浅谈一种基于多传感器技术的AI 交通监控管理场景的智能教育环境

乔海晔，徐献圣，梅仲豪

（1.佛山职业技术学院电子信息学院，广东 佛山 528137；2.广州飞瑞敖电子科技股份有限公司，广东 广州 511400）

1 前言

交通运输系统的发展水平是国家兴旺发达的重要标志之一。10 年来，随着我国经济的快速发展，汽车保有量也迅速增加，人们的出行范围在不断扩大。道路拥堵、尾气污染和交通安全事故等车和路、交通与环境的矛盾已经成为制约社会和经济正常运转的因素之一。智能交通将先进的传感、通信和数据处理等物联网技术，应用于交通运输领域，以此来构建一个安全、畅通和环保的交通运输系统，这是解决未来交通运输问题的有效方案。智能交通中的物联网技术具有典型的物联网3 层架构，由感知层、网络层和应用层组成。其中感知层主要实现交通流信息的采集、车辆识别和定位等功能；网络层主要实现交通信息的传输；应用层主要包含各类应用，既包括局部区域的独立应用，包括交通信号控制服务和车辆智能控制服务等，也包括大范围的应用，如交通诱导服务、出行者信息服务和不停车收费等。支持电脑端图形化编程（Freeowl）、安卓端图形化编程软件F-code、Python 编程，支持无线下载脱机运行。

智能交通沙盘根据模拟实际交通场景，组建具有行业特色的物联网智能交通实训室，与实际应用紧密结合，覆盖物联网3 个层面的主要技术，包括传感器技术、RFID 技术、微处理器技术、Wi-Fi 通信技术等。将当前热门的物联网技术和最有市场潜力的物联网应用方案结合，提供了贴近现场应用的模拟环境，可以用于物联网基础理论学习以及验证性实验教学，还可用于物联网应用系统综合布线及二次开发的实训教学，为师生接触和研究当前先进技术搭建桥梁。让学生在学科实践中不仅能接触到硬件、编写代码，还能体会实际产品开发过程中各相关专业知识的交叉引用，积累开发经验。有了智能交通沙盘，学生不用走出校门、不用找企业实习，在实验室就能积累产品开发的经验、培养团体精神、提高技术技能。为学生的就业创造更好、更多的机会。

2 研究综述

人工智能是近年来兴起的新技术革命，基于人工智能的技术应用已经进入到我们生活的各个方面。为适应时代的变化，紧跟社会的发展，目前我国各高校甚至连中小学校都在争先恐后地设立人工智能相关的课程。在人工智能相关专业的实验授课过程中，小车作为教具的一种，有着丰富的功能，能提高学生的学习兴趣，激发学生的创造力。

随着时代发展和科技进步，传感器、人工智能、物联网、5G 通信等新一代信息技术在不断地改变着人类的生活，其中城市交通是上述技术的一个重要应用领域，对于智能交通的学习和研究受制于空间和时间的限制，在各类型院校和研究机构中，智能交通沙盘是一个理想的产品形态。

在现有的各类用于教学领域的交通沙盘系统大部分功能比较单一，大多是“只能看，不能动”的静态展示，不能通过遥控的方式来控制，更不具备无人驾驶功能与AI 相关的技术应用的体验。现有系统用于智能交通的学习的智能交通沙盘中核心部件小车的定位一部分采用UWB 室内定位及摄像头机器视觉来实现，UWB 定位方法对设备要求高且上位机软件算法复杂，在智能交通沙盘教学中难于实现。一部分采用WIFI、蓝牙、ZigBee 等通信方式与上位机或其他设备通讯，对小车与其他设备的通讯距离有限制且通讯延时高，上位机无法实时准确地获取小车的行驶轨迹。

3 系统组成

物联网智能交通系统主要包括智能小车、智能交通系统（交通路口控制）、路灯自动控制系统、ETC 系统、智能停车系统、智能无线充电系统、智能公交站系统、智能交通显示系统等。

综合管理智能交通系统，多辆智能小车的自动运行地图显示、小车运行参数显示、进/出停车场控制，进/出充电桩控制、路口车流量统计、视频监控显示等，软件具备以下演示功能：

（1）智能小车控制功能。软件通过对RFID、自动控制、WiFi 等物联网技术的应用，配以传感器设备等硬件，控制小车跟踪黑白轨道自动运行，采用传感器来采集小车运行的各种状态（比如速度、电压转向等）并通过显示屏显示出来，小车利用无线WiFi 向后台服务器传输小车状态信息、位置信息，来达到和其他系统的联动，功能软件模块包括电机控制程序、速度测量程序、遥控程序、自动行驶程序、自动壁障程序、网络控制程序等，支持小车和上位机联动，通过GIS 地图实时显示小车的运行轨迹。

