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智能交通物聯網實訓系統

發布于:2015/9/9 18:49:29 點擊量:

1、 概述

具有交通專業背景的物聯網專業方向,如何緊貼交通特色開展物聯網應用教學?

交通信息化與智能化是行業的必然發展趨勢,院校采用什么樣的教學模式去培養卓越工程技術人才?

除智能家居、智能溫室大棚這類常用的物聯網實訓設備之外,有沒有緊貼物聯網行業應用、具有突出教學價值的實驗實訓教學設備?

1.1 智能交通物聯網實訓系統

智能交通系統簡稱ITS,它將先進的信息、數據、感知、控制和計算技術有效集成并運用于整個地面交通管理,實時、準確、高效的管理系統。智能交通系統是物聯網技術與傳統交通管理技術的深度融合,是物聯網技術在行業應用的最典型代表之一。交通物聯網工程技術是交通信息化的重要支撐技術,建設交通物聯網支撐技術實驗教學平臺,培養交通領域物聯網技術急需人才,是服務交通行業及其信息化發展的迫切需要。

中智訊依托深厚的物聯網、機器人技術積累,以及卓越工程師教育的深刻理解,從物聯網、交通專業的實驗實訓、項目科研和應用展示的本源需求出發,設計并提供了一套智能交通物聯網實訓系統。

智能交通物聯網實訓系統根據城市交通網,或者以校園交通網為原型設計沙盤場景模型,體現真實場景、具有超凡的仿真度和展示度。智能交通物聯網實訓系統以智能車為主體,代替真實的車輛進行智能交通各種功能特征的模擬仿真,系統匯聚了智能車、機器人導航及定位、RFID識別、圖像識別、圖像定位、智能控制、無線傳感網等技術。綜合實現了智能公交、ETC、智能停車場、智能紅綠燈、智能路燈、公路災害預警及應急聯動、全網車輛定位、車聯網等智能交通的各種先進及典型的功能。

智能交通物聯網實訓系統采用項目式教學,例如讓學生從基礎的路燈亮滅控制開始學習,加入光照傳感器進行簡單智能控制,再根據車輛位置進行復雜智能控制等等。從基礎開始,逐步深化,幾十個課時的實驗以完整的智能交通的系統功能為主線貫穿在一起,讓學生在課程完成時已經不知不覺的學會了整套智能交通的關鍵技術點、系統架構,自己有能力去構建一套智能交通系統原型出來。

 

  2、 系統功能

智能交通物聯網實訓系統提供12種功能,用戶可以根據需求進行功能組合搭配,以構成一個適合教學需求,性價比最高的解決方案。

   

   圖 2.1 智能公交系統

公交是城市交通里面最重要的一個環節,如何保障公交系統的快捷、便利、舒適是智能交通系統的最重要命題。本系統提供兩種智能公交技術的驗證模型:

   公交優先:進入本模式,智能交通系統將優先保障公交車的順暢運行。當公交車即將到達路口時,系統會控制紅綠燈會提前變綠,讓公交車優先通過。

   公交運行信息實時顯示:系統中的公交車通過RFID路標進行定位,然后通過無線傳感網將自身位置實時傳遞給中央控制器,站臺上的公交信息顯示屏通過無線網絡和中央控制器通信,獲取并顯示每路公交車的實時運行狀態、與本站臺之間的距離等信息。

 

2.2 ETC系統

ETC是高速公路上最重要、最先進的基礎設施,是有源RFID技術的最典型應用之一。智能交通物聯網實訓系統提供1-2ETC系統,對現實交通的ETC系統進行原理模擬和實驗教學。

在智能交通物聯網實訓系統上,車輛進入ETC收費站入口的讀卡器感應范圍,讀卡器會讀出車輛信息,車牌識別系統拍照并進行車牌識別(需要選配車牌識別系統),所有信息存入數據庫,然后閘機打開車輛放行。車輛再次進入收費站時,ETC卡信息被讀取,系統從數據庫調出車輛進入高速公路的位置,自動計費扣費,扣費成功后自動放行。

