海量數據平臺下多小車聯動巡邏系統研究

邢建寧 付江龍 韓澤江

摘 要：設計基于WiFi智能視頻小車和Hadoop平臺，該系統通過智能小車采集視頻圖像信息，利用大數據分析平臺，對小車搜集到的圖像數據和視頻數據進行計算，進行人物識別和行為分析，并將分析結果以指令形式傳給智能小車，進而控制小車進行下一步的指令。多個智能小車互相連接并與服務端通信，通過視頻、圖片識別等手段，完成對外界環境的探測，實現一個人工智能的小車巡邏系統。

關鍵詞：大數據；智能小車；視頻識別

隨著人工智能技術、計算機互聯網通信技術、自動控制技術的迅速發展，智能機器人作為現社會的新產物，在生活的各個方面都有著廣泛的應用。Hadoop作為處理大數據的一種工具，具有大量存儲、快速篩選訪問有效數據等功能；而智能小車具備自動控制、環境監測、無線控制等多種功能，能夠實現前后左右移動、循跡、避障、無線通信、視頻采集等各種行為。利用海量數據平臺進行人工智能模擬，多個小車互聯協同工作，利用WiFi連通整個系統，大數據與人工智能相結合，雙模式智能使得整個系統更加智能。

1 系統總體設計

利用Hadoop搭建智能小車海量數據理平臺，以無線WiFi作為傳輸媒介，同時控制多個小車依照軌跡智能行走，通過小車自帶的攝像頭模塊搜集某個特定區域內的圖像視頻數據，通過數據處理平臺對數據進行計算、人物行為分析以及各種物品識別，解析之后將結果以指令形式發送給智能小車，通過WiFi模塊串口和單片機串口之間互相發送的控制數據流，智能小車依照控制指令進行下一個行為。系統框架如圖1（雙向箭頭表示可相互通信）所示。

2 智能小車設計

2.1 硬件設計

小車控制板使用STM32模板，其硬件設計主要包括視頻采集模塊、超聲波避障模塊、傳輸模塊、電機驅動模塊、循跡模塊。

a.視頻采集模塊。視頻采集主要應用ATK-OV7670攝像頭模塊，[1]在PCLK，VSYNC和HREF/HSYNC的控制下對圖像數據進行輸出，在HREF為高的時候輸出圖像數據，當HREF變高后，PLCK時鐘輸出字節數據信息。ATK-OV7670模塊自帶FIFO、12M有源晶振、穩壓電路、感紅外鏡頭，體積精巧，不需要外部時鐘，方便使用。通過舵機與之相連，實現全方位監測。

b.超聲波避障模塊。超聲波避障模塊使用HC-SR04模塊，該模塊測距精度較高，由超聲波發射器、超聲波接收器和控制電路三部分構成，具有VCC、GND、TRIG、ECHO四個引腳。通過IO口觸發HC-SR04超聲波模塊，給TRIG至少10us的高電平信號，模塊自動發送8個40Khz的方波信號，并檢測有無信號的返回，判斷前方是否有障礙物，實現避障功能。[2]

c.傳輸模塊。智能小車搭載NB-IOT模塊及WiFi模塊，其中BC35-G是三網通模塊，支持全球頻段B1/B3/B8/B5/B20/B28，同時符合3GPP R14標準，支持UDP和TCP傳統的SOCKET協議兼容GPRS，還支持MQTT、COAP、LWM2M等協議接入第三方阿里云、電信云、移動云、華為云等。兩種模塊共同作用，實現了多個小車之間、小車與服務終端的相互通信。

d.電機驅動模塊。電機驅動模塊使用L289N雙H橋直流電機驅動芯片，該驅動板可驅動2路直流電路，使能端ENA、ENB為高電平時有效。當使能信號為0時，直流電機停止工作，當使能信號為1，并且IN1和IN2為00或11時，電機處于制動狀況，控制電機旋轉。具體控制方式和電機狀態如下表所示。若需對直流電機進行PWM調速，則要調整IN1和IN2，確定電機轉動的方向，對使能端輸出PWM脈沖。

e.循跡模塊。循跡功能的實現基于紅外傳感器，利用紅外光線反射的一個特性，因黑色的反射紅外光的能力很弱，對于黑色的物體，反射回來的紅外光很少，反射量大量減少，達不到傳感器動作的水平，此時傳感器輸出1。對于其他顏色的物體，傳感器發射出去的紅外光被大部分反射回來，此時傳感器輸出低電平0。單片機通過判斷傳感器的輸出端是0或者是1，檢測黑線，達到循跡效果。

2.2 軟件設計

a.程序流程設計。智能小車主板首先系統初始化，檢測WiFi信號是否連通，與服務端連接，選擇智能模式和命令模式。智能模式下小車根據現場環境自動運行，通過循跡模塊、避障模塊實現智能規劃，通過通信模塊將視頻模塊采集到的數據傳至服務端；命令模式下主板根據接收到的服務端命令控制小車行走，將采集到的視頻數據發送至服務器。程序構架圖如圖2所示。

b.控制端設計。控制端設計分為PC和Android兩種，分別使用c語言和Java語言通過Visual Studio和Android APP進行開發。控制端與WiFi模塊相連，通過串口與端口互相發送數據流，讀取并解析攝像頭收集到的視頻流信息。

3 結語

本文主要介紹了海量數據平臺下多小車聯動巡邏系統中有關智能小車功能的具體實現，智能小車可通過自動和遙控兩種方式進行運作。在特定區域內，小車可利用避障、循跡的功能沿設定好的軌跡自動行走，收集視頻信息；此外，工作人員還可通過藍牙、WiFi等方式利用手機、電腦實時控制小車的運動和攝像頭模塊轉動角度，實現360度全方位監測。隨后，對采集到的視頻數據進行計算，分析視頻中的人流量、人體屬性識別、手勢識別以及行為分析，實現定位追蹤、識別危險、預判違規行為的功能，實時監測并預防危險事故的發生。

參考文獻：

[1]張洋.原子教你玩STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[2]楊述斌，邱倩文，等.一種ZigBee無線遙控小車的設計[J].武漢工程大學學報，2015.