LGWL-JT01型智能交通管理實訓系統(tǒng)

一、系統(tǒng)簡介
LGWL-JT01型智能交通管理實訓系統(tǒng)以城市道路交通為原型，綜合運用傳感器采集、設備控制、無線傳感器網(wǎng)絡、射頻識別、圖像識別、嵌入式系統(tǒng)、無線通信等物聯(lián)網(wǎng)技術以及多學科技術的交叉融合，依托部署在交通沙盤中的智能小車、傳感器節(jié)點、控制節(jié)點、工業(yè)攝像機、智能網(wǎng)關、服務器與客戶端實現(xiàn)交通燈智能管理、路燈管理、公交優(yōu)先、超速抓拍、車牌識別、智能停車場、高速ETC、公路災害智能預警、自動避障、車聯(lián)網(wǎng)等功能，為解決現(xiàn)代城市交通擁堵、交通事故、違規(guī)逃逸、停車難等一系列問題提供了技術路線，也為物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)教學提供了一個完備的應用實訓系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)構成
智能交通管理實訓系統(tǒng)利用各種傳感器測量城市道路中的參數(shù)，結合嵌入式數(shù)據(jù)庫存儲技術將采樣數(shù)據(jù)統(tǒng)一保存管理；利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡統(tǒng)一管理各個節(jié)點；利用射頻技術實現(xiàn)車輛的自動識別；利用圖像識別技術實現(xiàn)車牌識別；利用自動控制理論和反饋控制理論實現(xiàn)智能控制；利用嵌入式Linux系統(tǒng)實現(xiàn)智能網(wǎng)關城市交通管理軟件；利用WIFI網(wǎng)絡實現(xiàn)網(wǎng)關與服務器之間的通信，激發(fā)用戶了解物聯(lián)網(wǎng)技術在城市交通網(wǎng)等現(xiàn)實環(huán)境的應用。
1、系統(tǒng)外觀
外觀如圖所示。

