(shí)時(shí)交通流下的預(yù)估旅行時(shí)間信息。標(biāo)志由靜態(tài)標(biāo)志和 LED 顯示模塊兩部分組成。

高速公路網(wǎng)所在環(huán)境具有封閉性，設(shè)備物理分布范圍廣，后期維護(hù)難度大等特點(diǎn)，給標(biāo)志牌設(shè)備的安裝調(diào)試和維護(hù)管理帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文針對(duì)以上特點(diǎn)，結(jié)合該管理軟件的基本需求，基于目前熱度比較大的Python語(yǔ)言和Qt 界面框架，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)完成了一款動(dòng)態(tài)交通標(biāo)志牌設(shè)備管理軟件。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 PyQt5

Qt 是一組C ++庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具，包括用于圖形用戶界面，網(wǎng)絡(luò)，多線程，正則表達(dá)式，SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，SVG，OpenGL，XML，用戶和應(yīng)用程序設(shè)置，定位和位置服務(wù)，短距離通信（ NFC 和藍(lán)牙），網(wǎng)頁(yè)瀏覽，3D 動(dòng)畫，圖表，3D 數(shù)據(jù)可視化以及與應(yīng)用商店的接口。PyQt5 是來(lái)自Qt 公司的一組結(jié)合Python 環(huán)境和Qt 應(yīng)用程序框架的開(kāi)發(fā)庫(kù)集合，將Qt 類中的1000 多個(gè)組件實(shí)現(xiàn)為一組Python 模塊，支持以Python 的方式開(kāi)發(fā)Qt 應(yīng)用程序。不僅如此，PyQt 還支持諸如Windows,Linux,UNIX,Android,macOS 和iOS 等多個(gè)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)快捷友好，應(yīng)用前景廣泛。

2.2 QR code

QR code 是一種矩陣式二維條碼（又稱棋盤式二維條碼）。它是在一個(gè)矩形空間通過(guò)黑、白像素在矩陣中的不同分布進(jìn)行編碼。在矩陣相應(yīng)元素位置上，用點(diǎn)（方點(diǎn)、圓點(diǎn)或其他形狀）的出現(xiàn)表示二進(jìn)制”1”,點(diǎn)的不出現(xiàn)表示二進(jìn)制的”0”,點(diǎn)的排列組合確定了矩陣式二維條碼所代表的意義。[1]

圖1：動(dòng)態(tài)交通標(biāo)志牌管理軟件總體功能框圖

圖2：軟件注冊(cè)流程

3 軟件需求分析

3.1 軟件功能分析

軟件在功能上主要包括軟件注冊(cè)模塊、串口通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、設(shè)備管理模塊等四部分。軟件整體功能框圖見(jiàn)圖1所示。

軟件注冊(cè)模塊：該模塊主要包括軟件驗(yàn)證和軟件注冊(cè)等功能，在軟件正式運(yùn)行前進(jìn)行軟件注冊(cè)狀態(tài)的驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)則進(jìn)入主界面，否則進(jìn)入軟件注冊(cè)界面，引導(dǎo)用戶獲取注冊(cè)碼并進(jìn)行軟件注冊(cè)。考慮高速公路網(wǎng)封閉性的特點(diǎn)，軟件將在非互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下運(yùn)行。

圖3：串口通信流程

圖4：網(wǎng)絡(luò)通信流程

串口通信模塊：該模塊主要包括本地串口檢測(cè)、串口參數(shù)配置、串口開(kāi)啟與關(guān)閉、串口數(shù)據(jù)發(fā)送與接收等功能，可通過(guò)連接設(shè)備的485 串口和設(shè)備進(jìn)行通信。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊：該模塊實(shí)現(xiàn)了一個(gè)TCP 服務(wù)器，負(fù)責(zé)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。主要包括本地IP 地址綁定和端口監(jiān)聽(tīng)、TCP 客戶端維護(hù)、TCP 數(shù)據(jù)收發(fā)等功能。

