淺談一種基于多傳感器技術(shù)的AI 交通監(jiān)控管理場(chǎng)景的智能教育環(huán)境

喬海曄，徐獻(xiàn)圣，梅仲豪

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院，廣東 佛山 528137；2.廣州飛瑞敖電子科技股份有限公司，廣東 廣州 511400）

1 前言

交通運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展水平是國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的重要標(biāo)志之一。10 年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車保有量也迅速增加，人們的出行范圍在不斷擴(kuò)大。道路擁堵、尾氣污染和交通安全事故等車和路、交通與環(huán)境的矛盾已經(jīng)成為制約社會(huì)和經(jīng)濟(jì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的因素之一。智能交通將先進(jìn)的傳感、通信和數(shù)據(jù)處理等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域，以此來(lái)構(gòu)建一個(gè)安全、暢通和環(huán)保的交通運(yùn)輸系統(tǒng)，這是解決未來(lái)交通運(yùn)輸問(wèn)題的有效方案。智能交通中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有典型的物聯(lián)網(wǎng)3 層架構(gòu)，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。其中感知層主要實(shí)現(xiàn)交通流信息的采集、車輛識(shí)別和定位等功能；網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)交通信息的傳輸；應(yīng)用層主要包含各類應(yīng)用，既包括局部區(qū)域的獨(dú)立應(yīng)用，包括交通信號(hào)控制服務(wù)和車輛智能控制服務(wù)等，也包括大范圍的應(yīng)用，如交通誘導(dǎo)服務(wù)、出行者信息服務(wù)和不停車收費(fèi)等。支持電腦端圖形化編程（Freeowl）、安卓端圖形化編程軟件F-code、Python 編程，支持無(wú)線下載脫機(jī)運(yùn)行。

智能交通沙盤(pán)根據(jù)模擬實(shí)際交通場(chǎng)景，組建具有行業(yè)特色的物聯(lián)網(wǎng)智能交通實(shí)訓(xùn)室，與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，覆蓋物聯(lián)網(wǎng)3 個(gè)層面的主要技術(shù)，包括傳感器技術(shù)、RFID 技術(shù)、微處理器技術(shù)、Wi-Fi 通信技術(shù)等。將當(dāng)前熱門(mén)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和最有市場(chǎng)潛力的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方案結(jié)合，提供了貼近現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的模擬環(huán)境，可以用于物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)以及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)綜合布線及二次開(kāi)發(fā)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)，為師生接觸和研究當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)搭建橋梁。讓學(xué)生在學(xué)科實(shí)踐中不僅能接觸到硬件、編寫(xiě)代碼，還能體會(huì)實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中各相關(guān)專業(yè)知識(shí)的交叉引用，積累開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。有了智能交通沙盤(pán)，學(xué)生不用走出校門(mén)、不用找企業(yè)實(shí)習(xí)，在實(shí)驗(yàn)室就能積累產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)、培養(yǎng)團(tuán)體精神、提高技術(shù)技能。為學(xué)生的就業(yè)創(chuàng)造更好、更多的機(jī)會(huì)。

2 研究綜述

人工智能是近年來(lái)興起的新技術(shù)革命，基于人工智能的技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入到我們生活的各個(gè)方面。為適應(yīng)時(shí)代的變化，緊跟社會(huì)的發(fā)展，目前我國(guó)各高校甚至連中小學(xué)校都在爭(zhēng)先恐后地設(shè)立人工智能相關(guān)的課程。在人工智能相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)授課過(guò)程中，小車作為教具的一種，有著豐富的功能，能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。

隨著時(shí)代發(fā)展和科技進(jìn)步，傳感器、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G 通信等新一代信息技術(shù)在不斷地改變著人類的生活，其中城市交通是上述技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)于智能交通的學(xué)習(xí)和研究受制于空間和時(shí)間的限制，在各類型院校和研究機(jī)構(gòu)中，智能交通沙盤(pán)是一個(gè)理想的產(chǎn)品形態(tài)。

在現(xiàn)有的各類用于教學(xué)領(lǐng)域的交通沙盤(pán)系統(tǒng)大部分功能比較單一，大多是“只能看，不能動(dòng)”的靜態(tài)展示，不能通過(guò)遙控的方式來(lái)控制，更不具備無(wú)人駕駛功能與AI 相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用的體驗(yàn)。現(xiàn)有系統(tǒng)用于智能交通的學(xué)習(xí)的智能交通沙盤(pán)中核心部件小車的定位一部分采用UWB 室內(nèi)定位及攝像頭機(jī)器視覺(jué)來(lái)實(shí)現(xiàn)，UWB 定位方法對(duì)設(shè)備要求高且上位機(jī)軟件算法復(fù)雜，在智能交通沙盤(pán)教學(xué)中難于實(shí)現(xiàn)。一部分采用WIFI、藍(lán)牙、ZigBee 等通信方式與上位機(jī)或其他設(shè)備通訊，對(duì)小車與其他設(shè)備的通訊距離有限制且通訊延時(shí)高，上位機(jī)無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取小車的行駛軌跡。