智能交通沙盤外觀圖

2、系統(tǒng)構成拓撲圖

系統(tǒng)構成拓撲圖

三、硬件組成
智能交通管理實訓系統(tǒng)主要由感知設備、控制設備、射頻識別裝置、圖像采集設備、智能小車、智能網(wǎng)關、監(jiān)控中心、供電設備、鋁合金鋼架模型等組成。
感知設備：
主要由傳感器調(diào)理板、ZigBee通信處理板以及接口底板組成的節(jié)點。標配傳感器包括光線傳感器、車位狀態(tài)檢測傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯?，可根?jù)客戶需求定制不同類型的傳感器節(jié)點。它們通過ZigBee技術將采樣數(shù)據(jù)傳輸給智能網(wǎng)關。
控制設備：
主要由執(zhí)行設備、ZigBee通信處理板以及接口底板組成的節(jié)點，因供電電流不同存在兩種類型的控制設備：直流供電型控制設備、交流供電型控制設備。直流供電設備主要包括車位狀態(tài)指示燈、十字路口交通燈、道閘控制器、語音播放器、以及站臺LCD顯示器。交流供電控制設備主要包括控制器和交流電器，控制器封裝在標準的86盒內(nèi)，交流電器只需插入86盒的兩相或三相插座內(nèi)即可實現(xiàn)電器的開關控制，如路燈。
射頻識別裝置：
主要由超高頻讀寫器、天線、以及超高頻標簽組成，主要用來實現(xiàn)車輛不停車識別，可通過改變天線射頻功率實現(xiàn)讀寫距離遠近的調(diào)節(jié)。超高頻讀寫器具有RJ45以太網(wǎng)接口，與智能網(wǎng)關處于同一個局域網(wǎng)內(nèi)，通過TCP/IP協(xié)議與智能網(wǎng)關交互信息。
圖像采集設備：
主要包括模擬攝像頭和IP攝像頭兩種。AV模擬攝像頭安裝在城市交通重要路段，如十字路口、高速路入口、車場出入口等，用于違規(guī)抓拍和統(tǒng)計車流量。IP攝像頭是一種視頻服務器，主要用于重點場所的視頻監(jiān)控。
智能小車：
由核心控制板、ZigBee通信模塊、傳感器采集板、伺服電機、供電板、輪式底盤組成，實現(xiàn)自動循跡、避障、紅燈擇路行駛、前進、后退、左右轉彎、到站停車、以及與智能網(wǎng)關的通信等功能。
智能網(wǎng)關：
主要用于傳感層設備的數(shù)據(jù)處理以及接入上層云服務平臺。主要由Cortex-A8主板組成，可升級為A9四核主板，整體封裝在模具內(nèi)，美觀大方。主板集成ZigBee無線路由器通信模塊，用于維護ZigBee網(wǎng)絡，接收ZigBee傳感器采樣信息，向ZigBee控制設備發(fā)送控制命令。主板還集成WiFi模塊，用于連接無線路由器，降低以太網(wǎng)布線的復雜度。同時，主板可擴展GPRS、3G或4G模塊，將智能網(wǎng)關接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)信息的遠程可靠傳輸。
監(jiān)控中心：
普通PC機，通過TCP、UDP協(xié)議與智能網(wǎng)關通信，運行智能交通管理軟件。
供電設備：
配有完善的供電設備，包括空氣開關、急停開關、電源指示燈等，安裝在底座鋼架上，為系統(tǒng)輸入安全穩(wěn)定的交流220V總電源。
鋼架模型：
支撐智能交通的整個設施，內(nèi)部鋪設供電線路。除了提供標準智能交通模型外，還可根據(jù)學校的要求設計智能交通的外觀，交通線路的規(guī)劃，感知與控制設備的類型，設備部署的方式等。
四、軟件資源
系統(tǒng)軟件默認采用C/S結構，主要包括智能小車傳感器采集控制軟件、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)透明傳輸軟件、智能網(wǎng)關QT智能交通管理軟件、監(jiān)控終端C#智能交通管理軟件等。
智能小車自動巡航系統(tǒng)軟件：
主要利用STC系列51單片機的接口總線，驅動紅外反射、超聲波等傳感器采集信息，經(jīng)過處理，驅動直流伺服電機帶動萬向輪轉動，實現(xiàn)小車的自動循跡、避障、行駛方式的改變等功能。同時小車上的閱讀器和天線會自動識別道路上鋪設的射頻卡，實現(xiàn)小車地圖定位。
ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)透明傳輸軟件：
主要實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡的建立、節(jié)點的自動入網(wǎng)、節(jié)點休眠與喚醒、節(jié)點之間數(shù)據(jù)的透明傳輸、傳感器節(jié)點的采樣與傳輸、以及執(zhí)行節(jié)點驅動設備的功能。
智能網(wǎng)關QT智能交通管理軟件：
智能網(wǎng)關采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，上電后即運行基于QT的智能交通管理軟件。軟件包括系統(tǒng)設置、交通管理主界面等。用戶可以在本地網(wǎng)關上直接瀏覽智能小車的運行狀態(tài)，控制小車的運行方式，瀏覽關鍵路口（高速出入口或停車場出入口）的抓拍圖像，也可手動控制出入口閘機。軟件系統(tǒng)集成了嵌入式數(shù)據(jù)庫，對所有傳感器數(shù)據(jù)進行保存。
監(jiān)控終端C#智能交通管理軟件：
監(jiān)控中心運行基于C#的智能交通管理軟件，主要實現(xiàn)城市公交與私家車在城市交通圖中的定位等功能。
五、系統(tǒng)功能

