Trang chủ Công nghệ & Ứng dụng Công nghệ & Ứng dụng Ứng dụng KIT RASPBERRY PI TRONG Giám sát trực tuyến tình trạng giao thông trên các tuyến quốc lộ

Ứng dụng KIT RASPBERRY PI TRONG Giám sát trực tuyến tình trạng giao thông trên các tuyến quốc lộ

Sự hiện diện ngày càng nhiều của các loại xe ôtô trên các tuyến quốc lộ, đặc biệt là đoạn đường đi qua khu đông dân cư, làm tình trạng ùn ứ, va chạm xẩy ra nhiều hơn trong thời gian gần đây. Chính vì vậy xây dựng một hệ thống giám sát tình trạng giao thông trên các tuyến quốc lộ đã được tác giả nghiên cứu và trình bày trong bài báo này. Hệ thống này ứng dụng kit Raspberry Pi để thiết kế trạm xử lý số liệu ngay tại hiện trường thay vì truyền các hình ảnh từ camera giao thông lên trung tâm giám sát, nhờ đó giảm được giá thành đầu tư, kịp thời quảng bá thông tin về tình trạng giao thông trên tuyến đường cho người dùng để họ có phương án ứng phó kịp thời với các tình huống trên đường đi.

1. Đặt vấn đề

Giám sát tình trạng giao thông trên các tuyến quốc lộ là việc rất quan trọng nhưng lại nan giải của ngành giao thông nước nhà từ xưa đến nay, mặc dù hiện đã phần nào giải quyết được vấn đề này nhưng vẫn chưa được triệt để, do kinh phí, tuổi thọ, chất lượng và một vài yếu tố nội hàm khác. Hệ thống giám sát tình trạng giao thông trên các tuyến quốc lộ cung cấp cho nhà quản lý biết tình trạng của từng đoạn đường, loại phương tiện & số lượng các phương tiện di chuyển trên mỗi đoạn đường, tình trạng các thiết bị trên đường (cột báo, biển hiệu), ... Hệ thống này cũng giúp nhà quản lý điều hành, chủ động hỗ trợ, cứu hộ & cứu nạp kịp thời cho các phương tiện tham gia giao thông khi xẩy ra sự cố trên đường. Hệ thống này còn giúp lái xe có được các thông tin về lưu lượng mật độ các phương tiện đang tham gia trên từng cung đường, từ đó tìm ra phương án di chuyển an toàn và hiệu quả.

Đã có rất nhiều các nghiên cứu về hệ thống giám sát tình trạng giao thông trên đường phố. Và một giải pháp kỹ thuật thông dụng đó là dùng camera chuyên dụng để chụp ảnh ghi hình hiện trạng các phương tiện trên đường phố sau đó truyền về trung tâm xử lý dữ liệu, rồi đưa ra các thông tin khuyến nghị cảnh báo đến nhà quản lý, đến người lái xe. Phương án này đòi hỏi chi phí đầu tư dự án ban đầu là rất lớn vì nó yêu cầu máy tính chuyên dụng có tốc độ tính toán xử lý cao, bộ nhớ lớn, đường truyền số liệu hữu tuyến tốc độ cao, thiết bị camera ghi hình chuyên dụng sắc nét, dung lượng ảnh lớn. Bởi vậy khó triển khai trên các tuyến quốc lộ do phạm vi không gian rất lớn, chi phí đầu tư quá tốn kém.

Thời gian gần đây, sự phổ biến và hiệu quả sử dụng của Raspberry trong nhiều dự án quốc tế đã thôi thúc nhóm tác giả nghiên cứu ứng dụng bo mạch Raspberry Pi trong hệ thống giám sát tình trạng giao thông trên các tuyến quốc lộ. Với đặc điểm như một máy tính thu nhỏ có kích thước xấp xỉ chiếc điện thoại cầm tay, chạy hệ điều hành mở Linux, được trang bị bộ vi xử lý Broadcom BCM2835 mạnh mẽ (bao gồm CPU, GPU, bộ xử lí âm thanh/video, cổng I/O được tích hợp trên chip), mức tiêu thụ điện năng thấp, giá thành rẻ (vài chục đô la Mỹ), cho phép ta có thể cấu hình Raspberry Pi như một trạm tính toán xử lý các số liệu thu thập được từ camera ngay tại hiện trường mà không cần truyền về trung tâm giám sát. Đây cũng chính là nội dung trọng tâm mà nhóm tác giả trình bày trong bài báo này: thiết kế hệ thống giám sát tình trạng giao thông trên các tuyến quốc lộ sử dụng kit Raspberry Pi.

