基于ARM的自動(dòng)扶梯超載保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)的發(fā)展，自動(dòng)扶梯廣泛應(yīng)用于火車站、汽車站、地鐵站、商場(chǎng)、圖書館等公共場(chǎng)所，在帶來輸送便利的前提下，對(duì)乘梯人也存在著一定的隱患。在遇到火車地鐵到站、商場(chǎng)做大型促銷活動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)人流量過大的情況，可能造成自動(dòng)扶梯嚴(yán)重超載，致使電動(dòng)機(jī)力矩不足而導(dǎo)致逆轉(zhuǎn)，造成人員傷亡。如2005 年在某市購物中心，大量人員為了搶購廉價(jià)商品涌入一樓通往二樓的扶梯上，使向上運(yùn)行的扶梯逆轉(zhuǎn)向下運(yùn)行，造成乘客在下出入口處被擠壓，14 人送往醫(yī)院，1 名38 歲婦女因胸椎骨折被高位截癱。

經(jīng)調(diào)查，事故直接原因是自動(dòng)扶梯嚴(yán)重超載運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)的功率不能提供滿足負(fù)荷的力矩而產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)。即使自動(dòng)扶梯超速、逆轉(zhuǎn)保護(hù)動(dòng)作，制動(dòng)器也無法將自動(dòng)扶梯停止下來，從而導(dǎo)致溜車；間接原因是管理者沒有采取措施防止自動(dòng)扶梯超載。由于自動(dòng)扶梯本質(zhì)不能保證超載，其載重量是按人員正常規(guī)矩的站立在梯級(jí)設(shè)計(jì)的，如果發(fā)生不正常的濫用，自動(dòng)扶梯長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)“小馬拉大車”的現(xiàn)象，對(duì)驅(qū)動(dòng)主機(jī)的損傷也是較大的，不能保證扶梯安全，因此管理者有責(zé)任防止自動(dòng)扶梯被濫用。

傳統(tǒng)的防止濫用的措施主要是管理人員現(xiàn)場(chǎng)指揮，這種措施存在效率不高、依賴人工、自動(dòng)化程度不高等缺點(diǎn)，且《GB16899-2011 自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》并未對(duì)自動(dòng)扶梯超載保護(hù)做出要求[1]，為防止發(fā)生事故，筆者認(rèn)為有必要對(duì)自動(dòng)扶梯進(jìn)行超載保護(hù)，特別是對(duì)于公共交通型扶梯及人流量較大的商場(chǎng)顯得尤為重要。但對(duì)于扶梯本身的特性，像曳引驅(qū)動(dòng)電梯那樣利用重量傳感器作為超載保護(hù)裝置，顯得較為困難。本文提出一種基于ARM 嵌入式處理器的通過人數(shù)檢測(cè)來控制扶梯上的人數(shù)的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)扶梯超載的保護(hù)，可以提高扶梯管理的自動(dòng)化程度，減少對(duì)人工的依賴。

1 系統(tǒng)基本原理簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)通過攝像頭獲得扶梯上的人像，然后運(yùn)用圖像處理程序獲得人數(shù)，檢測(cè)在扶梯上的人數(shù)來判斷扶梯是否超載，當(dāng)扶梯上人數(shù)大于設(shè)定人數(shù)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)聲音，并發(fā)出提示音：“自動(dòng)扶梯已超載，請(qǐng)乘客稍后使用。”當(dāng)有乘客到達(dá)樓層后走下扶梯時(shí)，人數(shù)相應(yīng)減少，警報(bào)聲停，后續(xù)乘客可以繼續(xù)使用自動(dòng)扶梯。其工作流程如圖1 所示：

圖1 超載保護(hù)系統(tǒng)工作流程圖

2 ARM 處理器介紹

ARM 處理器是英國Acorn 有限公司設(shè)計(jì)的低功耗成本的第一款RISC 微處理器。全稱為Acorn RISC Machine。具有體積小、性能高、速度快等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)[2]。微處理器中可以采用Linux、Wince、VxWorks 等操作系統(tǒng)，可通過SDRAM 或NAND Flash 等存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，因此，可以通過嵌入式操作系統(tǒng)管理資源。微處理器具有功能豐富的外圍接口，實(shí)現(xiàn)外接硬件設(shè)備，可移植圖像處理算法，符合本系統(tǒng)中自動(dòng)扶梯上人數(shù)檢測(cè)的需求。

