基于i.MX53嵌入式公交電子站牌設(shè)計(jì)

柴艷峰，熊運(yùn)余，吳志紅

（1.四川大學(xué) 視覺合成圖形圖像技術(shù)重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610064；2.四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 成都610064）

0 引 言

隨著 “公交優(yōu)先”發(fā)展戰(zhàn)略的提出，公共交通建設(shè)已經(jīng)成為一個(gè)城市發(fā)展水平的衡量標(biāo)志。居民在出行乘坐公交車時(shí)，希望能夠獲取相關(guān)車輛線路位置等信息，以便更好地安排出行計(jì)劃。目前，現(xiàn)有電子站牌系統(tǒng)多采用單獨(dú)LED報(bào)站或者附加LCD廣告機(jī)實(shí)現(xiàn)多媒體宣傳功能[1，2]。這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，雖然在功能上可以滿足多媒體播報(bào)的要求，但由于LED自身所能顯示的樣式和信息量有限而造成較低的關(guān)注度，往往淪為廣告播放功能的附屬品，同時(shí)這種架構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境的穩(wěn)定性較差，容易造成不好的用戶體驗(yàn)，違背了電子站牌建設(shè)的初衷。我們根據(jù)公交電子站牌系統(tǒng)的特點(diǎn)和用戶需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型電子站牌系統(tǒng)，在滿足一定實(shí)際應(yīng)用的同時(shí)，也為相關(guān)嵌入式應(yīng)用開發(fā)起到參考作用。

1 基于i.MX53嵌入式站牌主機(jī)

1.1 系統(tǒng)平臺架構(gòu)

系統(tǒng)采用Freescale基于Cortex－A8內(nèi)核的i.MX536處理器[3]作為開發(fā)平臺，i.MX53系列處理器在多媒體處理方面性能優(yōu)異，基于ARM內(nèi)核的架構(gòu)包含了2D、3DGPU圖形加速單元，使平臺支持的應(yīng)用顯示達(dá)到1080p高清標(biāo)準(zhǔn)。i.MX536處理器主頻達(dá)到800MHz，具備32KB一級數(shù)據(jù)緩存和256KB二級緩存。VPU視頻處理單元涵蓋了多種數(shù)字安全級的編解碼器，還包括有視頻旋轉(zhuǎn)、縮放等重要視頻處理功能。在編解碼方面，提供了包括 MPEG－2、MPEG－4、H.264、VC1、RV10等主流編碼格式的支持，為圖形化報(bào)站及多媒體播報(bào)提供了很好的硬件支持。

根據(jù)平臺特性，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

在硬件層 （hardware layer）包含有片上系統(tǒng) （SoC）及外部設(shè)備，其中VPU、GPU等處理單元負(fù)責(zé)對視頻編解碼及后期縮放、旋轉(zhuǎn)等相關(guān)工作。系統(tǒng)驅(qū)動層 （OS ＆drivers layer）采用經(jīng)過裁剪的Linux 2.6作為平臺運(yùn)行的操作系統(tǒng)。在系統(tǒng)支持層 （supporting layer），提供了用于GUI構(gòu)建運(yùn)行所必需的Qt庫文件，和實(shí)現(xiàn)高清多媒體播放所需要的GStreamer庫文件以及其它系統(tǒng)運(yùn)行必需的庫文件，這一層次增強(qiáng)了上層應(yīng)用程序的可移植性，減少了跨平臺應(yīng)用的代碼修改量。系統(tǒng)應(yīng)用層 （application layer）包含了媒體播放模塊和用戶界面 （UI）模塊。各個(gè)層次協(xié)助分工，共同構(gòu)成了系統(tǒng)平臺的完整架構(gòu)。

1.2 ICU接口控制器

在以往電子站牌項(xiàng)目運(yùn)行期間，我們發(fā)現(xiàn)僅僅依靠主板自身所提供的看門狗是不夠的[4]，外圍設(shè)備例如負(fù)責(zé)無線通訊的3G模塊，在撥號出現(xiàn)問題時(shí)，會通知主板通過看門狗復(fù)位，但此時(shí)主板向外圍設(shè)備的供電是不間斷的，3G模塊無法通過復(fù)位操作進(jìn)行恢復(fù)，從而導(dǎo)致站牌離線無法工作，這樣的問題會帶來惡劣的社會影響。為了解決這個(gè)問題，采用基于單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)的接口控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的雙重保護(hù)機(jī)制:

