喬海曄 齊新燕 黃潤

摘?要：為了普及新一代信息技術(shù)，培養(yǎng)具備新一代信息技術(shù)素養(yǎng)人才，本文設(shè)計了一種智能交通教育沙盤系統(tǒng)，系統(tǒng)包括無人駕駛智能小車、路燈控制、ETC控制、無線充電樁、智能公交站和智慧停車場等模組。無人駕駛智能小車作為沙盤系統(tǒng)的重要組成部分，由超聲波傳感器、電池、顯示屏、天線等組成，可實現(xiàn)自動循跡、自動避障、車聯(lián)網(wǎng)、語言播報、交通燈識別等功能。經(jīng)對比設(shè)計研究，超聲波傳感器感應(yīng)車輛四周障礙物，距離5～12cm可調(diào)，5G模塊實現(xiàn)車與車之間的通信，時延≤500ms。滿足了中小學(xué)信息技術(shù)，中、高職相關(guān)專業(yè)入門教育教學(xué)，同時該系統(tǒng)具有實際場景應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：5G技術(shù)；無人駕駛技術(shù)；無線通信協(xié)議；自動循跡；自動避障

中圖分類號：TP399??文獻標(biāo)識碼：A

一、項目背景

2017年7月，國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中明確提出，實施全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和推廣［12］。目前我國各中小學(xué)、高校都前后設(shè)立了人工智能相關(guān)的課程。在人工智能相關(guān)專業(yè)的實驗授課過程中，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?，F(xiàn)有技術(shù)中，教學(xué)領(lǐng)域的小車的功能比較單一，大多是通過無線遙控的方式來控制，缺乏無人駕駛功能與AI相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用［34］。

隨著時代發(fā)展、科技進步，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G通信等新一代信息技術(shù)在不斷改變著人類的生活，其中城市交通是上述技術(shù)的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。對于智能交通的學(xué)習(xí)和研究受制于空間和時間的限制，在各類型院校和研究機構(gòu)中，智能交通沙盤是一個理想的產(chǎn)品形態(tài)［5］。

二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1999年，英國將人工智能課程納入中學(xué)的信息與通信技術(shù)課程，并通過開展相關(guān)教育競賽活動來擴展和延伸人工智能教育，鼓勵中小學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計和人工智能相關(guān)知識和技術(shù)。在實施過程中，使用智慧工廠場景來強化學(xué)生們對技術(shù)的理解。美國著重在K12（6～18歲青少年）階段的學(xué)生中開展物聯(lián)網(wǎng)、人工智能教育，在中學(xué)信息技術(shù)課程中設(shè)有“機器人原理”“物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)”“人工智能概論”等課程，詳細介紹了信息技術(shù)在家居、農(nóng)業(yè)和交通中的應(yīng)用［67］。

信息技術(shù)教育在我國起步較晚。在中高職和中小學(xué)階段進行信息技術(shù)教育的教具還處于萌芽階段?，F(xiàn)階段的教具多以機器人為主，學(xué)習(xí)內(nèi)容僅限于編程?，F(xiàn)有技術(shù)中，用于智能交通學(xué)習(xí)的智能交通沙盤中小車的定位一部分用UWB室內(nèi)定位及攝像頭機器視覺來實現(xiàn)，定位方法對設(shè)備要求高且上位機軟件算法復(fù)雜，在智能交通沙盤教學(xué)中難以實現(xiàn)。另一部分采用WiFi、藍牙、ZigBee等通信方式與上位機或其他設(shè)備通信，對小車與其他設(shè)備的通信距離有限制且通信延時高，上位機無法實時準(zhǔn)確地獲取小車的行駛軌跡［89］。

本項目設(shè)計的無人駕駛沙盤小車將5G、人工智能、VR/AR、物聯(lián)網(wǎng)等多個核心技術(shù)相融合，采用場景化教學(xué)模式將大家熟悉的智慧交通生活場景與信息技術(shù)點相融合，形成智能交通沙盤，學(xué)生可以真切地感受和學(xué)習(xí)到新一代信息技術(shù)為我們的生產(chǎn)、生活帶來的巨大改變。

三、系統(tǒng)組成

無人駕駛沙盤小車是整個智能交通系統(tǒng)中的重要組成部分，小車按照指定的規(guī)則運行完成各種智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用和功能［10］。小車采用多層PCB板設(shè)計模式。上層PCB板主要包括主MCU、WiFi模塊、顯示屏、語音合成模塊等；下層PCB板主要包括副MCU、超聲波模塊、紅外模塊、電機控制模塊、RFID讀卡器接口。無人駕駛沙盤小車功能模塊圖如圖1所示。無人駕駛沙盤小車具有以下兩方面主要功能：

（一）自動駕駛

無人駕駛沙盤小車可以通過顏色識別傳感器，判斷軌道上的黑色軌跡實現(xiàn)自動循跡，按照道路規(guī)劃線，自動運行，自動避障，自動報警等，也可以根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的路徑、尋線運行的能力，即能夠運行在智能交通沙盤平臺系統(tǒng)上［1112］。

（二）遙控車

無人駕駛沙盤小車可以選擇遙控功能成為網(wǎng)絡(luò)遙控車，其控制方式可以采用直接控制智能小車，也可以采用通過實驗室的服務(wù)器控制小車。通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用本地/遠程網(wǎng)絡(luò)都可以使遙控小車在智能交通沙盤上運行。