Bài viết này trình bày về một giải phát thiết kế và xây dựng hệ thống giám sát tình trạng giao thông trên các tuyến quốc lộ sử dụng kit Raspberry Pi và camera hồng ngoại trong giới hạn nghiên cứu bước đầu là giám sát trực tuyến tình trạng giao thông trên tuyến đường qua web và đưa ra các thông tin về chủng loại - số lượng xe ôtô đang tham gia trên đường.

2. Đặc điểm nổi bật của Raspberry Pi sử dụng trong hệ thống giám sát tình trạng giao thông trên các tuyến quốc lộ

Raspberry Pi là một chiếc máy tính siêu nhỏ, chỉ có kích thước như chiếc thẻ ATM rút tiền, giá rẻ, chạy hệ điều hành Linux ra mắt vào 2012 tại Đại học Cambridge. Bạn chỉ cần 1 bàn phím, 1 tivi hoặc 1 màn hình có cổng HDMI/DVI, 1 nguồn USB 5V và 1 dây micro USB là đã có thể sử dụng Raspberry Pi như một máy tính bình thường. Với Raspberry Pi, bạn có thể sử dụng các ứng dụng văn phòng, nghe nhạc, xem phim độ phân giải cao.

Hình 1. Raspberry Pi B v2.

Trái tim của Raspberry Pi là vi xử lý Broadcom BCM2835 chạy ở tốc độ 700MHz. Đây là vi xử lý SoC (system-on-chip) tức là hầu hết mọi thành phần của hệ thống gồm CPU, GPU cũng như audio, communication chip đều được tích hợp trong một hệ chip. Chip SoC này nằm ngay bên dưới chip memory Hynix 512 MB màu đen ở giữa board (hình 1). Tùy theo model mà Raspberry sử dụng chip khác nhau:
 Raspberry Pi model B v1: Broadcom BCM2835 với 256MB RAM.
 Raspberry Pi model B v2: Broadcom BCM2835 với 512MB RAM.
 Raspberry Pi model A: Broadcom BCM2835 với 256MB RAM.

Bởi vì RAM được tích hợp sẵn trong đế chip nên bạn không thể nâng cấp RAM cho Raspberry Pi. Tuy nhiên CPU BCM2835 sử dụng nhân ARM1176JZFS (ARM11) cho hiệu năng cao và giá thành thấp. SoC này khác với CPU ở trong PC thông thường ở chỗ nó được chế tạo dựa trên kiến trúc tập lệnh (Instruction Set Architect - ISA) là ARM chứ không phải kiến trúc x86 như của Intel. ARM có ISA dạng rút gọn RISC và tiêu thụ điện năng rất thấp nên phù hợp cho các thiết bị di động. Chip ARM trên Raspberry Pi tiêu thụ điện năng rất ít: toàn bộ mạch hoạt động với nguồn 5V, 700mA tức là chỉ tiêu hao 3.5W mỗi giờ, trong khi một laptop cũng ngốn ít nhất vài chục Watt. Thiết kế này bảo đảm Raspberry Pi hoạt động với sức mạnh tốt trong khi vẫn giữ được hình dáng nhỏ gọn do không cần quạt tản nhiệt.

Ngoài ra chip BCM2835 dùng thế hệ ARM11 thuộc phiên bản ARMv6. ARMv6 hoạt động hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Lập trình ứng dụng cho Raspberry Pi khá đơn giản vì đây là môi trường mở, nguồn tài nguyên chia sẻ trên khắp thế giới rất phong phú. Chỉ cần cắm Raspberry Pi vào cổng USB của máy tính là nó hoạt động ở mức bình thường không sử dụng các kết nối internet. Raspberry Pi là một máy tính được trang bị hệ điều hành mở Linux cho phép bạn dễ dàng lập trình và tùy lập trình cho các nhu cầu và mục đích khác nhau.
Hiện nay, Raspberry Pi được dùng trong nhiều ứng dụng từ đơn giản đến phức tạp như: dùng Raspberry Pi làm trung tâm giải trí đa phương tiện, internet TV, ổ đĩa sao lưu dự phòng trên mạng nội bộ, kết hợp với webcam làm hệ thống phát hiện chuyển động, nhận diện khuôn mặt, điều khiển robot, nhận và gửi tin nhắn GSM với USB 3G, điều khiển tắt/mở đèn trong nhà, máy in 3D, máy CNC, …