（2）道路交通管理功能。软件通过对RFID、自动控制、WiFi 等物联网技术的应用，配以传感器设备等硬件，控制小车到达交通十字路口后，根据路口其他小车的状态控制小车走/停，模拟小车通过交通路口自动运行的情况，监控小车实时运行状态。

（3）路灯自动控制功能。软件通过对自动控制、WiFi 等物联网技术的应用，配以传感器设备等硬件到达路灯的自动控制、人工控制、远程网络控制、路灯状态监控等，根据环境的光照亮度自动判断是否开启和关闭路灯。

（4）智能公共汽车站功能。软件通过对RFID、自动控制、WiFi 等物联网技术的应用，配以传感器设备等硬件，实现小车到站停车，数据显示灯，反馈实时信息给后台服务器，模拟小车还需几个站到达本公交站等，通过WiFi 将公交车站联网。

（5）ETC 系统控制功能。软件通过对RFID、自动控制、WiFi 等物联网技术的应用，配以传感器设备等硬件，实现小车行驶到ETC 入口处时，模拟实际应用系统减速缓慢行驶，此时特高频读卡器读取小车的数据，判断小车信息是否与系统内部信息匹配，匹配则栏杆自动抬起，让小车通行，并将数据通过无线WiFi 上传给后台服务器；小车行驶到ETC 出口处时，识别车辆信息，显示例程数据等，并将数据通过无线WiFi 上传给后台服务器。

（6）智能停车系统控制功能。软件通过对RFID、自动控制、WiFi 等物联网技术的应用，配以传感器设备等硬件，实现了通过上位机发指令让小车自动寻找并进入停车场，进入停车场后根据车位状态进出停车，小车出停车场时，显示停车时长并做相应扣费，并将数据通过无线WiFi 上传给后台服务器。

（7）智能充电桩系统控制功能。软件通过对RFID、自动控制、WiFi 等物联网技术的应用，配以传感器设备等硬件，实现了通过上位机发指令让小车自动寻找并进入应急充电桩，进入应急充电桩紧急充电达到可行驶电量后，上位机发送指令让小车驶出充电桩进入正常轨道，并将数据通过无线WiFi 上传给后台服务器。

图1 系统框架示意图

4 系统设计

4.1 智能停车模块设计

智能停车系统设计在停车场出入口各安装一个摄像头，完成车牌识别操作，利用光学字符识别技术（OCR），记录图像中的车牌号码及车辆前部外形；依据停车场的形状和大小，在场内各个位置安装若干个摄像头，LED显示屏放置停车场入口处，显示场地的停车信息和车位空置情况。管理员也可以手动设置LED 显示屏，切换显示如欢迎致辞之类的内容。

借助RFID、自动控制、WiFi 及可视化技术，通过监控中心实时监控停车场，增强对场地环境的温度、烟雾、火灾、湿度等的监控，车主也可以通过微信小程序完成提前查看停车位余量、预定车位、最短路径导航、反向寻车等功能。设计电路原理图如图2 所示。

图2 智能停车系统设计部分原理图

4.2 智能交通沙盘定位小车

智能交通沙盘定位小车是融合5G 通信与RFID 识别的智能交通沙盘定位小车，主要组成部分包括微处理器MCU、高频RFID 射频电路、5G 模块、步进电机驱动电路、液晶屏显示器、红外循迹电路、超声波测距模块。组成模块图如图3 所示。

图3 智能交通沙盘定位小车组成模块图

微处理器MCU 与高频RFID 射频电路通过SPI 通信接口电性连接，MCU 与5G 模块通过串口通信接口电性连接，MCU 控制步进电机驱动电路驱动步进电机为小车提供动力。液晶屏与MCU 串口相连通过串口通信，将小车位置信息及小车电池电量和车速等行驶状态显示在液晶屏上。MCU 通过红外循迹电路反馈的信号调整步进电机的转向和转速，控制小车在沙盘上的预定轨道上行驶。MCU 管脚与超声波测距模块相连，MCU 接收超声波测距模块反馈距离信号来控制小车避障。电源电路由12V 锂电池组供电，通过稳压降压芯片给MCU、高频RFID 射频芯片、5G 模块等各模块供电。微处理器MCU 外围设有复位电路，复位电路由电阻和电容构成RC 回路并接有外部手动复位按键，微处理器MCU 外部接有8MHz 晶振。复位电路与微处理器MCU 的复位脚相连。

5 结语

本文设计了一个包括传感器技术、5G 通信技术、VR/AR 技术、AI 技术和物联网技术深度融合的智慧交通智能教育系统，适合不同类别的学校使用和定制的基于5G 通信的智能交通沉浸式体验教具。系统VR 软件平均帧率可达到50FPS，可实现在线编程控制和手柄交互功能。整机实现5G 网络接入方式，平均下载速率达到1Gbps；平均时延1ms，VR 设置4 层LOD。可为全国中小学普及信息技术课程、中高职学生的人工智能技术入门课程教育提供教学工具，也可以作为智慧交通系统的展示沙盘。