四、系統(tǒng)詳細設(shè)計

（一）系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計

1.智能車設(shè)備管理板設(shè)計

智能車設(shè)備管理板主控芯片由32位ARM體系芯片、最高72MHz工作頻率、256KB的閃存程序存儲器、48K字節(jié)的SRAM構(gòu)成。板載主要功能包括：RFID模塊管理、超聲波傳感器模塊、電源管理和電機控制接口。電路板主要包括彩色車尾燈、電源開關(guān)、蜂鳴器、高頻RFID讀卡器接口、電源激活按鍵、循跡模塊接口、TypeC充電口、調(diào)試下載口、電源指示燈、狀態(tài)指示燈；通信接口；調(diào)試按鍵2個。電路原理圖如圖2所示。

2.智能車控制板設(shè)計

智能車控制板主控芯片也由32位ARM體系芯片、最高72MHz工作頻率、256KB的閃存程序存儲器、48K字節(jié)的SRAM構(gòu)成。板載主要功能包括：1個調(diào)試下載口；4個PWM設(shè)備接口；3個狀態(tài)指示燈；1組TypeC調(diào)試接口；板載離線存儲；2.8寸顯示屏接口；擴展板接口；18盞全彩串行LED燈；板載USB插口；板載揚聲器，具備語音播報功能。電路原理圖如圖3所示。

（二）工作流程

系統(tǒng)軟件通過對RFID、自動控制、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運行，采用傳感器來采集小車運行的各種狀態(tài)（比如速度、電壓轉(zhuǎn)向等），并通過顯示屏顯示出來。小車利用無線WiFi向后臺服務(wù)器傳輸小車狀態(tài)信息、位置信息、來達到和其他系統(tǒng)的聯(lián)動，功能軟件模塊包括電機控制程序、速度測量程序、遙控程序、自動行駛程序、自動避障程序、網(wǎng)絡(luò)控制程序等，支持小車和上位機聯(lián)動，通過GIS地圖實時顯示小車的運行軌跡。

將5G通信技術(shù)融入已有的智能交通管理系統(tǒng)中，利用5G通信低時延的特點，實現(xiàn)智能小車之間的聯(lián)網(wǎng)通信，達到小車間彼此位置、速度、方向等信息的交互；在智能小車上搭載超聲波、RFID、循跡模塊、電機模塊實現(xiàn)車輛遇到紅綠燈時的自動停啟，到達公交站時的停車、報站，達到精準(zhǔn)控制小車行車軌跡的目標(biāo)。

軟件通過對RFID、自動控制、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，模擬小車通過交通路口自動運行的情況，監(jiān)控小車實時運行狀態(tài)。

結(jié)語

本文開發(fā)了一款適用于智慧交通沙盤系統(tǒng)的基于5G技術(shù)的無人駕駛小車，目的是為全國中小學(xué)普及信息技術(shù)課程，也為中高職相關(guān)專業(yè)學(xué)生的人工智能入門課程教育提供教學(xué)工具。通過小車的自動循跡、避障，交通燈識別、語音播放等功能，可以讓使用者學(xué)習(xí)到5G技術(shù)、RFID技術(shù)、紅外識別、超聲波傳感、車聯(lián)網(wǎng)、遙控等技術(shù)，達到普及信息技術(shù)教育，培養(yǎng)智慧城市產(chǎn)業(yè)人才的目標(biāo)。

參考文獻：

［1］艾倫.我國智能教育裝備標(biāo)準(zhǔn)化面臨的困境［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2021（02）：1216.

［2］王賢燦.中小學(xué)開展人工智能教育的困境與建議［J］.中小學(xué)信息技術(shù)教育，2021（Z2）：106109.

［3］孫寬寧.我國電化教育研究的回顧與反思［J］.電化教育研究，2007（09）：7783.

［4］李佳，李艷.高校助力貧困中小學(xué)科學(xué)及人工智能啟蒙課程實施模式探究［C］.《新課改教育理論探究》第三輯.

［5］宋彤.小學(xué)人工智能課程實施現(xiàn)狀與策略研究［D］.長春師范大學(xué)，2021.

［6］宋亮.人工智能：現(xiàn)代教育的新機遇［J］.教育，2019（14）：1920.

［7］肖高麗，梁文明.中小學(xué)實施人工智能課程的意義、挑戰(zhàn)與對策［J］.教學(xué)與管理，2018（22）：7072.

［8］周潔，蔡燃，宋偉，等.中小學(xué)人工智能教育的開展困境與實施路徑探究［J］.計算機教育，2022（07）：711.

［9］馬德宜，姚芊.數(shù)學(xué)教學(xué)中算法思想的滲透［J］.教學(xué)與管理，2018（04）：5960.

［10］王衛(wèi)峰，趙海倫，徐輝，等.OMV小車及5G技術(shù)在高純石英棒智能制造車間的融合應(yīng)用［J］.智能制造，2022（02）：9497.

［11］物聯(lián)網(wǎng)智能交通方案.docx《網(wǎng)絡(luò)（https：//www.niuwk.co）》.

［12］程麗媛，戴娟.一種實時回歸偏離航線自動尋跡方案［J］.電子設(shè)計工程，2021，29（05）：8589.

基金項目：2021年廣東省教育廳廣東省普通高校特色創(chuàng)新項目“基于5G技術(shù)的AIoT智慧交通教學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”（2021KTSCX289）

作者簡介：喬海曄（1974—?），女，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，計算機技術(shù)碩士，佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息學(xué)院教授，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)集成等。