	多車同時行駛系統(tǒng)支持2個智能小車同時運行，一個模擬城市公交，一個模擬私家車，均可實現(xiàn)自動循跡，避障行駛、前進、后退、左右轉彎等基本功能。
	公交優(yōu)先功能公交車到達十字路口，系統(tǒng)控制交通燈變成綠燈，讓公交車優(yōu)先通行。
	交通燈管理交通燈控制系統(tǒng)是整個智能交通的基礎，主要是對交通十字路口、丁字路口的紅、綠、黃燈的有效控制，使某一方向的車輛遇到紅燈停止，另一方向的車輛綠燈順利通過，整個交通系統(tǒng)按照交通規(guī)則運行，保證道路交通的安全和暢通。
	路燈管理系統(tǒng)根據(jù)光線傳感器采集的光亮度值自動控制路燈的打開和關閉。當光亮度值低于某一個閾值時，即打開路燈，當光亮度值高于某一個閾值時，關閉路燈，達到節(jié)能的目的。
	圖像抓拍對出入停車場、高速公路的車輛進行抓拍備案；也可對違反交通規(guī)則（如闖紅燈）的車輛進行抓拍。
	ETC不停車收費系統(tǒng) 系統(tǒng)模擬高速公路出入口的ETC收費站，收費站安裝有射頻讀卡器，當車輛進入ETC入口處射頻讀寫器的感應范圍時，讀卡器讀出車輛信息，對車輛抓拍，所有信息存入數(shù)據(jù)庫，開啟閘機。當車輛進入ETC出口射頻讀寫器感應范圍時，讀卡器識別出車輛信息，計算路費，打開閘機，讓車輛駛出高速公路。
	災害預警系統(tǒng) 系統(tǒng)提供道路交通周邊環(huán)境如高速公路森林著火、山體滑坡等的動態(tài)監(jiān)測。當災害發(fā)生時，火焰或超聲波傳感器探測到后，將信息發(fā)送給網(wǎng)關，網(wǎng)關通過無線通信立即播放災害信息，沿路交通指示牌上顯示災害信息，同時將災害信息無線發(fā)送給每個車輛，車輛收到后，選擇其他安全路段行駛或掉頭返回。
	車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 當網(wǎng)關開啟車聯(lián)網(wǎng)模式后，小車后避障模式啟動。前面車輛如果被后面的車輛所追趕，則自動加速。當前車遇到山體滑坡，山石擋住公路時，便將該信息通過無線網(wǎng)絡發(fā)送給網(wǎng)關，由網(wǎng)關再發(fā)送給其他車輛，及時擇路繞行。
	車位的智能管理每個車位檢測器具有一個唯一的mac地址，用來識別車位。車位檢測器實時檢測車位占用狀況，將數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關管理軟件，以圖形方式顯示在GUI界面上。同時智能終端管理軟件上的車位狀態(tài)也會根據(jù)網(wǎng)關的狀態(tài)進行更新，方便停車人員實時查看。
	用戶預定車位用戶可以在智能交通管理界面上預定車位，預定后，車輛自動駛入指定車位停車。

六、教學資源
智能交通管理實訓系統(tǒng)覆蓋了智能車采集控制、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡、Linux智能網(wǎng)關、以及PC機監(jiān)控終端三部分，因此系統(tǒng)提供了約三十個課時的實驗，從基礎采集傳輸實驗，到網(wǎng)關匯聚分析處理實驗，再到PC機監(jiān)控終端應用實驗，一條線貫穿，讓學生在實驗中逐步領悟物聯(lián)網(wǎng)的體系結構，關鍵技術以及實現(xiàn)方式，培養(yǎng)學生動手解決問題的能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新潛力。
另外，為方便用戶教學和學習，系統(tǒng)提供了一本使用手冊和一本實驗指導書。使用手冊主要介紹如何安全正確地操作這套系統(tǒng)，使其正常運轉，實現(xiàn)智能交通的各項功能。實驗指導書詳細地介紹了系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構，網(wǎng)絡參數(shù)，實驗目的，實驗原理，以及實驗步驟等。
1、基礎實驗能力

名稱	實驗
1.智能小車采集控制實驗	Keil uvision開發(fā)環(huán)境搭建實驗智能小車紅外反射傳感器采樣實驗智能小車超聲波傳感器采樣實驗智能小車直流伺服電機控制實驗智能小車避障行駛實驗
1. 無線傳感器網(wǎng)絡通信類實驗	IAR集成開發(fā)環(huán)境搭建實驗基于Z-Stack協(xié)議棧傳感節(jié)點透明傳輸程序的使用實驗
2. Linux智能網(wǎng)關實驗	Qt開發(fā)環(huán)境搭建實驗基于Qt的智能小車壁障實驗基于Qt的智能小車自動循跡實驗基于Qt的車載讀卡器讀卡實驗基于Qt的閘機控制實驗基于Qt模擬加油實驗基于Qt點陣屏控制實驗基于Qt交通燈控制實驗基于Qt公交報站實驗基于Qt道路擁堵實驗基于Qt森林火災預警實驗
3. PC機監(jiān)控終端實驗	PC機與網(wǎng)關的TCP通信實驗 PC機與網(wǎng)關的UDP通信實驗

2、創(chuàng)新實驗能力

名稱	實驗
1. 基于QT的智能網(wǎng)關創(chuàng)新實驗	基于Qt的車聯(lián)網(wǎng)通信實驗基于Qt的車載讀卡器讀卡實驗基于Qt的指定停車位停車實驗基于Qt的智能交通綜合管理實驗
2. 基于C#的PC機監(jiān)控終端創(chuàng)新實驗	基于C#的車輛定位實驗基于C#的設備控制實驗