If系統(tǒng)出現(xiàn)異常Then

軟件看門狗終止喂狗；

等待復(fù)位；

Else If看門狗失效Then

發(fā)送斷電復(fù)位指令；

接口控制器對主板斷電重啟；

End If

如圖2所示，主板復(fù)位脈沖通過GPIO口線啟動定時(shí)單元1，從而使電源開關(guān)將主板電源輸出切斷，經(jīng)過約5秒鐘之后，定時(shí)單元接通電源開關(guān)，主板重新上電啟動。此外，溫度、震動等傳感器輸入信號經(jīng)過GPIO口傳入主板，觸發(fā)定時(shí)單元2，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇及報(bào)警控制，同時(shí)傳感信號可直接驅(qū)動相應(yīng)單元進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)雙路保護(hù)。

圖2 接口控制器邏輯框架

2 圖形化報(bào)站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了解決傳統(tǒng)LED電子站牌系統(tǒng)信息顯示服務(wù)能力有限的問題，采用高清LCD屏幕作為公交信息的發(fā)布平臺，將傳統(tǒng)基于文字內(nèi)容的信息服務(wù)變?yōu)閳D形動畫與文字相結(jié)合的方式呈現(xiàn)給用戶，報(bào)站界面如圖3所示。

圖3 圖形化報(bào)站界面

2.1 主機(jī)與中心通訊

主機(jī)報(bào)站程序與中心報(bào)站服務(wù)器通過3G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的封裝采用較為普遍的TLV形式，其中T（type）數(shù)據(jù)類型定義為短整型，L（length）以長整型表示數(shù)據(jù)包長度，V（value）代表數(shù)據(jù)內(nèi)容。報(bào)站信息與控制信息均采用XML格式的報(bào)文進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，增強(qiáng)了系統(tǒng)的跨平臺性和擴(kuò)展性。

由于站牌分布比較分散處于無人值守的狀態(tài)，服務(wù)器需要實(shí)時(shí)獲取站牌的運(yùn)行狀態(tài)，因此需要主機(jī)與站牌服務(wù)器之間實(shí)現(xiàn)心跳通訊機(jī)制。在以往測試運(yùn)行中我們發(fā)現(xiàn)，采用固定間隔來發(fā)送心跳時(shí)，有部分站牌處于頻繁登錄、離線的狀態(tài)。經(jīng)過系統(tǒng)排查發(fā)現(xiàn)由于每個(gè)站牌的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不同，會因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延遲超過服務(wù)器所設(shè)定的閾值，導(dǎo)致服務(wù)器將該站牌做出離線處理。為了解決這個(gè)問題，提出了基于時(shí)間戳的心跳算法

假設(shè)服務(wù)器設(shè)定的超時(shí)閾值為S，ts是服務(wù)器發(fā)送心跳報(bào)文的時(shí)間，tr是站牌主機(jī)接收到心跳報(bào)文的時(shí)間，Tn是第n次心跳報(bào)文的傳輸時(shí)間，ω1和ω2為權(quán)重系數(shù)，Hn為新的心跳間隔。初始時(shí)，心跳間隔設(shè)為最大值S，當(dāng)出現(xiàn)頻繁登離線時(shí)，服務(wù)器發(fā)送調(diào)整心跳命令，站牌主機(jī)根據(jù)報(bào)文中的時(shí)間戳來動態(tài)調(diào)整，并不斷利用式 （1）、式 （2）進(jìn)行調(diào)整，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，從而可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況動態(tài)調(diào)整心跳間隔時(shí)間。

2.2 誤報(bào)避免機(jī)制

基于3G的網(wǎng)絡(luò)通信是不穩(wěn)定的，可能會出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)等情況，必須考慮其社會影響，因此為了解決這個(gè)問題，以 “寧可不報(bào)，不可錯(cuò)報(bào)”的思想為指導(dǎo)，采用一套相應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行錯(cuò)誤避免。

如圖4所示，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)異常時(shí)，報(bào)站信息無法獲取，圖形報(bào)站界面缺失信息顯示，此時(shí)進(jìn)行斷網(wǎng)處理，顯示異常處理界面。當(dāng)站牌收到報(bào)站報(bào)文時(shí)，會將收到報(bào)文中的發(fā)送時(shí)間與報(bào)站列表中報(bào)文的發(fā)送時(shí)間進(jìn)行對比，如果發(fā)現(xiàn)收到報(bào)文為陳舊消息，則丟棄。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)文丟失或者長時(shí)間沒有收到新報(bào)文時(shí)，圖形報(bào)站界面會根據(jù)記錄最近報(bào)文的發(fā)送間隔進(jìn)行超時(shí)清理，避免陳舊信息對乘客的誤導(dǎo)。

圖4 實(shí)時(shí)報(bào)站流程

3 多媒體播報(bào)系統(tǒng)

將圖形化報(bào)站與媒體播報(bào)結(jié)合起來，使電子站牌具有更高的集成度，更好的用戶體驗(yàn)，降低成本的同時(shí)也保證了系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。因此，我們以 “分層疊加顯示”的思想為指導(dǎo)，針對開發(fā)平臺的特點(diǎn)，將媒體播報(bào)系統(tǒng)的外觀UI從功能模塊中拆分。其中，視頻媒體播報(bào)模塊利用GStreamer框架結(jié)合framebuffer顯示實(shí)現(xiàn)視頻的UI界面嵌入，圖片媒體播報(bào)模塊利用Qt中強(qiáng)大的動畫機(jī)制讓媒體動起來，媒體系統(tǒng)更新模塊利用本地U盤更新與3G遠(yuǎn)程更新相結(jié)合的辦法實(shí)現(xiàn)媒體播報(bào)系統(tǒng)的更新功能。在以下的小節(jié)中，將進(jìn)一步介紹各個(gè)模塊的組成與實(shí)現(xiàn)。

3.1 基于GStreamer的高清播放器

GStreamer開發(fā)框架[5]最顯著的應(yīng)用就是播放器的快速開發(fā)，GStreamer插件化的組件能夠快速的接入到任意管道當(dāng)中，在各式各樣的插件中提拱了許多多媒體數(shù)字信號編譯碼器，同時(shí)也提供了一些其它功能。GStreamer的管道能夠被圖形UI編輯器編輯，能夠以XML文檔來保存。這種設(shè)計(jì)使得管道鏈接庫的消耗盡可能的減小[6]。如圖5所示，GStreamer提供了幾種用于應(yīng)用程序和管道 （pipeline）之間的通信和數(shù)據(jù)交換機(jī)制。緩沖 （buffers）用于在管道當(dāng)中的元件之間的數(shù)據(jù)流交換，通常方向都是從源襯墊到目標(biāo)襯墊。事件 （events）通常在元件與元件或者應(yīng)用程序與元件通信時(shí)被發(fā)送，事件的流動是雙向的，下游事件可以與數(shù)據(jù)流流向同步。消息 （messages）通常是被元件投遞到管道的消息總線 （message bus）上，這些消息可以被上層的應(yīng)用程序收集進(jìn)行處理。而查詢 （queries）是應(yīng)用程序向管道發(fā)送的用于獲取當(dāng)前的播放進(jìn)度、持續(xù)時(shí)間等信息。

針對多媒體播報(bào)的特點(diǎn)，要求視頻、圖片等多種媒體與用戶界面UI能夠有機(jī)的融合起來，這就需要視頻能夠縮放定位到指定位置，并且能夠旋轉(zhuǎn)以適應(yīng)戶外豎屏顯示，以符合整體UI界面的設(shè)計(jì)布局。因此，在GStreamer框架中提出了gstxoverlay技術(shù)，支持視頻襯墊原件 （video sink element）輸出到指定窗口。但是從適用范圍來看，gstxoverlay技術(shù)是基于X Window顯示系統(tǒng)的，從其函數(shù)聲明參數(shù)中可以發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這一功能需要向其傳入窗口的ID號。而在現(xiàn)有平臺是并未移植有X Window顯示系統(tǒng)的，并且為了整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的開銷和穩(wěn)定性，顯示是直接通過framebuffer來實(shí)現(xiàn)的。因此，針對這一問題，需要解決基于framebuffer的視頻播放與界面UI相融合的問題[7]。