3 超載保護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用三星ARM9 處理器，外接圖像釆集設(shè)備攝像頭組成硬件系統(tǒng)，采用嵌入式Linux 操作系統(tǒng)[3]，提供多任務(wù)管理及編寫圖像采集與處理應(yīng)用程序，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2 所示，系統(tǒng)主要由系統(tǒng)硬件層，操作系統(tǒng)層，應(yīng)用程序?qū)尤糠纸M成。本系統(tǒng)中Linux 操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序首先對(duì)相關(guān)硬件進(jìn)行初始化，然后其內(nèi)核為圖像釆集任務(wù)分配內(nèi)存，圖像采集設(shè)備將采集來的圖片信息通過專用接口導(dǎo)入到處理器中，應(yīng)用程序?qū)D片信息進(jìn)行處理，檢測(cè)其中的人臉，統(tǒng)計(jì)其中的人數(shù)，若人數(shù)多于設(shè)定人數(shù)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯的超載保護(hù)。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

4 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，在選擇適當(dāng)?shù)奈⑻幚砥鞯幕A(chǔ)上，擴(kuò)展必要的外圍設(shè)備，以此構(gòu)建完整的符合系統(tǒng)需求的硬件平臺(tái)。系統(tǒng)外圍電路中以NAND Flash 存儲(chǔ)器作為系統(tǒng)硬盤，存儲(chǔ)內(nèi)核、根文件系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序以及攝像頭釆集和處理之后的自動(dòng)扶梯上的圖片文件，SDRAM 存儲(chǔ)器作為系統(tǒng)內(nèi)存；外接USB 接口用以通信和傳輸數(shù)據(jù)，RS232 串口及網(wǎng)絡(luò)接口用以與PC 端進(jìn)行通信；電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電能，圖像采集模塊用于采集圖像，語音報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯超載語音提示。系統(tǒng)完整硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

5 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)圖像處理應(yīng)用程序的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)人臉識(shí)別程序識(shí)別采集到的圖像中的人臉以獲得人數(shù)。人臉識(shí)別程序流程如圖4 所示：

圖4 人臉識(shí)別程序流程

本程序利用 OpenCV 實(shí)現(xiàn)基于PCA 算法的人臉識(shí)別。OpenCV(Open Source Computer Vision Library)是一個(gè)基于(開源)發(fā)行的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺庫，可以運(yùn)行在 Linux、Windows 和Mac OS 操作系統(tǒng)上[4]。它輕量級(jí)而且高效，由一系列C 函數(shù)和少量 C++類構(gòu)成，同時(shí)提供了Python、Ruby、MATLAB 等語言的接口，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺方面的很多通用算法。具備強(qiáng)大的圖像和矩陣運(yùn)算能力，具有豐富的函數(shù)處理函數(shù)，減少開發(fā)者的工作量，有效提高開發(fā)效率和程序運(yùn)行的可靠性。因此，可以滿足本系統(tǒng)人臉識(shí)別的需求。

主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)是一種掌握事物主要矛盾的統(tǒng)計(jì)分析方法，它可以從多元事物中解析出主要影響因素，揭示事物的本質(zhì)，簡(jiǎn)化復(fù)雜的問題[5]。PCA 方法由于其在降維和特征提取方面的有效性在人臉識(shí)別領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。PCA 方法的基本原理是：利用K-L變換抽取人臉的主要成分，構(gòu)成特征臉空間，識(shí)別時(shí)將測(cè)試圖像投影到此空間，得到一組投影系數(shù)，通過與各個(gè)人臉圖像比較進(jìn)行識(shí)別。

6 結(jié)束語

自動(dòng)扶梯越來越受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，其安全關(guān)系到千千萬萬的乘客。本文所提出的自動(dòng)扶梯超載保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用到公眾場(chǎng)所，將會(huì)有效防止自動(dòng)扶梯的濫用，并且改變了自動(dòng)扶梯單純依靠人員來監(jiān)督使用的管理模式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)扶梯使用的自主監(jiān)控，促進(jìn)自動(dòng)扶梯的安全使用。