3 系統(tǒng)組成

物聯(lián)網(wǎng)智能交通系統(tǒng)主要包括智能小車、智能交通系統(tǒng)（交通路口控制）、路燈自動(dòng)控制系統(tǒng)、ETC 系統(tǒng)、智能停車系統(tǒng)、智能無(wú)線充電系統(tǒng)、智能公交站系統(tǒng)、智能交通顯示系統(tǒng)等。

綜合管理智能交通系統(tǒng)，多輛智能小車的自動(dòng)運(yùn)行地圖顯示、小車運(yùn)行參數(shù)顯示、進(jìn)/出停車場(chǎng)控制，進(jìn)/出充電樁控制、路口車流量統(tǒng)計(jì)、視頻監(jiān)控顯示等，軟件具備以下演示功能：

（1）智能小車控制功能。軟件通過(guò)對(duì)RFID、自動(dòng)控制、WiFi 等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，配以傳感器設(shè)備等硬件，控制小車跟蹤黑白軌道自動(dòng)運(yùn)行，采用傳感器來(lái)采集小車運(yùn)行的各種狀態(tài)（比如速度、電壓轉(zhuǎn)向等）并通過(guò)顯示屏顯示出來(lái)，小車?yán)脽o(wú)線WiFi 向后臺(tái)服務(wù)器傳輸小車狀態(tài)信息、位置信息，來(lái)達(dá)到和其他系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，功能軟件模塊包括電機(jī)控制程序、速度測(cè)量程序、遙控程序、自動(dòng)行駛程序、自動(dòng)壁障程序、網(wǎng)絡(luò)控制程序等，支持小車和上位機(jī)聯(lián)動(dòng)，通過(guò)GIS 地圖實(shí)時(shí)顯示小車的運(yùn)行軌跡。

（2）道路交通管理功能。軟件通過(guò)對(duì)RFID、自動(dòng)控制、WiFi 等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，配以傳感器設(shè)備等硬件，控制小車到達(dá)交通十字路口后，根據(jù)路口其他小車的狀態(tài)控制小車走/停，模擬小車通過(guò)交通路口自動(dòng)運(yùn)行的情況，監(jiān)控小車實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

（3）路燈自動(dòng)控制功能。軟件通過(guò)對(duì)自動(dòng)控制、WiFi 等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，配以傳感器設(shè)備等硬件到達(dá)路燈的自動(dòng)控制、人工控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制、路燈狀態(tài)監(jiān)控等，根據(jù)環(huán)境的光照亮度自動(dòng)判斷是否開(kāi)啟和關(guān)閉路燈。

（4）智能公共汽車站功能。軟件通過(guò)對(duì)RFID、自動(dòng)控制、WiFi 等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，配以傳感器設(shè)備等硬件，實(shí)現(xiàn)小車到站停車，數(shù)據(jù)顯示燈，反饋實(shí)時(shí)信息給后臺(tái)服務(wù)器，模擬小車還需幾個(gè)站到達(dá)本公交站等，通過(guò)WiFi 將公交車站聯(lián)網(wǎng)。

（5）ETC 系統(tǒng)控制功能。軟件通過(guò)對(duì)RFID、自動(dòng)控制、WiFi 等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，配以傳感器設(shè)備等硬件，實(shí)現(xiàn)小車行駛到ETC 入口處時(shí)，模擬實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)減速緩慢行駛，此時(shí)特高頻讀卡器讀取小車的數(shù)據(jù)，判斷小車信息是否與系統(tǒng)內(nèi)部信息匹配，匹配則欄桿自動(dòng)抬起，讓小車通行，并將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線WiFi 上傳給后臺(tái)服務(wù)器；小車行駛到ETC 出口處時(shí)，識(shí)別車輛信息，顯示例程數(shù)據(jù)等，并將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線WiFi 上傳給后臺(tái)服務(wù)器。

（6）智能停車系統(tǒng)控制功能。軟件通過(guò)對(duì)RFID、自動(dòng)控制、WiFi 等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，配以傳感器設(shè)備等硬件，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)上位機(jī)發(fā)指令讓小車自動(dòng)尋找并進(jìn)入停車場(chǎng)，進(jìn)入停車場(chǎng)后根據(jù)車位狀態(tài)進(jìn)出停車，小車出停車場(chǎng)時(shí)，顯示停車時(shí)長(zhǎng)并做相應(yīng)扣費(fèi)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線WiFi 上傳給后臺(tái)服務(wù)器。