2.3 智能停車場

未來的智能停車場具有兩個特征:1、無人值守,通過ETC技術、車牌識別技術、智能管控技術實現停車場的自動計時扣費、無人化管理。2、信息聯網,停車場的運行信息將實時發布到網絡上,通過APP即可查看全市停車場的車位信息及公告。

智能交通物聯網實訓系統提供了一套完整的智能停車場系統,包含以下功能:

1  停車場每個車位底下都有傳感器,系統通過傳感器可判斷車位上是否有車輛停靠。

2  停車場全面支持ETC系統,可自動進行停車計時、費用統計、自動扣費,實現無人值守。

       3  車位空余信息可通過中央控制器實時統計并顯示,也可以顯示在停車場的信息屏。

2.4、 智能紅綠燈管理

紅綠燈是交通網上的最重要指揮管理系統,本系統除了固定時間模式之外,還提供動態調整模式。

在動態調整模式下,路口的車輛檢測傳感器可進行車流量統計。中央控制器通過ZigBee無線通信調節紅綠燈控制器的控制參數,實現根據車流量大小來動態調整紅綠燈變化時間的目的,例如將車流量大的方向的綠燈時間適當延長。

2.5 智能路燈控制

智能交通網絡除了智能之外還需要節能,交通網絡上主要的能耗源是路燈。本系統提供兩種路燈控制模式。

   整體控制模式:智能交通物聯網實訓系統有一組光照傳感器,采集環境光照度,光照值通過ZigBee網絡傳輸給中央控制器,中央控制器根據光照值進行整個實訓系統所有路燈的整體控制,例如光照度低于某一個值時,路燈整體打開。整體控制模式是對現實交通網上的路燈的模擬仿真。

   節能控制模式:在智能交通物聯網實訓系統上,中央控制系統知道每臺車輛的實時位置,因此就能夠對路燈進行更加智能化的控制。系統可以根據車輛的運行方向和所在位置進行智能燈光控制,車輛運行前方的路燈自動打開,車輛過后,路燈自動熄滅。這種模式適合在深夜到凌晨,路上沒有多少車輛的情況下使用。這種智能化的節能控制模式也是未來交通網的必然趨勢。

3.1、 硬件系統構成

    智能交通物聯網實訓系統由實訓沙盤、智能車、控制系統配套教材構成。  

 

實訓沙盤可以選擇標準版本,也可根據學校的需求進行定制,例如以學校校區為原型設計智能交通沙盤場景。 3.1分別為沈陽大學、吉林電子信息職業技術學院、上海東華大學的實訓沙盤。

 

3.各種智能交通物聯網實訓系統沙盤

根據功能定制需求,沙盤上集成自動停車場和ETC收費站的電動閘門、ETC讀寫設備、信息屏及相應的控制節點;智能公交的公交站信息屏及控制節點;紅綠燈及智能控制節點;燈光及智能控制節點;車流量檢測的紅外傳感器及傳感器采集節點;用于環境監測的光照、煙霧、紅外傳感器及對應的智能節點;可變信息情報板及控制節點;作為中央控制器的嵌入式網關等等。上述節點通過ZigBee技術組合成一個無線傳感器網絡。

如果選配上車牌識別、圖像定位等功能,實訓沙盤上還會集成圖像識別定位的高速工業攝像機、違章抓拍、車牌識別所用的監控攝像機等等。攝像機通過USB或者1394數據線連入圖像服務器。

智能交通物聯網實訓系統是一種非常典型、完整的物聯網應用案例,具有感知層、網絡層、應用層的三層體系結構。

感知層由信息感知終端和控制處理終端兩部分。實訓系統上面通過光照傳感器、紅外傳感器、位移傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器、RFID讀寫器、磁導航傳感器等各種傳感器進行交通環境信息采集、導航定位信息采集、交通設施狀況監測等;控制處理終端包括:閘門控制器、路燈控制器、紅綠燈控制器、液晶屏及其控制器、導引屏及其控制器、智能車等,這些控制器執行一定的控制指令要求,實現交通網絡的自動化控制。 

3.2 智能交通物聯網實訓系統的三層體系結構 

 