3、科研實驗能力
除了上述傳感控制設備、智能網(wǎng)關與智能終端的相關實驗外，系統(tǒng)還提供了開發(fā)類實驗。

名稱	實驗
1.無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)實驗	簡單的無線收發(fā)實驗；誤碼率測試實驗；頻譜分析實驗； Z-Stack 點對點通訊實驗；Z-Stack 星狀網(wǎng)通訊實驗； Z-Stack 樹狀網(wǎng)通訊實驗；Z-Stack MESH網(wǎng)通訊實驗； Z-Stack ZigBee PRO通訊實驗；基于Z-Stack2007協(xié)議棧的GenericApp實例的移植實驗基于Z-Stack2007協(xié)議棧的無線數(shù)據(jù)傳輸實驗；基于Z-Stack2007協(xié)議棧溫濕度節(jié)點與協(xié)調(diào)器的無線數(shù)據(jù)傳輸；基于Z-Stack2007協(xié)議棧多傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器無線數(shù)據(jù)傳輸；基于Z-Stack2007協(xié)議棧的網(wǎng)絡拓撲定制實驗；
2.智能網(wǎng)關開發(fā)實驗	嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境建立實驗： Uboot啟動代碼配置編譯實驗；Linux內(nèi)核配置編譯實驗； Linux內(nèi)核驅動開發(fā)實驗；Linux驅動接口測試實驗； Yaffs根文件系統(tǒng)的制作實驗；Qtopia2.2.0圖形系統(tǒng)編譯實驗； Qt-4.7.3程序庫的編譯實驗

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	多車同時行駛系統(tǒng)支持2個智能小車同時運行，一個模擬城市公交，一個模擬私家車，均可實現(xiàn)自動循跡，避障行駛、前進、后退、左右轉彎等基本功能。
	公交優(yōu)先功能公交車到達十字路口，系統(tǒng)控制交通燈變成綠燈，讓公交車優(yōu)先通行。
	交通燈管理交通燈控制系統(tǒng)是整個智能交通的基礎，主要是對交通十字路口、丁字路口的紅、綠、黃燈的有效控制，使某一方向的車輛遇到紅燈停止，另一方向的車輛綠燈順利通過，整個交通系統(tǒng)按照交通規(guī)則運行，保證道路交通的安全和暢通。
	路燈管理系統(tǒng)根據(jù)光線傳感器采集的光亮度值自動控制路燈的打開和關閉。當光亮度值低于某一個閾值時，即打開路燈，當光亮度值高于某一個閾值時，關閉路燈，達到節(jié)能的目的。
	圖像抓拍對出入停車場、高速公路的車輛進行抓拍備案；也可對違反交通規(guī)則（如闖紅燈）的車輛進行抓拍。
	ETC不停車收費系統(tǒng) 系統(tǒng)模擬高速公路出入口的ETC收費站，收費站安裝有射頻讀卡器，當車輛進入ETC入口處射頻讀寫器的感應范圍時，讀卡器讀出車輛信息，對車輛抓拍，所有信息存入數(shù)據(jù)庫，開啟閘機。當車輛進入ETC出口射頻讀寫器感應范圍時，讀卡器識別出車輛信息，計算路費，打開閘機，讓車輛駛出高速公路。
	災害預警系統(tǒng) 系統(tǒng)提供道路交通周邊環(huán)境如高速公路森林著火、山體滑坡等的動態(tài)監(jiān)測。當災害發(fā)生時，火焰或超聲波傳感器探測到后，將信息發(fā)送給網(wǎng)關，網(wǎng)關通過無線通信立即播放災害信息，沿路交通指示牌上顯示災害信息，同時將災害信息無線發(fā)送給每個車輛，車輛收到后，選擇其他安全路段行駛或掉頭返回。
	車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 當網(wǎng)關開啟車聯(lián)網(wǎng)模式后，小車后避障模式啟動。前面車輛如果被后面的車輛所追趕，則自動加速。當前車遇到山體滑坡，山石擋住公路時，便將該信息通過無線網(wǎng)絡發(fā)送給網(wǎng)關，由網(wǎng)關再發(fā)送給其他車輛，及時擇路繞行。
	車位的智能管理每個車位檢測器具有一個唯一的mac地址，用來識別車位。車位檢測器實時檢測車位占用狀況，將數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關管理軟件，以圖形方式顯示在GUI界面上。同時智能終端管理軟件上的車位狀態(tài)也會根據(jù)網(wǎng)關的狀態(tài)進行更新，方便停車人員實時查看。
	用戶預定車位用戶可以在智能交通管理界面上預定車位，預定后，車輛自動駛入指定車位停車。

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