张继锋 刘校宗 张俊

南京莱斯信息技术股份有限公司 江苏 南京 210000

1 引言

信号机[1]作为城市道路交通非常核心的设备，在维护和控制交通秩序方面起着主导作用，所以信号机的安全和稳定运行就显得尤为重要。目前，大多数信号机箱由传统的机械门锁组成，由于广布在城市每一个路口的现实情况，存在许多安全、管理、运维方面的弊端。第一，无法及时获取信号机以及信号机箱的状态，需要人工巡检，故障发现滞后，容易造成不必要的交通事件。第二，锁门过程繁琐，容易发生门关锁开现象，造成信号机箱内设备被盗。第三，机械锁结构简单、钥匙通用，社会上具备开锁钥匙的人比比皆是，现有锁具形同虚设。第四，对于信号机箱恶意破坏行为，没有视频抓拍收集证据，无法做到责任追溯，无法形成警示和震慑。第五，信号机箱开关门状态以及异常状态无记录，无法做到有据可查，无法形成状态分析报告。第六，没有权限管理，无法对信号机箱归属权、使用权进行细分管理。在此背景下，研发出基于物联网、云计算、移动互联网等先进技术的智能信号机柜，解决交管部门存在的以上痛点问题。

智能信号机柜与传统的机柜相比[2]，智能信号机柜可以实现门锁的智能开关状态，并可以通过嵌入式核心板板载的传感器等器件实现对温湿度、水位烟雾等数据的检测，以及门锁状态和接收信号机的数据并解析得到信号灯状态等数据，并将检测到的数据和解析得到的数据通过MQTT客户端上传到阿里云平台搭建的MQTT服务器。移动端如电脑和手机可以实时查看检测到的数据信息，并显示在移动端。

2 总体的设计方案

智能信号机柜是在MQTT协议的基础上实现数据的传输。智能信号机柜作为MQTT的客户端，将检测到的数据上传到阿里云平台搭建的MQTT服务器，通过搭载的管理客户端将上传信息读取到本地数据库中，手机端可以通过对数据库的查看来获得相关的数据信息。PC端通过局域网将检测的数据和状态信息显示在显示屏上。

图1 智能信号机柜系统结构图

3 主要的技术要求

3.1 消息通信

(1) MQTT是一种消息传输协议，采用的是订阅和发布的方式实现的协议，是建立在TCP/IP协议的基础上实现的。MQTT协议的优点是轻量、简单，在进行消息传输时只需要较少的代码量，而且对于带宽的要求也较低。

(2) MQTT的特性是可以实现一对多的消息发布方式，该方式的实现是在订阅和发布的基础上[3]。

(3) MQTT的实现是通过客户端和服务端共同完成。通过发布者(public)发布消息后，根据发布者发布的主题，订阅者(Subscribe)通过订阅相同的主题，收到该主题的消息内容。

3.2 智能控制盒

和传统的机柜相比，智能信号机柜在功能上做了进一步的改进。智能信号机柜采用MQTT方式上传状态及告警信息，并接收来自局域网的开锁指令。也通过手机APP来实现指令的下发，智能门锁在收到手机APP端下发的指令时实现门锁的打开。

智能信号机柜增加了温湿度、水位烟雾碰撞、网络状态、门锁状态、开关所反馈状态、设备故障信息、设备运行状态、信号灯状态等数据的检测和采集，将采集到的数据通过MQTT客户端将数据发送到阿里云平台搭建的MQTT服务器。其中信号灯的状态和信号灯的剩余时间数据由嵌入式开发板和信号机通过RS232相连，通过对接收的数据进行解析可以得到对应的数据信息。

3.3 数据存储

将智能控制盒检测到的数据信息和接收到的信号机的灯色数据存储到管理客户端中的数据库中。通过数据融合的存储技术来实现对数据的存储，数据融合的存储技术可以对多传感器检测的数据在一定的准则下实现对数据的检测和估计。通过数据融合处理的数据具有更精确性和完整性。其中一级融合采用的是自适应加权融合算法，自适应加权融合算法可以对测量的不同精度的数据进行处理，在一定程度上提高了测量的精度。对于二级融合算法采用了BP神经网络融合算法，可以根据隐含层的计算结果和标记值的误差比较，如果超出误差的范围将进行反向的传输，由输出层向前传输进行计算。

4 系统的设计

4.1 智能控制盒的设计

图2 智能控制盒实现流程图

智能信号机柜的设计是建立在MQTT协议的基础上，智能信号机柜通过客户端将嵌入式开发板上板载传感器检测的数据发送到阿里云平台搭建的MQTT服务器。

智能信号机柜内载的嵌入式开发板上载有温湿度传感器、水位烟雾传感器、智能门锁以及摄像头模块。传感器会对环境的某些参数进行检测，检测得到的数据会采用自适应加权融合算法和BP神经网络算法对数据进行处理。处理后的数据会被存储在共享内存中，此时嵌入式开发板上搭建的MQTT客户端会将共享内存的数据发送到阿里云平台搭建的MQTT服务器。智能门锁可由局域网的电脑端进行控制开锁，PC端和智能机柜的连接通过网线相连。

4.2 数据处理算法

对于传感器检测的数据会存在一定的噪声误差,该误差会对数据的精确性产生一定的影响。通过加权融合算法对数据进行处理，以减少数据的误差，使得统计之后的数据值更加精确。不同传感器的权值是不同的，为使得方差达到最小，可根据测量值采用自适应的方法来获得对应的权值，使得融合的效果达到最佳[4]。

