基于嵌入式系統(tǒng)的智能車輛出入管理系統(tǒng)研究

李景富，周 鵬

（黃淮學(xué)院 國際學(xué)院，河南 駐馬店 463000）

由于現(xiàn)在汽車越來越普及，汽車的增長速度已經(jīng)遠遠超過了道路發(fā)展的速度。截止2012年底數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國汽車年生產(chǎn)能力突破1 900萬輛，達到了1 927.2萬輛，比2010提高了4.6個百分點。這也標致著我國已正式邁入汽車社會，汽車進入家庭的速度是十分驚人的，目前多數(shù)家庭將擁有汽車，導(dǎo)致交通狀況、汽車環(huán)境等管理進一步復(fù)雜化[1-2]。中國現(xiàn)在要面臨比發(fā)達國家在交通上更嚴重的問題。城市化進程和汽車業(yè)的高速發(fā)展使得現(xiàn)今社會對智能交通的需求越來越高。但目前我國汽車社會規(guī)則不完善、風(fēng)險加劇，許多汽車問題升級為社會問題，停車困難特別是小區(qū)和一些單位尤其明顯。特別突出的是一些大型事業(yè)單位，位于城市相對繁華的地段，基本都是面向主干道，經(jīng)常出現(xiàn)停車困難[3]。因此，如何對生活小區(qū)和一些單位的車輛進行智能化管理是目前面臨的新的挑戰(zhàn)。

嵌入式智能車輛出入管理系統(tǒng)研究就是針對上述的實際情況，結(jié)合現(xiàn)代先進高科技技術(shù)和產(chǎn)品，研發(fā)出一套先進、適用、經(jīng)濟、可靠的智能車輛出入管理系統(tǒng)。開發(fā)車牌的智能識別系統(tǒng)可以實現(xiàn)對車輛的智能管理。目前，對于城市的車輛監(jiān)控管理上，應(yīng)用車牌的智能識別系統(tǒng)非常廣泛[4]，例如：大型的停車場，現(xiàn)在就用的是智能停車繳費系統(tǒng)，還可以實現(xiàn)對被盜竊的汽車追蹤等。車牌智能識別系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，提高了交通系統(tǒng)的安全，減少了交通堵塞，實現(xiàn)智能化的交通管理，可以促進社會信息化，促進社會經(jīng)濟的發(fā)展。因此，研究開發(fā)嵌入式的高性能的車牌智能識別系統(tǒng)，具有很好的市場前景，有很大的應(yīng)用空間和潛力，對我國的交通體系的規(guī)劃和發(fā)展起到積極的推動作用。本研究著眼于智能車輛嵌入式智能車輛出入管理系統(tǒng)研究。其目的是開發(fā)并完成一個集獨立完成視頻采集、車輛檢測、車牌識別、語音報號、識別結(jié)果智能分析、自動報警、遠程值班、遠程監(jiān)控為一體的嵌入式智能車輛出入管理系統(tǒng)。整個過程不需要人工處理，最重要的是不需要車主取磁條或刷卡等操作，這樣既不耽誤車主的時間，也提高車輛出入管理的效率。

1 小區(qū)車輛管理系統(tǒng)需求分析

1.1 系統(tǒng)功能需求分析

要實現(xiàn)對小區(qū)內(nèi)的車輛出入管理的信息化、智能化和集成化，就需求有一個智能化車輛管理系統(tǒng)對小區(qū)內(nèi)車輛實現(xiàn)智能化、自動化的管理。管理平臺可以實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)車輛的出入自動智能識別、智能自動登記、不需要停車自動放行等功能，智能化車輛管理系統(tǒng)還可以實現(xiàn)對小區(qū)內(nèi)出入的車輛信息進行實時查看，管理員可以對車輛出入小區(qū)的時間進行查詢，對車輛繳費記錄進行查詢和及時的信息提醒等。開發(fā)的智能化車輛管理系統(tǒng)的功能需求如下：

