一種基于5G技術的智慧交通教學沙盤無人駕駛小車

喬海曄 齊新燕 黃潤

摘?要：為了普及新一代信息技術，培養具備新一代信息技術素養人才，本文設計了一種智能交通教育沙盤系統，系統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，可實現自動循跡、自動避障、車聯網、語言播報、交通燈識別等功能。經對比設計研究，超聲波傳感器感應車輛四周障礙物，距離5～12cm可調，5G模塊實現車與車之間的通信，時延≤500ms。滿足了中小學信息技術，中、高職相關專業入門教育教學，同時該系統具有實際場景應用價值。

關鍵詞：5G技術；無人駕駛技術；無線通信協議；自動循跡；自動避障

中圖分類號：TP399??文獻標識碼：A

一、項目背景

2017年7月，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》中明確提出，實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，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軟件、游戲的開發和推廣［12］。目前我國各中小學、高校都前后設立了人工智能相關的課程。在人工智能相關專業的實驗授課過程中，小車作為教具的一種有著豐富的功能，能提高學生的學習興趣，激發學生的創造力?，F有技術中，教學領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相關的技術應用［34］。

隨著時代發展、科技進步，人工智能、物聯網、5G通信等新一代信息技術在不斷改變著人類的生活，其中城市交通是上述技術的一個重要應用領域。對于智能交通的學習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中，智能交通沙盤是一個理想的產品形態［5］。

二、國內外研究現狀

1999年，英國將人工智能課程納入中學的信息與通信技術課程，并通過開展相關教育競賽活動來擴展和延伸人工智能教育，鼓勵中小學生學習程序設計和人工智能相關知識和技術。在實施過程中，使用智慧工廠場景來強化學生們對技術的理解。美國著重在K12（6～18歲青少年）階段的學生中開展物聯網、人工智能教育，在中學信息技術課程中設有“機器人原理”“物聯網基礎”“人工智能概論”等課程，詳細介紹了信息技術在家居、農業和交通中的應用［67］。

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

本項目設計的無人駕駛沙盤小車將5G、人工智能、VR/AR、物聯網等多個核心技術相融合，采用場景化教學模式將大家熟悉的智慧交通生活場景與信息技術點相融合，形成智能交通沙盤，學生可以真切地感受和學習到新一代信息技術為我們的生產、生活帶來的巨大改變。

三、系統組成

無人駕駛沙盤小車是整個智能交通系統中的重要組成部分，小車按照指定的規則運行完成各種智能交通系統的應用和功能［10］。小車采用多層PCB板設計模式。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自動循跡，按照道路規劃線，自動運行，自動避障，自動報警等，也可以根據預先規劃的路徑、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絡遙控車，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器控制小車。通過網絡設備，采用本地/遠程網絡都可以使遙控小車在智能交通沙盤上運行。

四、系統詳細設計

（一）系統模塊硬件設計

1.智能車設備管理板設計

智能車設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字節的SRAM構成。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、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、調試下載口、電源指示燈、狀態指示燈；通信接口；調試按鍵2個。電路原理圖如圖2所示。

2.智能車控制板設計

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字節的SRAM構成。板載主要功能包括：1個調試下載口；4個PWM設備接口；3個狀態指示燈；1組TypeC調試接口；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

系統軟件通過對RFID、自動控制、WiFi等物聯網技術的應用，配以傳感器設備等硬件，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（比如速度、電壓轉向等），并通過顯示屏顯示出來。小車利用無線WiFi向后臺服務器傳輸小車狀態信息、位置信息、來達到和其他系統的聯動，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、網絡控制程序等，支持小車和上位機聯動，通過GIS地圖實時顯示小車的運行軌跡。

將5G通信技術融入已有的智能交通管理系統中，利用5G通信低時延的特點，實現智能小車之間的聯網通信，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，達到精準控制小車行車軌跡的目標。

軟件通過對RFID、自動控制、WiFi等物聯網技術的應用，配以傳感器設備等硬件，控制小車到達交通十字路口后，根據路口其他小車的狀態控制小車走/停，模擬小車通過交通路口自動運行的情況，監控小車實時運行狀態。

結語

本文開發了一款適用于智慧交通沙盤系統的基于5G技術的無人駕駛小車，目的是為全國中小學普及信息技術課程，也為中高職相關專業學生的人工智能入門課程教育提供教學工具。通過小車的自動循跡、避障，交通燈識別、語音播放等功能，可以讓使用者學習到5G技術、RFID技術、紅外識別、超聲波傳感、車聯網、遙控等技術，達到普及信息技術教育，培養智慧城市產業人才的目標。

參考文獻：

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

［2］王賢燦.中小學開展人工智能教育的困境與建議［J］.中小學信息技術教育，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科學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.小學人工智能課程實施現狀與策略研究［D］.長春師范大學，2021.

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

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

［8］周潔，蔡燃，宋偉，等.中小學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.數學教學中算法思想的滲透［J］.教學與管理，2018（04）：5960.

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

［11］物聯網智能交通方案.docx《網絡（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新項目“基于5G技術的AIoT智慧交通教學系統關鍵技術研究”（2021KTSCX289）

作者簡介：喬海曄（1974—?），女，內蒙古豐鎮人，計算機技術碩士，佛山職業技術學院電子信息學院教授，研究方向：嵌入式系統開發、物聯網應用系統集成等。