3. Ứng dụng Raspberry Pi thiết kế hệ thống giám sát tình trạng giao thông

Mục tiêu của hệ thống là thiết kế và xây dựng một trạm xử lý hiện trường có tốc độ tính toán cao với kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, cho phép truyền nhận và trao đổi dữ liệu thông tin qua mạng GPRS. Trạm xử lý hiện trường cho phép xử lý ngay các hình ảnh tại hiện trường từ camera giám sát, sau đó gửi thông tin số lượng-chủng loại xe ôtô về trung tâm giám sát và thông tin đến lái xe, hoặc người dùng truy cập web. Ngoài ra cũng thiết kế trạm trung tâm giám sát cho phép theo dõi, kiểm tra, giám sát trực tuyến các phương tiện giao thông tại những đoạn đường có lắp đặt trạm xử lý hiện trường, cũng như cung cấp các thông tin cơ bản về số lượng-loại xe ôtô đang tham gia trên đường, hiển thị chúng trên bản đồ. Tuy nhiên nghiên cứu mới chỉ tập trung đối với phương tiên giao thông là các loại xe ôtô và coi chúng là những nguồn phát nhiệt mạnh bởi động cơ đốt trong.

Dựa vào yêu cầu mục đích bài toán đặt ra và đặc tính của kit Raspberry Pi, nhóm tác giả đưa ra cấu trúc sơ đồ khối của hệ thống giám sát tình trạng giao thông trên các tuyến quốc lộ như hình 2. Hệ thống giám sát tình trạng giao thông trên các tuyến quốc lộ bao gồm các khối thành phần chính như sau:

Trạm xử lý hiện trường: gồm có kit Raspberry Pi hiệu năng tính toán cao, được tích hợp module Sim 908 hỗ trợ công nghệ định vị toàn cầu GPS và công nghệ mạng GSM/GPRS. Kết nối với kit Raspberry Pi là camera hồng ngoại ngày/đêm. Chức năng chính của trạm này là thu hình và cho phép hiển thị video trực tuyến trên các trang web được Raspberry hỗ trợ, đồng thời xử lý dữ liệu hình ảnh mà camera thu nhận được để phân loại phương tiện và đếm số lượng xe ôtô trên đường, sau đó truyền số lượng xe-chủng loại xe về trung tâm giám sát, cũng như thông báo đến lái xe/người sử dụng bằng mạng GPRS. Đây cũng là nội dung chính mà bài báo tập trung giải quyết.

Trạm trung tâm giám sát: bao gồm trạm server, các máy tính theo dõi cảnh báo hỗ trợ tình trạng giao thông trên tuyến quốc lộ và hệ thống mạng nội bộ có kết nối internet. Trạm trung tâm được trang bị các hệ thống phần mềm giám sát tình trạng các phương tiện giao thông trên tuyến đường, cho phép nhận thông tin thực tế về tình trạng giao thông trên tuyến đường, quan sát video trực tuyến các phương tiện trên tuyến đường, quản lý và cập nhật tự động số liệu tình trạng giao thông vào cơ sở dữ liệu, đưa ra các thông tin cảnh báo đến nhà quản lý, ra quyết định điều phối luồng giao thông trên các tuyến đường, xác định vị trí và ra quyết định cứu hộ cứu nạn các phương tiện giao thông bị sư cố trên tuyến đường, lập báo cáo tự động theo thời gian, theo sự kiện. Trong phạm vi bài báo, chức năng này mới chỉ được nhóm tác giả khai thác ứng dụng mà chưa tập trung vào xây dựng cụ thể.

Hình 2: Cấu trúc hệ thống giám sát tình trạng giao thông trên tuyến quốc lộ

Khối cảnh báo đến lái xe/người dùng: Đặc tính nổi bật của hệ thống này là với thiết bị điển tử bất kỳ có kết nối internet, ta đều có thể theo dõi trực tuyến video ghi hình trong khu vực phát hiện xe (hình 1) từ trạm xử lý hiện trường. Đối với các tài xế, đơn giản nhất là nhận thông tin cảnh bảo/xem video trên những smart phone. Tuy nhiên để thuận tiện ta có thể thiết kế chế tạo một mạch hiển thị trên LCD chuyên dụng gắn trên xe - điều này sẽ được nhóm tác giả hoàn chỉnh trong nghiên cứu tiếp sau. Đối với nhóm người dùng khác sử dụng thiết bị cầm tay mà có nhu cầu muốn theo dõi, biết rõ tình trạng giao thông trên các tuyến đường mình quan tâm thì có thể dễ dàng truy cập vào xem từ xa qua trang website được Raspberry hỗ trợ, hoặc website chuyên dụng mà nhóm sẽ phát triển sau này.

