基于A(yíng)RM11的旅游車(chē)輛監控系統的設計

隨著(zhù)經(jīng)濟的發(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(chē)輛的監控與管理成為一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。近年來(lái)，各式各樣的旅游車(chē)輛監管系統相繼出現。這些系統完成了對旅游車(chē)輛的監控和管理，保證車(chē)輛的正常運行;但沒(méi)有涉及到對旅客身份的識別和認證，難以獲取準確的旅客信息;同時(shí)旅游公司很難實(shí)時(shí)地得到旅游車(chē)輛的運行狀態(tài)和準確的地理位置。

針對現存旅游車(chē)輛監控系統的不足之處，同時(shí)考慮到嵌入式系統軟硬件可剪裁的特點(diǎn)，本文提出了一種基于A(yíng)RM—Linux嵌入式系統的旅游車(chē)輛監控系統的設計方案。剪裁移植嵌入式Linux作為該旅游車(chē)輛監控終端的操作系統;利用基于PCA的人臉識別算法，實(shí)現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;采用GPS獲取旅游車(chē)輛的實(shí)時(shí)位置信息;通過(guò)GPRS方式實(shí)現旅游車(chē)輛和調度中心的通信。該監控系統可以對旅游車(chē)輛的運行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控，確保旅客的人身與財產(chǎn)安全。

1 旅游車(chē)輛監控系統的組成及其功能

旅游車(chē)輛監控終端主要由圖像采集模塊、電子標簽閱讀器、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)行相應的圖像預處理，得到旅客的面部圖像信息。當旅客上車(chē)時(shí)，對旅客面部圖像進(jìn)行采集，并與預先存儲的信息進(jìn)行匹配，如果信息正確，進(jìn)行人數統計，如果身份信息不對，進(jìn)行語(yǔ)音報警。這能夠在旅游景點(diǎn)自動(dòng)清點(diǎn)旅客人數，避免出現丟客的現象，同時(shí)減輕工作人員的工作量。

電子標簽閱讀器讀取旅客攜帶行李的信息，把所讀取的數據進(jìn)行索引存儲和電子歸檔。當發(fā)現旅客的行李缺失時(shí)，系統將發(fā)出實(shí)時(shí)語(yǔ)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星定位系統對旅游車(chē)輛實(shí)時(shí)定位，并且在車(chē)載終端上顯示相關(guān)的信息，同時(shí)通過(guò)GPRS模塊把旅游車(chē)輛的位置信息傳送給旅行社的車(chē)輛管理中心。

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

2 旅游車(chē)輛監控系統的硬件設計

旅游車(chē)輛監控系統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(wú)線(xiàn)通信模塊及相應的通信接口模塊構成，其硬件系統結構如圖2所示。

本系統選用三星公司的S3C6410作為系統微處理器。S3C6410是由三星公司推出的一款低功耗、高性?xún)r(jià)比的RSIC處理器，它基于A(yíng)RM11內核(ARM1176JZF—S)。S3C6410為2.5G和3G通信服務(wù)提供了優(yōu)化的硬件性能，內置強大的硬件加速器：包括運動(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4M triangles/s的3D加速;同時(shí)，S3C6410包含了優(yōu)化的外部存儲器接口，該接口能滿(mǎn)足在高端通信服務(wù)中的數據帶寬要求。穩定頻率可達400M Hz，內部集成USB、UART、SDRAM和FLASH等控制器，以配合外圍的網(wǎng)絡(luò )和鍵盤(pán)等設備，可以方便地實(shí)現系統的擴展。

本系統通過(guò)兩片K4X51163PC芯片的級聯(lián)組成128M的32bit位寬DDR存儲器，DDR數據傳輸總線(xiàn)頻率可達266MHz。同時(shí)，選用K9G8G08U0A芯片的NAND Flash作為外部存儲系統，存儲容量達到1G，主要存放Bootloader，Linux內核及根文件系統;選用AM29L160DB的Nor Flash存儲器存儲專(zhuān)用引導程序。電路板上設有4路串口，包括1個(gè)五線(xiàn)RS-232電平串口和3個(gè)三線(xiàn)TTL電平串口，串口通信采用的是MAX202E，其中串口0主要用來(lái)測試用。利用串口1、2、3，可分別與GPS定位模塊、電子標簽閱讀器和GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊相連接，實(shí)現車(chē)輛定位、電子標簽的數據讀取以及與車(chē)輛管理中心的無(wú)線(xiàn)通信功能。USB接口采用AT43301芯片，將USB分成1個(gè)主機和1個(gè)從機接口。系統的USB攝像頭采用VIMICRO的VC0326感光芯片，它具有像素高、內置支持MIC及USB2.0等特點(diǎn)。由USB攝像頭直接采集為數字圖像信號，避免了額外的視頻信號的模/數轉換過(guò)程。USB的即插即用特性使得設備接插連接更加的方便快捷。