前面所提出的界面顯示融合問題，我們根據(jù)所用開發(fā)平臺特點(diǎn)，我們可以看到在其／dev目錄下有fb0、fb1、fb2這3個(gè)用于顯示輸出的幀緩存 （framebuffer）設(shè)備。其中fb2是默認(rèn)不可見的，所以分析GStreamer插件源代碼，可以找到mfw＿gst＿set＿gbl＿alpha（）函數(shù)，通過這個(gè)函數(shù)可以改變fb0的透明度 （alpha value），從而使fb0與fb2同時(shí)融合顯示[5]。另一方面，由于需要LCD豎屏顯示，所以需要播放器能夠旋轉(zhuǎn)、縮放來適應(yīng)界面布局。i.MX 536的視頻處理單元 （VPU）從硬件層面支持視頻的旋轉(zhuǎn)與縮放，F(xiàn)reescale將其封裝成GStreamer插件，其中包含了頂點(diǎn)位 置 （axis－left，axis－right）、 視 頻 尺 寸 （disp－h(huán)eight，disp－width）和視頻旋轉(zhuǎn) （rotate）等屬性，通過g＿object＿set（）函數(shù)[8]設(shè)置，不僅可以達(dá)到旋轉(zhuǎn)、縮放的目的，同時(shí)也可以對視頻進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

由于系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行在戶外無人值守的環(huán)境中，需要能夠?qū)崿F(xiàn)視頻的循環(huán)播放和遠(yuǎn)程控制，其中遠(yuǎn)程控制利用3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送遠(yuǎn)程命令，而循環(huán)播放利用了GStreamer的消息機(jī)制，通過對管道添加消息監(jiān)視，獲取管道的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行控制[9，10]:

播放器初始化后，首先獲取指定文件夾中的視頻信息，生成節(jié)目播放列表。并根據(jù)基于文件名的播放策略進(jìn)行有效期的過濾，對不在播放有效時(shí)間內(nèi)的視頻進(jìn)行刪除。由于播報(bào)系統(tǒng)用于戶外，需要進(jìn)行夜間模式的判斷，避免給公眾帶來不必要的影響。隨后動態(tài)創(chuàng)建用于視頻播放的數(shù)據(jù)流管道 （pipeline），同時(shí)設(shè)置管道各個(gè)元件所需的參數(shù)，改變管道狀態(tài)從NULL到PLAYING開始視頻播放。當(dāng)消息監(jiān)視收到結(jié)束 （EOS）消息時(shí)，向主控模塊發(fā)送信號，進(jìn)行節(jié)目切換，播放器運(yùn)行的流程如圖6所示。

3.2 圖片媒體播報(bào)

Qt 4.6引入了兩個(gè)主要的框架:動畫框架 （animation framework）和狀態(tài)機(jī)框架 （state machine framework）[11]，其基本理論是基于David Harel的有限狀態(tài)圖 （finite Statechart）理論，狀態(tài)機(jī)的執(zhí)行語義則使用SCXML（State Chart XML，狀態(tài)圖XML），該框架是建立在QObject和Qt屬性系統(tǒng)基礎(chǔ)上，最簡單實(shí)現(xiàn)動畫的方式是為對象的每個(gè)屬性都創(chuàng)建一個(gè)QProperty Animation，并給定相應(yīng)對的動畫的持續(xù)時(shí)間、初始值和最終值等參數(shù)。Qt狀態(tài)機(jī)框架同樣依賴于QObject和Qt的屬性系統(tǒng)。通過創(chuàng)建QState－Machine來搭建一個(gè)狀態(tài)機(jī)，然后再創(chuàng)建所需的一些狀態(tài)（QState或QFinalState），并創(chuàng)建所有給定的三元狀態(tài)組（QObject，屬性，值）中的每一個(gè)狀態(tài)，以便讓狀態(tài)機(jī)知道給定狀態(tài)下的對象屬性值。各個(gè)狀態(tài)一旦創(chuàng)建完畢，我們就會創(chuàng)建一些切換 （transition），用以說明從一個(gè)到另一個(gè)狀態(tài)的切換。

圖片播放的設(shè)計(jì)也遵循了 “目錄獲取、策略播放”的原則。首先，對指定目錄下的圖片文件利用getPicFiles（）進(jìn)行類型過濾，防止系統(tǒng)不支持類型文件被載入，然后對圖片進(jìn)行縮放處理，在尺寸上保證適應(yīng)布局。對文字素材的處理采用生成圖片的方式，避免嵌入式Qt頻繁讀取ttf字庫所帶來的額外系統(tǒng)資源消耗。播放采用窗口滾動播出，可以對顯示速度、動畫方式進(jìn)行設(shè)置調(diào)整。如圖7所示，該電子站牌系統(tǒng)已經(jīng)在成都市實(shí)施運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了圖形化報(bào)站與多媒體播報(bào)的較好融合。