Thiết kế trạm xử lý hiện trường sử dụng Raspberry Pi

Trạm xử lý hiện trường được thiết kế dựa trên việc thiết kế tích hợp kit Raspberry Pi với modoule Sim 908, camera hồng ngoại cùng mudule nguồn cung cấp cho trạm, kết quả thiết kế thu được như hình 3. Các module được thiết kế trên trạm xử lý hiện trường gồm: Kit Raspberry Pi v1, camera hồng ngoại, Sim 908, nguồn, phím chức năng.

Hình 3. Kết quả thiết kế trạm xử lý hiện trường sử dụng Raspberry Pi

Xây dựng phần mềm giám sát hệ thống
Raspberry Pi hỗ trợ nhiều hệ điều hành: NOOBS (New Out Of Box Software) của Raspberry, Raspbian của Linux, RaspBMC dùng cho TV internet, RISC OS, … Tuy nhiên, hệ điều hành Raspian là thông dụng và phù hợp với ứng dụng của điều khiển.

Sau khi tải hệ điều hành, lưu vào trong thẻ nhớ có kết nối với kit Raspberry Pi, thực hiện câu lệnh startx hoặc init 5 để khởi động hệ điều hành Raspbian, từ đây cho phép ta tiến hành cài đặt ngôn ngữ lập trình Python để lập trình ứng dụng cho kit Raspberry Pi. Sau đó, tiến hành cài đặt thuật toán nhận dạng và phân loại loại ôtô (ôtô con, ôtô khách/tải) đi qua khu vực đặt camera trên đường (hình 4), từ đó đưa ra thông tin về số lượng và chủng loại ôtô đang di chuyển trên tuyến quốc lộ và truyền về trung tâm.

Ứng dụng Google map để hiện thị số lượng và chủng loại phương tiện ôtô tham gia giao thông tại khu vực lắp đặt trạm xử lý hiện trường ta thu được giao diện giám sát tình trạng giao thông với các tính năng như hình 5.

4. Thử nghiệm hiện trường
Tiến hành thử nghiệm mô hình hệ thống giám sát tình trạng giao thông với một số điểm giao thông khác nhau trên đại lộ Thăng Long Hà Nội ta thu được kết quả hoạt động như hình 4-5. Kết quả số lượng-chủng loại xe ôtô được trạm xử lý hiện trường tự động gửi lên trung tâm giám sát với chu kỳ hiện cài đặt là 5s.

Hình 4. Kết quả phân loại & đếm xe ôtô tại vị trí đặt trạm xử lý hiện trường
Hình 5. Giao diện theo dõi tình trạng giao thông tại trung tâm giám sát qua web

Tại trung tâm giám sát, ngoài video trực tuyến về hình ảnh các phương tiện tham gia giao thông tại khu vực đặt trạm xử lý hiện trường, ta còn biết được số lượng - chủng loại xe ôtô trên cung đường đó, cũng như tọa độ của chúng trên bản đồ Google map như hình 5.

5. Kết luận
Kết quả nghiên cứu bước đầu về hệ thống giám sát tình trạng giao thông cho thấy hướng đi tích cực mà nhóm tác giả đã đề ra, đó là sử dụng Raspberry Pi tại trạm xử lý hiện trường, xử lý dữ liệu từ camera ngay tại hiện trường mà không truyền đến trung tâm. Thông tin về tình trạng giao thông của hệ thống được truy cập dễ dàng bằng thiết bị di động có kết nối mạng. Việc sử dụng Raspberry Pi cho phép cung cấp thông tin về tình trạng giao thông hiện trường kịp thời, chính xác hơn đến người dùng. Điều này góp phần giảm giá thành xây dựng hệ thống do không yêu cầu trang bị đường truyền mạng hữu tuyến tốc độ cao, tổ chức và lưu trữ dữ liệu tại trung tâm đơn giản hơn. Hệ thống này cũng chỉ ra vị trí xảy ra va chạm giao thông trên bản đồ số, từ đó hỗ trợ ứng cứu một cách kịp thời, thuận tiện. Đặc biệt hệ thống sẽ góp phần hình thành ứng xử giao thông văn minh hơn khi tham gia trên tuyến quốc lộ.
Tuy nhiên, cũng cần phải nghiên cứu nhiều hơn nữa mới có thể áp dụng và triển khai hệ thống này vào thực tế bởi môi trường các tuyến quốc lộ là rất khắc nhiệt, chịu tác động lớn của nhiễu ngẫu nhiên, từ đó ảnh hưởng đến độ tin cậy của thiết bị, cũng như hoạt động chính xác của các thuật toán nhận dạng & phân loại phương tiện giao thông.

Trịnh Lương Miên | Email: Địa chỉ email này đã được bảo vệ từ spam bots, bạn cần kích hoạt Javascript để xem nó.   |  Đại học Giao thông Vận tải

Số 180 (3/2016)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo







 



Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết