海量數(shù)據(jù)平臺下多小車聯(lián)動巡邏系統(tǒng)研究

邢建寧 付江龍 韓澤江

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

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；智能小車；視頻識別

隨著人工智能技術(shù)、計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能機(jī)器人作為現(xiàn)社會的新產(chǎn)物，在生活的各個方面都有著廣泛的應(yīng)用。Hadoop作為處理大數(shù)據(jù)的一種工具，具有大量存儲、快速篩選訪問有效數(shù)據(jù)等功能；而智能小車具備自動控制、環(huán)境監(jiān)測、無線控制等多種功能，能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)據(jù)平臺進(jìn)行人工智能模擬，多個小車互聯(lián)協(xié)同工作，利用WiFi連通整個系統(tǒng)，大數(shù)據(jù)與人工智能相結(jié)合，雙模式智能使得整個系統(tǒng)更加智能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

利用Hadoop搭建智能小車海量數(shù)據(jù)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(qū)域內(nèi)的圖像視頻數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、人物行為分析以及各種物品識別，解析之后將結(jié)果以指令形式發(fā)送給智能小車，通過WiFi模塊串口和單片機(jī)串口之間互相發(fā)送的控制數(shù)據(jù)流，智能小車依照控制指令進(jìn)行下一個行為。系統(tǒng)框架如圖1（雙向箭頭表示可相互通信）所示。

2 智能小車設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

小車控制板使用STM32模板，其硬件設(shè)計主要包括視頻采集模塊、超聲波避障模塊、傳輸模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、循跡模塊。

a.視頻采集模塊。視頻采集主要應(yīng)用ATK-OV7670攝像頭模塊，[1]在PCLK，VSYNC和HREF/HSYNC的控制下對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，在HREF為高的時候輸出圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)HREF變高后，PLCK時鐘輸出字節(jié)數(shù)據(jù)信息。ATK-OV7670模塊自帶FIFO、12M有源晶振、穩(wěn)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(jī)與之相連，實現(xiàn)全方位監(jiān)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(fā)射器、超聲波接收器和控制電路三部分構(gòu)成，具有VCC、GND、TRIG、ECHO四個引腳。通過IO口觸發(fā)HC-SR04超聲波模塊，給TRIG至少10us的高電平信號，模塊自動發(fā)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(xiàn)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(wǎng)通模塊，支持全球頻段B1/B3/B8/B5/B20/B28，同時符合3GPP R14標(biāo)準(zhǔn)，支持UDP和TCP傳統(tǒng)的SOCKET協(xié)議兼容GPRS，還支持MQTT、COAP、LWM2M等協(xié)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(xiàn)了多個小車之間、小車與服務(wù)終端的相互通信。

d.電機(jī)驅(qū)動模塊。電機(jī)驅(qū)動模塊使用L289N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動芯片，該驅(qū)動板可驅(qū)動2路直流電路，使能端ENA、ENB為高電平時有效。當(dāng)使能信號為0時，直流電機(jī)停止工作，當(dāng)使能信號為1，并且IN1和IN2為00或11時，電機(jī)處于制動狀況，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。具體控制方式和電機(jī)狀態(tài)如下表所示。若需對直流電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速，則要調(diào)整IN1和IN2，確定電機(jī)轉(zhuǎn)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(xiàn)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(dá)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(fā)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(jī)通過判斷傳感器的輸出端是0或者是1，檢測黑線，達(dá)到循跡效果。

2.2 軟件設(shè)計

a.程序流程設(shè)計。智能小車主板首先系統(tǒng)初始化，檢測WiFi信號是否連通，與服務(wù)端連接，選擇智能模式和命令模式。智能模式下小車根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境自動運行，通過循跡模塊、避障模塊實現(xiàn)智能規(guī)劃，通過通信模塊將視頻模塊采集到的數(shù)據(jù)傳至服務(wù)端；命令模式下主板根據(jù)接收到的服務(wù)端命令控制小車行走，將采集到的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。程序構(gòu)架圖如圖2所示。

b.控制端設(shè)計?？刂贫嗽O(shè)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(jìn)行開發(fā)?？刂贫伺cWiFi模塊相連，通過串口與端口互相發(fā)送數(shù)據(jù)流，讀取并解析攝像頭收集到的視頻流信息。

3 結(jié)語

本文主要介紹了海量數(shù)據(jù)平臺下多小車聯(lián)動巡邏系統(tǒng)中有關(guān)智能小車功能的具體實現(xiàn)，智能小車可通過自動和遙控兩種方式進(jìn)行運作。在特定區(qū)域內(nèi)，小車可利用避障、循跡的功能沿設(shè)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(lán)牙、WiFi等方式利用手機(jī)、電腦實時控制小車的運動和攝像頭模塊轉(zhuǎn)動角度，實現(xiàn)360度全方位監(jiān)測。隨后，對采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàn)定位追蹤、識別危險、預(yù)判違規(guī)行為的功能，實時監(jiān)測并預(yù)防危險事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]楊述斌，邱倩文，等.一種ZigBee無線遙控小車的設(shè)計[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報，2015.