3.3 站牌系統(tǒng)更新

圖7 本文電子站牌在成都市的實(shí)際運(yùn)行

針對電子站牌媒體播報(bào)系統(tǒng)應(yīng)用的特點(diǎn)，其區(qū)域設(shè)置的范圍是比較分散的，完全靠人工維護(hù)成本巨大，這與系統(tǒng)開發(fā)的目標(biāo)是不符的，所以設(shè)計(jì)系統(tǒng)更新模塊用以遠(yuǎn)程系統(tǒng)維護(hù)。更新進(jìn)程啟動后開始對USB本地端口和網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行監(jiān)聽[12]，對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果為斷點(diǎn)續(xù)傳數(shù)據(jù)，則繼續(xù)完成斷點(diǎn)續(xù)傳。如果為新的數(shù)據(jù)文件，則創(chuàng)建新文件開始下載。當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢后，對緩沖數(shù)據(jù)進(jìn)行MD5驗(yàn)證，經(jīng)過驗(yàn)證的文件根據(jù)文件類型分別拷貝到相應(yīng)的媒體文件夾中，并將其記錄到服務(wù)器日志當(dāng)中，完成更新過程。另一方面，更新模塊作為獨(dú)立進(jìn)程，可以對電子站牌系統(tǒng)本身進(jìn)行升級操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無人值守，遠(yuǎn)程維護(hù)的目標(biāo)。

4 測試結(jié)果分析

我們根據(jù)以上的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了嵌入式電子站牌系統(tǒng)，利用ICU接口控制器解決了系統(tǒng)穩(wěn)定性問題以及設(shè)計(jì)初期所遇到界面融合的問題。經(jīng)過測試，電子站牌能夠24小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)3G通訊出現(xiàn)問題時(shí)，報(bào)站界面會實(shí)現(xiàn)異常處理以及能夠通過硬復(fù)位恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)長時(shí)間沒有報(bào)站信息時(shí)，界面會進(jìn)行清空。

當(dāng)進(jìn)行多媒體播報(bào)時(shí)，采用碼率分別為1.7Mbps和16.7Mbps的H264＋AVC編碼的MP4格式文件進(jìn)行測試，結(jié)合圖片播報(bào)，CPU占用率分別為33%和45%，能夠達(dá)到流暢播放，符合實(shí)際應(yīng)用的需求。

從表1可以看出，本文所提出的基于i.MX53的嵌入式LCD電子站牌相比其它兩種傳統(tǒng)電子站牌而言，圖形化報(bào)站的形式提供給乘客優(yōu)質(zhì)的報(bào)站服務(wù)和良好的用戶體驗(yàn)，更好地突出其公益特性。雖然分離式站牌也提供了多媒體播報(bào)服務(wù)，但較簡單的報(bào)站服務(wù)容易成為廣告機(jī)的附屬品，本末倒置。

表1 幾種電子站牌的比較

雖然采用軟件結(jié)合硬件看門狗能夠很大程度上保證系統(tǒng)的可靠性，但在特殊情況下如主板外圍設(shè)備的復(fù)位，仍需要對主板實(shí)現(xiàn)斷電處理，因而采用了ICU接口控制器的站牌主機(jī)，在系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性方面更具優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

本文提出的基于i.MX53嵌入式電子站牌，為城市公交系統(tǒng)的服務(wù)建設(shè)提供了一個(gè)新的設(shè)計(jì)方案。在成都市的公交站牌建設(shè)中，已經(jīng)建成了1000余塊電子站牌，在運(yùn)行期間得到了社會的廣泛認(rèn)可。圖形化報(bào)站與多媒體播報(bào)的有機(jī)結(jié)合，兼顧了社會效益與經(jīng)濟(jì)效益，成為一種新型的宣傳媒介?？梢钥吹?，未來對嵌入式系統(tǒng)的要求不僅僅局限在性能穩(wěn)定上，在人機(jī)交互、界面友好等方面會有更高需求。正是基于這樣的發(fā)展趨勢，針對電子站牌系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，我們基于嵌入式平臺設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的電子站牌，希望能夠?qū)σ院笙嚓P(guān)系統(tǒng)的開發(fā)作為借鑒。

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