設(shè)備管理模塊：該模塊是設(shè)備管理軟件的主要功能模塊，基于以上基礎(chǔ)功能模塊，該模塊實(shí)現(xiàn)的功能主要包括設(shè)備搜索、設(shè)備地址修改、設(shè)備信息獲取、設(shè)備內(nèi)容及亮度設(shè)置、設(shè)備重啟、設(shè)備升級(jí)等，可選擇通過(guò)串口直接收發(fā)數(shù)據(jù)，或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的負(fù)載傳輸。

表1：獲取設(shè)備型號(hào)協(xié)議命令及說(shuō)明

3.2 非功能需求

（1）可靠性需求：對(duì)程序中可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的代碼段使用trycatch 異常捕獲機(jī)制，避免拋出錯(cuò)誤導(dǎo)致系統(tǒng)退出；軟件不應(yīng)出現(xiàn)崩潰等問(wèn)題。

（2）安全性需求：軟件初次使用前需要注冊(cè)碼進(jìn)行注冊(cè)，將軟件與所在運(yùn)行環(huán)境的硬件綁定，軟件再次運(yùn)行時(shí)要校驗(yàn)是否注冊(cè)，未注冊(cè)軟件不能運(yùn)行；用戶密碼采用單向加密算法（包括但不限于MD5,SHA-1,SHA-256）加密，不存儲(chǔ)明文密碼；傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都采用高強(qiáng)度的加密算法加密(DES)，使得數(shù)據(jù)即使泄漏、被截獲后，也無(wú)法識(shí)別相關(guān)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，確保數(shù)據(jù)安全；軟件中使用到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)如密鑰，特征碼等信息禁止在代碼中硬編碼，軟件從密鑰文件中讀取，密鑰文件對(duì)用戶不可見(jiàn)，密鑰文件混淆加密存儲(chǔ)。

（3）物理需求：采用2 臺(tái)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)冗余備份處理和內(nèi)部業(yè)務(wù)的負(fù)載平衡。性能指標(biāo)要求是：主頻2GHz 以上，內(nèi)存4G 以上或采用更高檔的專業(yè)服務(wù)器，硬盤1TB 以上。

（4）實(shí)施需求：服務(wù)器運(yùn)行平臺(tái)操作系統(tǒng)使用Windows Server2016，使用Viso 作為建模和分析工具，制圖工具采用ProcessOn，使用PyCharm+Qt Designer 作為軟件開(kāi)發(fā)工具。

（5）易用性需求：關(guān)于易用性方面我們從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析并確定初步方案 ：

數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送窗口實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前收發(fā)的數(shù)據(jù)，并可以選擇顯示模式為字符串編碼顯示或16 進(jìn)制HEX 碼顯示；數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)可選擇自動(dòng)添加CRC 校驗(yàn)碼，省去手動(dòng)計(jì)算的繁瑣；可創(chuàng)建自動(dòng)定時(shí)發(fā)送任務(wù)，發(fā)送頻率可選，以滿足數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送的場(chǎng)景需求；系統(tǒng)具有在線幫助說(shuō)明，能幫助用戶學(xué)習(xí)系統(tǒng)的使用；用戶操作過(guò)程中的任何系統(tǒng)提示都采用簡(jiǎn)體中文字體進(jìn)行提示，方便用戶理解。對(duì)于任何的系統(tǒng)性的錯(cuò)誤，在錄入過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，錯(cuò)誤提示后返回原錄入焦點(diǎn)。

