基于ARM11的旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，旅游業(yè)蓬勃發(fā)展。對(duì)旅游車輛的監(jiān)控與管理成為一個(gè)不容忽視的問題。近年來，各式各樣的旅游車輛監(jiān)管系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。這些系統(tǒng)完成了對(duì)旅游車輛的監(jiān)控和管理，保證車輛的正常運(yùn)行;但沒有涉及到對(duì)旅客身份的識(shí)別和認(rèn)證，難以獲取準(zhǔn)確的旅客信息;同時(shí)旅游公司很難實(shí)時(shí)地得到旅游車輛的運(yùn)行狀態(tài)和準(zhǔn)確的地理位置。

針對(duì)現(xiàn)存旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的不足之處，同時(shí)考慮到嵌入式系統(tǒng)軟硬件可剪裁的特點(diǎn)，本文提出了一種基于ARM—Linux嵌入式系統(tǒng)的旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。剪裁移植嵌入式Linux作為該旅游車輛監(jiān)控終端的操作系統(tǒng);利用基于PCA的人臉識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)旅客身份的識(shí)別和驗(yàn)證;利用RFID技術(shù)對(duì)旅客攜帶的行李物品信息進(jìn)行歸檔;采用GPS獲取旅游車輛的實(shí)時(shí)位置信息;通過GPRS方式實(shí)現(xiàn)旅游車輛和調(diào)度中心的通信。該監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)旅游車輛的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，確保旅客的人身與財(cái)產(chǎn)安全。

1 旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的組成及其功能

旅游車輛監(jiān)控終端主要由圖像采集模塊、電子標(biāo)簽閱讀器、GPRS模塊、GPS模塊組成，其工作原理如圖1所示。

圖像采集模塊完成旅客人臉圖像的采集，并進(jìn)行相應(yīng)的圖像預(yù)處理，得到旅客的面部圖像信息。當(dāng)旅客上車時(shí)，對(duì)旅客面部圖像進(jìn)行采集，并與預(yù)先存儲(chǔ)的信息進(jìn)行匹配，如果信息正確，進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)，如果身份信息不對(duì)，進(jìn)行語音報(bào)警。這能夠在旅游景點(diǎn)自動(dòng)清點(diǎn)旅客人數(shù)，避免出現(xiàn)丟客的現(xiàn)象，同時(shí)減輕工作人員的工作量。

電子標(biāo)簽閱讀器讀取旅客攜帶行李的信息，把所讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行索引存儲(chǔ)和電子歸檔。當(dāng)發(fā)現(xiàn)旅客的行李缺失時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出實(shí)時(shí)語音提示，提醒旅客攜帶好自己的行李物品。

GPS模塊主要利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)對(duì)旅游車輛實(shí)時(shí)定位，并且在車載終端上顯示相關(guān)的信息，同時(shí)通過GPRS模塊把旅游車輛的位置信息傳送給旅行社的車輛管理中心。

GPRS模塊主要通過移動(dòng)通信網(wǎng)把車輛的運(yùn)行狀態(tài)、旅行車輛的地理位置信息和車輛人員的安全狀況實(shí)時(shí)傳送到車輛管理中心，同時(shí)把車輛管理中心對(duì)旅游車輛的調(diào)度信息傳送到旅游車輛，實(shí)現(xiàn)對(duì)旅游車輛的調(diào)度和管理。

2 旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要由帶三星公司的S3C6410處理器的核心板、圖像采集模塊、LCD顯示模塊、GPS定位模塊、GPRS無線通信模塊及相應(yīng)的通信接口模塊構(gòu)成，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本系統(tǒng)選用三星公司的S3C6410作為系統(tǒng)微處理器。S3C6410是由三星公司推出的一款低功耗、高性價(jià)比的RSIC處理器，它基于ARM11內(nèi)核(ARM1176JZF—S)。S3C6410為2.5G和3G通信服務(wù)提供了優(yōu)化的硬件性能，內(nèi)置強(qiáng)大的硬件加速器：包括運(yùn)動(dòng)視頻處理、音頻處理、2D加速、顯示處理和縮放等：集成了一個(gè)MFC(Multi—Format video Codec)支持MPEG4/H.263/H.264編解碼和VC1的解碼，能夠提供實(shí)時(shí)的視頻會(huì)議以及NRSC和PAL制式的TV輸出;除此之外，該處理器內(nèi)置一個(gè)采用最先進(jìn)技術(shù)的3D加速器，支持OpenGLES 1.1/2.0和D3DMAPI，能實(shí)現(xiàn)4M triangles/s的3D加速;同時(shí)，S3C6410包含了優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器接口，該接口能滿足在高端通信服務(wù)中的數(shù)據(jù)帶寬要求。穩(wěn)定頻率可達(dá)400M Hz，內(nèi)部集成USB、UART、SDRAM和FLASH等控制器，以配合外圍的網(wǎng)絡(luò)和鍵盤等設(shè)備，可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展。