4、 關鍵技術

本智能交通物聯網實訓系統是國內集成度最高、技術最為先進的智能交通實驗、實訓、科研平臺。系統綜合運用了物聯網、智能控制、機器人、計算機信息等多個領域的技術,具體包括圖像識別、無人車定位及導航、無線傳感網、嵌入式系統、微處理器等技術。

以下對上述關鍵技術點進行詳細說明。

4.1、 基于磁感應及RFID的導航定位技術

圖像識別定位技術系統復雜、價格較為昂貴,一般的智能交通實驗、實訓教學不一定適合。本智能交通物聯網實訓系統標準配置“基于磁感應及RFID的導航定位技術”,完成車輛的導航和定位。

實訓沙盤的路面PVC板下密布磁條、高頻RFID標簽。連續的磁條是智能車的導引線,智能車通過磁導航傳感器檢測磁條,根據磁條確定道路;通過智能車上的RFID讀寫器讀取RFID標簽信息,結合中央控制器上的航位推算算法,計算出車輛的實時位置和方向。

4.1 導航磁條及RFID標簽示意圖

在工業領域,基于磁感應及RFID的導航定位方式是自主移動平臺如AGV、巡檢機器人、無軌貨架等系統最重要的一種導航方式。相比基于光電傳感器和視覺傳感器的色條導航方式,磁導航可靠性更高,不受環境光和地面條件的影響;中智訊的磁導航技術及產品已經廣泛應用于汽車生產線、家電生產線、自動化倉儲中心等各個工業自動化領域。

4.2 中智訊的磁導航技術及產品應用在汽車生產線上

系統上的車輛都是全程無人駕駛或者遙控的,全自主運行。每臺智能車都有1STM32嵌入式處理器,運行μcos操作系統;配套1ZigBee無線模塊、1組磁導航傳感器、1RFID讀寫器、1組紅外傳感器。

智能車能夠接收中央控制器控制指令,自動運行到指定地點;能夠自行規劃路徑,自主運行;能夠準確定位并將位置信息無線傳輸給中央控制器。

4.3 智能車硬件結構示意圖

4.3、 Android嵌入式技術

本系統通過Android嵌入式系統作為核心中央控制器,中央控制器可以對整個實訓系統上的所有車輛、交通網系統進行控制和調度,演示各種智能交通網絡的功能。

4.4 Android中央控制器 

智能交通系統上有大量的車輛、路燈、信息屏、導引屏、RFID讀寫器、控制器、紅綠燈等設備,這些設備通過ZigBee組成一個無線自組織網絡,通過網絡進行相互通信。 

 

5、 教學實施

5.1、 硬件系統對實訓教學的支撐  

 

中智訊智能交通物聯網實訓系統系統構成的整套硬件系統相當的復雜,我們將硬件系統分為兩大部分:功能性硬件、操作性硬件。

 

功能性硬件指的是固定在實訓沙盤上,有具體的功能,例如沙盤PVC面板底下的RFID標簽、導航磁條;公交站臺的信息屏;停車場入口的UHF超高頻讀寫器、攝像機等等。這部分硬件一般不建議學生拆卸,避免破壞實訓沙盤整體外觀。

5.1 實訓沙盤上功能性硬件示意圖

操作性硬件包括各種控制器、智能節點等核心控制設備。在沙盤的側面有兩個控制設備抽屜,如 5.2 5.3。從圖上可以看到山體滑坡模擬節點、車流量檢測節點、ETC入口節點、ETC出口節點等等。功能性部件組裝在沙盤上,通過線纜引到抽屜面板上,再通過帶測試端子的線連接到控制節點上。因此,學生即使不拆卸沙盤上固定的功能性硬件,也能夠完全理清整套智能交通物聯網實訓系統的硬件系統架構,能夠動手接線從零開始重構這套系統。  

所有功能性硬件通過學生可以重新連接的線路連到智能控制節點上,智能節點、網關之間通過ZigBee組網和通信。

 

圖5.2 控制抽屜

 

5.3 網關控制抽屜

 

 



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