4 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 軟件注冊(cè)模塊

軟件開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，首先檢查是否已經(jīng)注冊(cè)，具體流程為：獲取軟件運(yùn)行環(huán)境（服務(wù)器）的硬盤號(hào)及C 盤序列號(hào)作為機(jī)器碼MC；查看本地的注冊(cè)文件并根據(jù)注冊(cè)文件獲取內(nèi)容RC；對(duì)RC 進(jìn)行DES 解密，得到待驗(yàn)證的機(jī)器碼MC’；比較MC’和MC 的一致性，得出軟件是否已注冊(cè)的結(jié)論，若軟件已注冊(cè)，則顯示軟件主界面，否則進(jìn)入軟件注冊(cè)界面。在軟件注冊(cè)界面，組合得到軟件注冊(cè)服務(wù)請(qǐng)求URL：http://serverip/register.do?code=MC，調(diào)用python 的qrcode 模塊將該URL 進(jìn)行編碼為二維碼并保存為圖片顯示在注冊(cè)界面的Label 上，用戶使用手機(jī)掃描二維碼，向服務(wù)器請(qǐng)求注冊(cè)服務(wù)，服務(wù)器收到請(qǐng)求后對(duì)MC 進(jìn)行DES 加密并將加密字符串返回，用戶輸入注冊(cè)碼進(jìn)行軟件注冊(cè)，軟件對(duì)注冊(cè)碼進(jìn)行DES 解密得到待驗(yàn)證的機(jī)器碼MC’，比較MC’和MC 的一致性，若兩者一致則表示注冊(cè)成功，將注冊(cè)碼寫入到注冊(cè)文件后隨即退出注冊(cè)界面并顯示軟件主界面，軟件注冊(cè)流程完成。若有中間過(guò)程不符合預(yù)期結(jié)果，則軟件重復(fù)顯示注冊(cè)窗口或直接退出。軟件注冊(cè)流程參照?qǐng)D2。

4.2 串口通信模塊

串口通信模塊提供了軟件和設(shè)備間通過(guò)串口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的能力，首先檢測(cè)本地機(jī)器串口并選擇，根據(jù)用戶配置的串口波特率，數(shù)據(jù)位，停止位，奇偶校驗(yàn)等參數(shù)配置并開(kāi)啟串口，然后定時(shí)循環(huán)讀取設(shè)備發(fā)往本機(jī)串口的數(shù)據(jù)。串口通信流程見(jiàn)圖3。

4.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

該模塊在本地機(jī)器上實(shí)現(xiàn)TCP Server 服務(wù)器，具體來(lái)說(shuō)，首先創(chuàng)建一個(gè)socket，用戶選擇綁定的本地IP 地址和端口Port，之后TCP Server 在該端口進(jìn)行Listen 監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)有客戶端連接成功后，Server 端調(diào)用accept()得到客戶端的socket，將該客戶端連接信息加入到維護(hù)列表，并創(chuàng)建一個(gè)新線程維護(hù)該客戶端會(huì)話，進(jìn)行和該客戶端間的數(shù)據(jù)收發(fā)。網(wǎng)絡(luò)通信模塊見(jiàn)圖4。

4.4 設(shè)備管理模塊

作為該管理軟件的核心功能模塊，該部分主要包括設(shè)備搜索，設(shè)備地址修改，設(shè)備信息獲取，設(shè)備內(nèi)容及亮度設(shè)置，設(shè)備重啟，設(shè)備升級(jí)等相關(guān)功能，根據(jù)協(xié)議進(jìn)行命令數(shù)據(jù)的組合，并將命令通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至設(shè)備端，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制與管理。

設(shè)備使用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS 通訊協(xié)議，使用 RTU 模式。串口波特率為115200，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，無(wú)流控；消息幀發(fā)送至少要以 3.5 個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始，即在傳輸完每幀的最后一個(gè)字節(jié)，至少需要 3.5 個(gè)字符時(shí)間的停頓來(lái)標(biāo)定消息幀的結(jié)束。下一個(gè)新的消息幀可在此停頓后開(kāi)始，整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸。

本設(shè)備主要操作指令說(shuō)明如表1（以獲取設(shè)備型號(hào)命令為例）。

5 總結(jié)

動(dòng)態(tài)交通標(biāo)志牌設(shè)備管理軟件是專為高速公路沿線動(dòng)態(tài)標(biāo)志牌設(shè)備安裝調(diào)試和后期管理維護(hù)而開(kāi)發(fā)的一款軟件，該軟件具有使用方便、管理高效等特點(diǎn)，特別適合在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境封閉、設(shè)備物理分布廣泛的環(huán)境下使用；另外本軟件基于PyQt5 開(kāi)發(fā)，它結(jié)合了Python語(yǔ)言的簡(jiǎn)單高效和Qt Designer 動(dòng)態(tài)布局所見(jiàn)即所得的界面開(kāi)發(fā)方式，大大提高了軟件開(kāi)發(fā)效率，增強(qiáng)了軟件的可靠性和可修改性。