基于ARM 11的旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

周 冬，溫總周

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

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。對旅游車輛的監(jiān)控與管理成為一個不容忽視的問題。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；但沒有涉及到對旅客身份的識別和認(rèn)證，難以獲取準(zhǔn)確的旅客信息；同時旅游公司很難實時地得到旅游車輛的運(yùn)行狀態(tài)和準(zhǔn)確的地理位置。

針對現(xiàn)存旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的不足之處，同時考慮到嵌入式系統(tǒng)軟硬件可剪裁的特點，本文提出了一種基于ARMLinux嵌入式系統(tǒng)的旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。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的人臉識別算法[1]，實現(xiàn)對旅客身份的識別和驗證；利用RFID技術(shù)對旅客攜帶的行李物品信息進(jìn)行歸檔[2]；采用GPS獲取旅游車輛的實時位置信息[3]；通過GPRS方式實現(xiàn)旅游車輛和調(diào)度中心的通信[4]。該監(jiān)控系統(tǒng)可以對旅游車輛的運(yùn)行狀況進(jìn)行實時的監(jiān)控，確保旅客的人身與財產(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1 旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of tourist vehicle monitoring system schematic

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，對旅客面部圖像進(jìn)行采集，并與預(yù)先存儲的信息進(jìn)行匹配，如果信息正確，進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計，如果身份信息不對，進(jìn)行語音報警。這能夠在旅游景點自動清點旅客人數(shù)，避免出現(xiàn)丟客的現(xiàn)象，同時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)行索引存儲和電子歸檔。當(dāng)發(fā)現(xiàn)旅客的行李缺失時，系統(tǒng)將發(fā)出實時語音提示，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)對旅游車輛實時定位，并且在車載終端上顯示相關(guān)的信息，同時通過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時傳送到車輛管理中心，同時把車輛管理中心對旅游車輛的調(diào)度信息傳送到旅游車輛，實現(xiàn)對旅游車輛的調(diào)度和管理。

2 旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺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[5]，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 旅游車輛監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of tour vehicle monitoring terminal

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)動視頻處理、音頻處理、2D加速、顯示處理和縮放等；集成了一個 MFC（Multi-Format video Codec）支持MPEG4/H.263/H.264編解碼和VC1的解碼，能夠提供實時的視頻會議以及NRSC和PAL制式的TV輸出；除此之外，該處理器內(nèi)置一個采用最先進(jìn)技術(shù)的3D加速器，支持OpenGL ES 1.1/2.0和D3DMAPI，能實現(xiàn) 4M triangles/s的 3D加速；同時，S3C6410包含了優(yōu)化的外部存儲器接口，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)400MHz，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，可以方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展。

本系統(tǒng)通過兩片K4X51163PC芯片的級聯(lián)組成128M的32bit位寬DDR存儲器，DDR數(shù)據(jù)傳輸總線頻率可達(dá)266MHz。同時，選用K9G8G08U0A芯片的NAND Flash作為外部存儲系統(tǒng)，存儲容量達(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存儲器存儲專用引導(dǎo)程序。電路板上設(shè)有4路串口，包括1個五線RS-232電平串口和3個三線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個主機(jī)和1個從機(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。由USB攝像頭直接采集為數(shù)字圖像信號，避免了額外的視頻信號的模/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

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計思想

嵌入式軟件系統(tǒng)的開發(fā)主要包含3個部分: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。整個監(jiān)控終端系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 旅游車輛監(jiān)控終端系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software structure of tour vehicle monitoring terminal

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S3C6410處理器平臺的完整支持，故只需進(jìn)行少量地修改就可應(yīng)用于具體設(shè)計項目中。

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，實時性有較大的提高。

根文件系統(tǒng)主要實現(xiàn)對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 人臉圖像的檢測與識別

在旅游車輛監(jiān)控系統(tǒng)中，對人臉圖像的檢測與識別是設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。在這里主要采用主成分分析方法（PCA）來完成對人臉圖像的自動識別。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，造成識別效果不太理想。在本設(shè)計中采用伽馬變換對圖像進(jìn)行預(yù)處理[6]，使光照不均勻?qū)D像識別的影響降低，便于采用PCA方法對人臉圖像進(jìn)行識別。

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

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，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)對比度得到增強(qiáng)；γ<1時，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)對比度得到增強(qiáng)；當(dāng)γ=1時，屬于線性變換，不改變原圖像。當(dāng)γ值增大時，輸出灰度s會隨著指數(shù)的增加而迅速增大，但當(dāng)指數(shù)達(dá)到2或更高時，會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 人臉識別

PCA方法是人臉識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 n 維的觀測樣本，X=（s1，s1，…，s1）T為觀測樣本矩陣，其總體樣本的均值為：

樣本集的協(xié)方差矩陣為：

令 λi（i=1，2，…，r）表示的 r個非零特征根，且按照順序λ1≥λ2≥…λr排列，這些特征值相對應(yīng)的特征向量為Ui（i=1，2，…，r）構(gòu)成一個 n×r矩陣:

U中每一個向量都構(gòu)成一個特征人臉。

選擇前m（m≤N）個較大特征值組成的特征向量作為樣本的主成分?？梢酝ㄟ^累積貢獻(xiàn)率來確定m：

這樣，訓(xùn)練樣本xi在特征臉子空間的投影變換系數(shù)為：

測試樣本x在特征臉子空間的投影變換系數(shù)為：

運(yùn)用最近鄰分類器進(jìn)行判別分類，把與測試樣本距離最近的樣本所在的類確定為測試樣本所屬的類，判別式為：

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計

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)實現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度。嵌入式系統(tǒng)啟動時，先加載設(shè)備驅(qū)動程序，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（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

對采集的圖像進(jìn)行識別處理，進(jìn)而實現(xiàn)對旅客身份的確認(rèn)；對車輛進(jìn)行GPS定位；對旅客的行李物品進(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，利用帶USB接口的攝像頭模塊實現(xiàn)人臉圖像的采集，同時采用PCA算法對人臉進(jìn)行識別；利用帶串口的電子標(biāo)簽閱讀器對旅客行李物品進(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，開發(fā)成本可大大降低。采用嵌入式系統(tǒng)，完成車輛、人員和財物的檢測與監(jiān)控是智能管理系統(tǒng)的一個嶄新的發(fā)展方向，有廣闊的應(yīng)用前景。

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