基于ARM11的旅游車輛監控系統的設計

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，旅游業蓬勃發展。對旅游車輛的監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管系統相繼出現。這些系統完成了對旅游車輛的監控和管理，保證車輛的正常運行;但沒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;同時旅游公司很難實時地得到旅游車輛的運行狀態和準確的地理位置。

針對現存旅游車輛監控系統的不足之處，同時考慮到嵌入式系統軟硬件可剪裁的特點，本文提出了一種基于ARM—Linux嵌入式系統的旅游車輛監控系統的設計方案。剪裁移植嵌入式Linux作為該旅游車輛監控終端的操作系統;利用基于PCA的人臉識別算法，實現對旅客身份的識別和驗證;利用RFID技術對旅客攜帶的行李物品信息進行歸檔;采用GPS獲取旅游車輛的實時位置信息;通過GPRS方式實現旅游車輛和調度中心的通信。該監控系統可以對旅游車輛的運行狀況進行實時的監控，確保旅客的人身與財產安全。

1 旅游車輛監控系統的組成及其功能

旅游車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。當旅客上車時，對旅客面部圖像進行采集，并與預先存儲的信息進行匹配，如果信息正確，進行人數統計，如果身份信息不對，進行語音報警。這能夠在旅游景點自動清點旅客人數，避免出現丟客的現象，同時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，把所讀取的數據進行索引存儲和電子歸檔。當發現旅客的行李缺失時，系統將發出實時語音提示，提醒旅客攜帶好自己的行李物品。

GPS模塊主要利用全球衛星定位系統對旅游車輛實時定位，并且在車載終端上顯示相關的信息，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把車輛的運行狀態、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度信息傳送到旅游車輛，實現對旅游車輛的調度和管理。

2 旅游車輛監控系統的硬件設計

旅游車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無線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、高性價比的RSIC處理器，它基于ARM11內核(ARM1176JZF—S)。S3C6410為2.5G和3G通信服務提供了優化的硬件性能，內置強大的硬件加速器：包括運動視頻處理、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，該處理器內置一個采用最先進技術的3D加速器，支持OpenGLES 1.1/2.0和D3DMAPI，能實現4M triangles/s的3D加速;同時，S3C6410包含了優化的外部存儲器接口，該接口能滿足在高端通信服務中的數據帶寬要求。穩定頻率可達400M Hz，內部集成USB、UART、SDRAM和FLASH等控制器，以配合外圍的網絡和鍵盤等設備，可以方便地實現系統的擴展。

本系統通過兩片K4X51163PC芯片的級聯組成128M的32bit位寬DDR存儲器，DDR數據傳輸總線頻率可達266MHz。同時，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存儲器存儲專用引導程序。電路板上設有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、電子標簽閱讀器和GPRS無線通信模塊相連接，實現車輛定位、電子標簽的數據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個主機和1個從機接口。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。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發主要包含3個部分：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。整個監控終端系統軟件結構如圖3所示。

BootLoader采用飛凌公司開發的U—Boot來引導操作系統。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行了優化，內核也具有更好的內核調度策略，實時性有較大的提高。

根文件系統主要實現對Shell命令集的定制、系統配置腳本的編寫以及相關嵌入式庫文件的生成與添加。考慮到嵌入式系統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

在旅游車輛監控系統中，對人臉圖像的檢測與識別是設計的關鍵技術。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，系統把人臉檢測器裝入系統中，對系統進行初始化;再從攝像頭中取得圖像，當檢測到人臉圖像后，對人臉區域進行定標;然后對該人的人臉圖片進行一定的預處理，然后存入人臉庫。識別過程如下：首先對人臉數據庫進行訓練，然后對檢測出的人臉進行特征提取，使用分類器進行識別。

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，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，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，屬于線性變換，不改變原圖像。當γ值增大時，輸出灰度s會隨著指數的增加而迅速增大，但當指數達到2或更高時，會使曲線變成一條近似的垂線而使產生的圖像幾乎全黑。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，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：

3.3 系統應用程序設計

系統的功能是由應用程序來完成。為了節約系統資源和有效利用CPU，本系統采用多進程技術實現系統任務的調度。嵌入式系統啟動時，先加載設備驅動程序，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(帶串口的電子標簽閱讀器)。

2)信息的處理模塊

對采集的圖像進行識別處理，進而實現對旅客身份的確認;對車輛進行GPS定位;對旅客的行李物品進行登記并與旅客進行關聯。

4 結論

本系統采用基于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人臉圖像的采集，同時采用PCA算法對人臉進行識別;利用帶串口的電子標簽閱讀器對旅客行李物品進行登記并與旅客相關聯;利用帶串口的GPS模塊實現車輛的定位;采用GPRS模塊把旅客車輛的控制信息通過無線網絡傳送到遠程的旅游車輛監控中心。旅游車輛監控系統是基于Linux操作系統開發，得益于Linux系統具有源代碼開放的優點，開發成本可大大降低。采用嵌入式系統，完成車輛、人員和財物的檢測與監控是智能管理系統的一個嶄新的發展方向，有廣闊的應用前景。