本系統(tǒng)通過兩片K4X51163PC芯片的級(jí)聯(lián)組成128M的32bit位寬DDR存儲(chǔ)器，DDR數(shù)據(jù)傳輸總線頻率可達(dá)266MHz。同時(shí)，選用K9G8G08U0A芯片的NAND Flash作為外部存儲(chǔ)系統(tǒng)，存儲(chǔ)容量達(dá)到1G，主要存放Bootloader，Linux內(nèi)核及根文件系統(tǒng);選用AM29L160DB的Nor Flash存儲(chǔ)器存儲(chǔ)專用引導(dǎo)程序。電路板上設(shè)有4路串口，包括1個(gè)五線RS-232電平串口和3個(gè)三線TTL電平串口，串口通信采用的是MAX202E，其中串口0主要用來測(cè)試用。利用串口1、2、3，可分別與GPS定位模塊、電子標(biāo)簽閱讀器和GPRS無線通信模塊相連接，實(shí)現(xiàn)車輛定位、電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)讀取以及與車輛管理中心的無線通信功能。USB接口采用AT43301芯片，將USB分成1個(gè)主機(jī)和1個(gè)從機(jī)接口。系統(tǒng)的USB攝像頭采用VIMICRO的VC0326感光芯片，它具有像素高、內(nèi)置支持MIC及USB2.0等特點(diǎn)。由USB攝像頭直接采集為數(shù)字圖像信號(hào)，避免了額外的視頻信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換過程。USB的即插即用特性使得設(shè)備接插連接更加的方便快捷。

3 旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的軟件件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思想

嵌入式軟件系統(tǒng)的開發(fā)主要包含3個(gè)部分：系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序(BootLoader)、嵌入式Linux內(nèi)核定制、根文件系統(tǒng)以及應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。整個(gè)監(jiān)控終端系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

BootLoader采用飛凌公司開發(fā)的U—Boot來引導(dǎo)操作系統(tǒng)。由于U—Boot對(duì)S3C6410處理器平臺(tái)的完整支持，故只需進(jìn)行少量地修改就可應(yīng)用于具體設(shè)計(jì)項(xiàng)目中。

嵌入式操作系統(tǒng)采用較新的Linux-3.0.1版本，該內(nèi)核對(duì)視頻及大數(shù)據(jù)量的處理都進(jìn)行了優(yōu)化，內(nèi)核也具有更好的內(nèi)核調(diào)度策略，實(shí)時(shí)性有較大的提高。

根文件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)Shell命令集的定制、系統(tǒng)配置腳本的編寫以及相關(guān)嵌入式庫文件的生成與添加?？紤]到嵌入式系統(tǒng)Flash資源有限，本設(shè)計(jì)方案利用mkcramfs工具制作壓縮根文件系統(tǒng)，以節(jié)約系統(tǒng)資源。

3.2 人臉圖像的檢測(cè)與識(shí)別

在旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)人臉圖像的檢測(cè)與識(shí)別是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。在這里主要采用主成分分析方法(PCA)來完成對(duì)人臉圖像的自動(dòng)識(shí)別。經(jīng)典的PCA方法由于提取的是圖像的全局特征，因此受光照條件和人臉表情變化影響比較大，造成識(shí)別效果不太理想。在本設(shè)計(jì)中采用伽馬變換對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，使光照不均勻?qū)D像識(shí)別的影響降低，便于采用PCA方法對(duì)人臉圖像進(jìn)行識(shí)別。