3 旅游車(chē)輛監控系統的軟件件設計

3.1 監控系統的軟件設計思想

嵌入式軟件系統的開(kāi)發(fā)主要包含3個(gè)部分：系統引導加載程序(BootLoader)、嵌入式Linux內核定制、根文件系統以及應用程序設計。整個(gè)監控終端系統軟件結構如圖3所示。

BootLoader采用飛凌公司開(kāi)發(fā)的U—Boot來(lái)引導操作系統。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用于具體設計項目中。

嵌入式操作系統采用較新的Linux-3.0.1版本，該內核對視頻及大數據量的處理都進(jìn)行了優(yōu)化，內核也具有更好的內核調度策略，實(shí)時(shí)性有較大的提高。

根文件系統主要實(shí)現對Shell命令集的定制、系統配置腳本的編寫(xiě)以及相關(guān)嵌入式庫文件的生成與添加?？紤]到嵌入式系統Flash資源有限，本設計方案利用mkcramfs工具制作壓縮根文件系統，以節約系統資源。

3.2 人臉圖像的檢測與識別

在旅游車(chē)輛監控系統中，對人臉圖像的檢測與識別是設計的關(guān)鍵技術(shù)。在這里主要采用主成分分析方法(PCA)來(lái)完成對人臉圖像的自動(dòng)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。在本設計中采用伽馬變換對圖像進(jìn)行預處理，使光照不均勻對圖像識別的影響降低，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(guò)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(guò)程大致如下：首先，系統把人臉檢測器裝入系統中，對系統進(jìn)行初始化;再從攝像頭中取得圖像，當檢測到人臉圖像后，對人臉區域進(jìn)行定標;然后對該人的人臉圖片進(jìn)行一定的預處理，然后存入人臉庫。識別過(guò)程如下：首先對人臉數據庫進(jìn)行訓練，然后對檢測出的人臉進(jìn)行特征提取，使用分類(lèi)器進(jìn)行識別。

3.2.1 人臉圖像的預處理

伽馬變換是一種常用的非線(xiàn)性變換，其基本表達形式為s=crγ，其中c和γ為正常數，r表示輸入圖像灰度值，s表示輸出圖像的灰度值。當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，圖像的高灰度區對比度得到增強;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，圖像的低灰度區對比度得到增強;當γ=1時(shí)，屬于線(xiàn)性變換，不改變原圖像。當γ值增大時(shí)，輸出灰度s會(huì )隨著(zhù)指數的增加而迅速增大，但當指數達到2或更高時(shí)，會(huì )使曲線(xiàn)變成一條近似的垂線(xiàn)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，并以此構成新的人臉空間，達到降維的目的。

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

3.3 系統應用程序設計

系統的功能是由應用程序來(lái)完成。為了節約系統資源和有效利用CPU，本系統采用多進(jìn)程技術(shù)實(shí)現系統任務(wù)的調度。嵌入式系統啟動(dòng)時(shí)，先加載設備驅動(dòng)程序，完成設備的初始化工作，然后調用應用程序，完成如下功能：

1)信息數據的采集

通過(guò)USB接口采集圖像信號(帶USB接口的攝像頭);通過(guò)串口采集車(chē)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(shí)現對旅客身份的確認;對車(chē)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 結論

本系統采用基于A(yíng)RM11微處理器為主控硬件平臺，利用帶USB接口的攝像頭模塊實(shí)現人臉圖像的采集，同時(shí)采用PCA算法對人臉進(jìn)行識別;利用帶串口的電子標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(shí)現車(chē)輛的定位;采用GPRS模塊把旅客車(chē)輛的控制信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送到遠程的旅游車(chē)輛監控中心。旅游車(chē)輛監控系統是基于Linux操作系統開(kāi)發(fā)，得益于Linux系統具有源代碼開(kāi)放的優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)成本可大大降低。采用嵌入式系統，完成車(chē)輛、人員和財物的檢測與監控是智能管理系統的一個(gè)嶄新的發(fā)展方向，有廣闊的應用前景。