（7）智能充電樁系統(tǒng)控制功能。軟件通過(guò)對(duì)RFID、自動(dòng)控制、WiFi 等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，配以傳感器設(shè)備等硬件，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)上位機(jī)發(fā)指令讓小車自動(dòng)尋找并進(jìn)入應(yīng)急充電樁，進(jìn)入應(yīng)急充電樁緊急充電達(dá)到可行駛電量后，上位機(jī)發(fā)送指令讓小車駛出充電樁進(jìn)入正常軌道，并將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線WiFi 上傳給后臺(tái)服務(wù)器。

圖1 系統(tǒng)框架示意圖

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 智能停車模塊設(shè)計(jì)

智能停車系統(tǒng)設(shè)計(jì)在停車場(chǎng)出入口各安裝一個(gè)攝像頭，完成車牌識(shí)別操作，利用光學(xué)字符識(shí)別技術(shù)（OCR），記錄圖像中的車牌號(hào)碼及車輛前部外形；依據(jù)停車場(chǎng)的形狀和大小，在場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置安裝若干個(gè)攝像頭，LED顯示屏放置停車場(chǎng)入口處，顯示場(chǎng)地的停車信息和車位空置情況。管理員也可以手動(dòng)設(shè)置LED 顯示屏，切換顯示如歡迎致辭之類的內(nèi)容。

借助RFID、自動(dòng)控制、WiFi 及可視化技術(shù)，通過(guò)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控停車場(chǎng)，增強(qiáng)對(duì)場(chǎng)地環(huán)境的溫度、煙霧、火災(zāi)、濕度等的監(jiān)控，車主也可以通過(guò)微信小程序完成提前查看停車位余量、預(yù)定車位、最短路徑導(dǎo)航、反向?qū)ぼ嚨裙δ堋ＴO(shè)計(jì)電路原理圖如圖2 所示。

圖2 智能停車系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分原理圖

4.2 智能交通沙盤(pán)定位小車

智能交通沙盤(pán)定位小車是融合5G 通信與RFID 識(shí)別的智能交通沙盤(pán)定位小車，主要組成部分包括微處理器MCU、高頻RFID 射頻電路、5G 模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、液晶屏顯示器、紅外循跡電路、超聲波測(cè)距模塊。組成模塊圖如圖3 所示。

圖3 智能交通沙盤(pán)定位小車組成模塊圖

微處理器MCU 與高頻RFID 射頻電路通過(guò)SPI 通信接口電性連接，MCU 與5G 模塊通過(guò)串口通信接口電性連接，MCU 控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)為小車提供動(dòng)力。液晶屏與MCU 串口相連通過(guò)串口通信，將小車位置信息及小車電池電量和車速等行駛狀態(tài)顯示在液晶屏上。MCU 通過(guò)紅外循跡電路反饋的信號(hào)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，控制小車在沙盤(pán)上的預(yù)定軌道上行駛。MCU 管腳與超聲波測(cè)距模塊相連，MCU 接收超聲波測(cè)距模塊反饋距離信號(hào)來(lái)控制小車避障。電源電路由12V 鋰電池組供電，通過(guò)穩(wěn)壓降壓芯片給MCU、高頻RFID 射頻芯片、5G 模塊等各模塊供電。微處理器MCU 外圍設(shè)有復(fù)位電路，復(fù)位電路由電阻和電容構(gòu)成RC 回路并接有外部手動(dòng)復(fù)位按鍵，微處理器MCU 外部接有8MHz 晶振。復(fù)位電路與微處理器MCU 的復(fù)位腳相連。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)包括傳感器技術(shù)、5G 通信技術(shù)、VR/AR 技術(shù)、AI 技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合的智慧交通智能教育系統(tǒng)，適合不同類別的學(xué)校使用和定制的基于5G 通信的智能交通沉浸式體驗(yàn)教具。系統(tǒng)VR 軟件平均幀率可達(dá)到50FPS，可實(shí)現(xiàn)在線編程控制和手柄交互功能。整機(jī)實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)接入方式，平均下載速率達(dá)到1Gbps；平均時(shí)延1ms，VR 設(shè)置4 層LOD。可為全國(guó)中小學(xué)普及信息技術(shù)課程、中高職學(xué)生的人工智能技術(shù)入門(mén)課程教育提供教學(xué)工具，也可以作為智慧交通系統(tǒng)的展示沙盤(pán)。