各个传感器的测量值为X1,X2,…Xn，各个传感器的加权因子为W1,W2,…Wn，自适应加权算法是多个传感器的测量值与各传感器的加权因子的融合。其融合后的表达式为：

由公式可以看出通过求取总均方误差最小值来提高输出精度。根据多元极值理论，最小总均方误差为：

此时每个传感器的加权因子为：

根据传感器的数据计算相应的权值，进而对融合结果进行计算。

对于二级的融合采用BP神经网络算法，BP神经网络算法是根据结果值和误差值的比较来确定是否进行反向传播的一种算法。

BP神经网络是一种前馈网络，信号在输入时，会经过输入层、隐含层，经过隐含层的计算进行判断误差的范围，根据误差范围来判断是否进行数据的反向传播。BP神经网络算法采用三层的网络模型，包括输入层、隐含层和输出层。首先对网络初始化，给出误差函数、训练精度值，并对初始权值和偏置项进行初始化。输入层到隐含层根据初始权值和偏置项计算回归值，采用S形激活函数对回归值进行变换，将变换之后的值传输到隐含层。隐含层会对传输进来的数据采用函数进行计算以及采用激活函数进行变换，再根据误差函数计算得到对应的误差，将误差与系统设定的误差精度进行比较，如果没有达到误差精度范围就返回输入层进行样本计算。

4.3 终端界面

手机APP可以通过对搭建的管理客户端进行调用，对智能控制盒上传的数据信息进行读取，显示在手机界面上。搭建的管理客户端是基于MQTT的基础上，通过MQTT的订阅主题功能，订阅智能控制盒发布的主题，实现了MQTT的通讯功能。管理客户端将接收到的数据信息存储在数据库中，手机APP通过对数据库的调用来实现数据的查阅，手机APP和管理客户端通过HTTP协议进行通信。手机APP和智能信号机柜的智能门锁的连接通过蓝牙模块实现通信，手机APP实现对智能机柜门锁的开关控制。PC端和智能控制盒的连接采用的是网线，PC端可以将数据显示在显示屏上，并可以通过PC端的指令实现对智能信号机柜门锁的打开和关闭。

5 实现过程和系统

5.1 实现过程

智能信号机柜的实现是在MQTT的基础上，利用MQTT的“轻量”、即时通讯来实现数据的传输和通讯。智能信号机柜的控制盒采用的是M6G2C工业控制核心板，通过外接传感器对环境参数进行测量。外接传感器主要有温湿度传感器、水位烟雾传感器等对环境温度进行测量。与此同时，智能控制盒的M6G2C工业控制核心板也会对智能机柜的供电状态、网络状态、设备状态以及信号机的灯色状态信息进行检测，将检测的信息存储到创建的共享内存中，通过搭建的MQTT客户端将存储在共享内存的数据信息上传到在阿里云平台搭建的MQTT服务器。

智能信号机柜的蓝牙门锁由手机端和PC端进行控制。手机APP端通过蓝牙功能控制智能门锁的开启和关闭，同时手机端将通过搭建的MQTT管理客户端调用智能控制盒上传的环境参数、门锁状态以及信号机状态等数据，并将数据显示在手机屏幕上。对于局域网而言，PC端和智能控制盒的相连采用的是网线，PC端可以实现核心板检测的数据在桌面的显示并实现对蓝牙门锁的打开和关闭的控制。

5.2 机柜及系统功能

智能机柜安全可靠、防盗性能好、散热效果好，实现如下主要功能：具备手机蓝牙开锁功能，机柜断电时可通过电子钥匙开锁；柜门状态实时检测，门开自动拍照，照片本地存储及上传；门开自动开启照明灯，柜内温度超限自动开启风扇；220V交流电实时监测、电能测量、电流越限报警、远程断电、断电检测上传告警信息；2G/4G无线通信功能；具有全球导航卫星系统，定位上传位置信息；柜内环境参数实时监测上报，异常时告警；支持OTA远程升级，遥测；具有远程监控功能。

手机APP面向交警和信号机运维人员，通过分发安装包的形式安装在Android手机平台。该APP需特定用户名和密码登录，由系统管理员统一创建、下发、管理。通过该APP，用户可实现权限内所有信号机箱状态的查看，对单个信号机箱发送开锁指令，以及查看每个信号机箱的开关门记录。

PC端管理平台实现各类实时状态监视、一键开锁、历史记录查询等功能外，主要负责对用户、权限以及日志进行精细化管理，能够按需定制各类统计分析报表。

图3 手机APP

图4 PC端实时监控

6 结语

文章介绍了基于MQTT的智能信号机柜的研究与设计。智能信号机柜数据通讯是在MQTT协议的基础上实现的，该设计在原有信号机的基础上，增加了对环境的监测以及对信号机网络状态、运行状态，以及信号机的灯色状态信息等信息的检测，并对数据信息进行存储。在MQTT协议的基础上，实现数据信息的上传，将数据信息上传到在阿里云平台搭建的MQTT服务器。手机APP可以通过搭建的MQTT管理客户端查看智能控制盒上传的环境参数以及信号机数据信息等数据，并显示在手机屏幕上。对于PC端，和智能控制盒的核心板采用网线进行连接，智能控制盒的数据信息实时显示在电脑屏幕上，可以实现对数据的实时检测。