海量数据平台下多小车联动巡逻系统研究

邢建宁 付江龙 韩泽江

摘 要：设计基于WiFi智能视频小车和Hadoop平台，该系统通过智能小车采集视频图像信息，利用大数据分析平台，对小车搜集到的图像数据和视频数据进行计算，进行人物识别和行为分析，并将分析结果以指令形式传给智能小车，进而控制小车进行下一步的指令。多个智能小车互相连接并与服务端通信，通过视频、图片识别等手段，完成对外界环境的探测，实现一个人工智能的小车巡逻系统。

关键词：大数据；智能小车；视频识别

随着人工智能技术、计算机互联网通信技术、自动控制技术的迅速发展，智能机器人作为现社会的新产物，在生活的各个方面都有着广泛的应用。Hadoop作为处理大数据的一种工具，具有大量存储、快速筛选访问有效数据等功能；而智能小车具备自动控制、环境监测、无线控制等多种功能，能够实现前后左右移动、循迹、避障、无线通信、视频采集等各种行为。利用海量数据平臺进行人工智能模拟，多个小车互联协同工作，利用WiFi连通整个系统，大数据与人工智能相结合，双模式智能使得整个系统更加智能。

1 系统总体设计

利用Hadoop搭建智能小车海量数据理平台，以无线WiFi作为传输媒介，同时控制多个小车依照轨迹智能行走，通过小车自带的摄像头模块搜集某个特定区域内的图像视频数据，通过数据处理平台对数据进行计算、人物行为分析以及各种物品识别，解析之后将结果以指令形式发送给智能小车，通过WiFi模块串口和单片机串口之间互相发送的控制数据流，智能小车依照控制指令进行下一个行为。系统框架如图1（双向箭头表示可相互通信）所示。

2 智能小车设计

2.1 硬件设计

小车控制板使用STM32模板，其硬件设计主要包括视频采集模块、超声波避障模块、传输模块、电机驱动模块、循迹模块。

a.视频采集模块。视频采集主要应用ATK-OV7670摄像头模块，[1]在PCLK，VSYNC和HREF/HSYNC的控制下对图像数据进行输出，在HREF为高的时候输出图像数据，当HREF变高后，PLCK时钟输出字节数据信息。ATK-OV7670模块自带FIFO、12M有源晶振、稳压电路、感红外镜头，体积精巧，不需要外部时钟，方便使用。通过舵机与之相连，实现全方位监测。

b.超声波避障模块。超声波避障模块使用HC-SR04模块，该模块测距精度较高，由超声波发射器、超声波接收器和控制电路三部分构成，具有VCC、GND、TRIG、ECHO四个引脚。通过IO口触发HC-SR04超声波模块，给TRIG至少10us的高电平信号，模块自动发送8个40Khz的方波信号，并检测有无信号的返回，判断前方是否有障碍物，实现避障功能。[2]

c.传输模块。智能小车搭载NB-IOT模块及WiFi模块，其中BC35-G是三网通模块，支持全球频段B1/B3/B8/B5/B20/B28，同时符合3GPP R14标准，支持UDP和TCP传统的SOCKET协议兼容GPRS，还支持MQTT、COAP、LWM2M等协议接入第三方阿里云、电信云、移动云、华为云等。两种模块共同作用，实现了多个小车之间、小车与服务终端的相互通信。

d.电机驱动模块。电机驱动模块使用L289N双H桥直流电机驱动芯片，该驱动板可驱动2路直流电路，使能端ENA、ENB为高电平时有效。当使能信号为0时，直流电机停止工作，当使能信号为1，并且IN1和IN2为00或11时，电机处于制动状况，控制电机旋转。具体控制方式和电机状态如下表所示。若需对直流电机进行PWM调速，则要调整IN1和IN2，确定电机转动的方向，对使能端输出PWM脉冲。

e.循迹模块。循迹功能的实现基于红外传感器，利用红外光线反射的一个特性，因黑色的反射红外光的能力很弱，对于黑色的物体，反射回来的红外光很少，反射量大量减少，达不到传感器动作的水平，此时传感器输出1。对于其他颜色的物体，传感器发射出去的红外光被大部分反射回来，此时传感器输出低电平0。单片机通过判断传感器的输出端是0或者是1，检测黑线，达到循迹效果。

2.2 软件设计

a.程序流程设计。智能小车主板首先系统初始化，检测WiFi信号是否连通，与服务端连接，选择智能模式和命令模式。智能模式下小车根据现场环境自动运行，通过循迹模块、避障模块实现智能规划，通过通信模块将视频模块采集到的数据传至服务端；命令模式下主板根据接收到的服务端命令控制小车行走，将采集到的视频数据发送至服务器。程序构架图如图2所示。

b.控制端设计。控制端设计分为PC和Android两种，分别使用c语言和Java语言通过Visual Studio和Android APP进行开发。控制端与WiFi模块相连，通过串口与端口互相发送数据流，读取并解析摄像头收集到的视频流信息。

3 结语

本文主要介绍了海量数据平台下多小车联动巡逻系统中有关智能小车功能的具体实现，智能小车可通过自动和遥控两种方式进行运作。在特定区域内，小车可利用避障、循迹的功能沿设定好的轨迹自动行走，收集视频信息；此外，工作人员还可通过蓝牙、WiFi等方式利用手机、电脑实时控制小车的运动和摄像头模块转动角度，实现360度全方位监测。随后，对采集到的视频数据进行计算，分析视频中的人流量、人体属性识别、手势识别以及行为分析，实现定位追踪、识别危险、预判违规行为的功能，实时监测并预防危险事故的发生。

参考文献：

[1]张洋.原子教你玩STM32[M].北京：北京航空航天大学出版社，2015.

[2]杨述斌，邱倩文，等.一种ZigBee无线遥控小车的设计[J].武汉工程大学学报，2015.