人臉圖像的識(shí)別過程主要包括人臉庫建立和對(duì)輸入人臉的識(shí)別。人臉庫的建立過程大致如下：首先，系統(tǒng)把人臉檢測(cè)器裝入系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化;再從攝像頭中取得圖像，當(dāng)檢測(cè)到人臉圖像后，對(duì)人臉區(qū)域進(jìn)行定標(biāo);然后對(duì)該人的人臉圖片進(jìn)行一定的預(yù)處理，然后存入人臉庫。識(shí)別過程如下：首先對(duì)人臉數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訓(xùn)練，然后對(duì)檢測(cè)出的人臉進(jìn)行特征提取，使用分類器進(jìn)行識(shí)別。

3.2.1 人臉圖像的預(yù)處理

伽馬變換是一種常用的非線性變換，其基本表達(dá)形式為s=crγ，其中c和γ為正常數(shù)，r表示輸入圖像灰度值，s表示輸出圖像的灰度值。當(dāng)γ>1時(shí)，將輸入中范圍較窄的高灰度值映射為較寬輸出值，圖像的高灰度區(qū)對(duì)比度得到增強(qiáng);γ1時(shí)，將輸入中范圍較窄的低灰度值映射為較寬范圍輸出值，圖像的低灰度區(qū)對(duì)比度得到增強(qiáng);當(dāng)γ=1時(shí)，屬于線性變換，不改變?cè)瓐D像。當(dāng)γ值增大時(shí)，輸出灰度s會(huì)隨著指數(shù)的增加而迅速增大，但當(dāng)指數(shù)達(dá)到2或更高時(shí)，會(huì)使曲線變成一條近似的垂線而使產(chǎn)生的圖像幾乎全黑。因而要使r的取值在0～1之間。

3.2.2 人臉識(shí)別

PCA方法是人臉識(shí)別中常用的一種方法，它從人臉圖像的全局出發(fā)，運(yùn)用K—L變換理論，在原始人臉空間中求得一組正交向量，并以此構(gòu)成新的人臉空間，達(dá)到降維的目的。

設(shè)xi∈Rn(i=1，2，…，m)是M個(gè)n維的觀測(cè)樣本，X=(s1，s1，…，s1)T為觀測(cè)樣本矩陣，其總體樣本的均值為：

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能是由應(yīng)用程序來完成。為了節(jié)約系統(tǒng)資源和有效利用CPU，本系統(tǒng)采用多進(jìn)程技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度。嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，先加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，完成設(shè)備的初始化工作，然后調(diào)用應(yīng)用程序，完成如下功能：

1)信息數(shù)據(jù)的采集

通過USB接口采集圖像信號(hào)(帶USB接口的攝像頭);通過串口采集車輛定位信息(帶串口的GPS模塊)、旅客的物品信息(帶串口的電子標(biāo)簽閱讀器)。

2)信息的處理模塊

對(duì)采集的圖像進(jìn)行識(shí)別處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)旅客身份的確認(rèn);對(duì)車輛進(jìn)行GPS定位;對(duì)旅客的行李物品進(jìn)行登記并與旅客進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)采用基于ARM11微處理器為主控硬件平臺(tái)，利用帶USB接口的攝像頭模塊實(shí)現(xiàn)人臉圖像的采集，同時(shí)采用PCA算法對(duì)人臉進(jìn)行識(shí)別;利用帶串口的電子標(biāo)簽閱讀器對(duì)旅客行李物品進(jìn)行登記并與旅客相關(guān)聯(lián);利用帶串口的GPS模塊實(shí)現(xiàn)車輛的定位;采用GPRS模塊把旅客車輛的控制信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程的旅游車輛監(jiān)控中心。旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)是基于Linux操作系統(tǒng)開發(fā)，得益于Linux系統(tǒng)具有源代碼開放的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)成本可大大降低。采用嵌入式系統(tǒng)，完成車輛、人員和財(cái)物的檢測(cè)與監(jiān)控是智能管理系統(tǒng)的一個(gè)嶄新的發(fā)展方向，有廣闊的應(yīng)用前景。