1）車輛登記

對小區(qū)內(nèi)的車輛進行登記，對登記過的車輛發(fā)放一個有源射頻卡，在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，輸入保存該射頻卡的卡號和對應(yīng)車輛的相關(guān)信息。系統(tǒng)中有了這臺車輛的信息后，車輛管理系統(tǒng)會根據(jù)射頻卡的卡號來對車輛進行識別。

對外來車輛的出入登記，由于外來車輛，系統(tǒng)里沒有其基本信息，通過門閘時，值班的門衛(wèi)要發(fā)放臨時通行卡，系統(tǒng)通過射頻讀寫器對該車輛的臨時卡的識別，放行并記錄該車輛的進出小區(qū)的時間，當外來車輛離開小區(qū)時對其進行適當收取管理費。

2）實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)車輛智能識別、記錄進出車輛

由于車輛智能管理系統(tǒng)運用射頻識別技術(shù)，對登記過信息的車輛進出閘門的，具有自動識別、智能控制的功能，并對進出信息進行記錄，保存到數(shù)據(jù)庫。實現(xiàn)當其通過門閘時，識別系統(tǒng)會自動識別車輛的信息、通過對比數(shù)據(jù)庫保存的該車的資料信息、道閘欄桿和交通信號燈自動控制等步驟，實時控制車輛通行，實現(xiàn)車輛以20～30 km/h的速度不停車進出。

3）自動生成數(shù)據(jù)報表

系統(tǒng)可以實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)出入車輛的信息統(tǒng)計和分析，具可以實時進行外來車輛的進出記錄信息查詢、統(tǒng)計和分析的功能。

4）保證數(shù)據(jù)的安全

系統(tǒng)要有車輛數(shù)據(jù)信息的自動備份和恢復(fù)功能，要保證當系統(tǒng)運行過程中，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或者損壞的情況，系統(tǒng)要能夠恢復(fù)數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)的安全運行。

1.2 系統(tǒng)的具體工作流程

通過對車輛管理的實際調(diào)查情況分析，小區(qū)內(nèi)的車輛智能管理系統(tǒng)工作的基本流程如圖1所示。

圖1 車輛管理基本流程Fig.1 Vehicle management basic flow

在小區(qū)內(nèi)使用本系統(tǒng)時，首先要統(tǒng)計小區(qū)內(nèi)的車輛，按照車輛牌照進行分類登記，對小區(qū)內(nèi)登記過的車輛，給每一臺車發(fā)放有源標簽作為該車的標識。登記后的車輛擁有一個唯一的標簽，在交費管理上車輛可以實現(xiàn)智能交費，對于按時交納管理費用的車輛，在進出路過門閘時不需要在停車即可以自由通過。而對于非登記的外來車輛，在進入小區(qū)時，需要門衛(wèi)給發(fā)放一張臨時通行卡才能通過，當外來車輛需要離開小區(qū)時，智能系統(tǒng)會自動根據(jù)該車在小區(qū)內(nèi)停留時間的長短計算出應(yīng)收取的管理費用，車主交納管理費用和歸還臨時通行卡后，方可放行通過。值班的人員通過監(jiān)控視頻可以實時監(jiān)控，對出入小區(qū)的車輛情況及時觀察和了解。物業(yè)管理處人員可以通過車輛智能管理系統(tǒng)的查詢和統(tǒng)計功能來了解出入小區(qū)內(nèi)車輛的情況。

在智能車輛管理系統(tǒng)的運行過程中，為了保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性，要對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進行備份，系統(tǒng)要有數(shù)據(jù)自動備份和還原功能。另外，對于不同的用戶，要分別設(shè)置一定的權(quán)限，以防止系統(tǒng)的數(shù)據(jù)被惡意修改和刪除。因此，依據(jù)對車輛智能管理系統(tǒng)的實際工作流程的分析，開發(fā)的系統(tǒng)管理要包括用戶管理和數(shù)據(jù)庫的備份與還原兩大部分，對開發(fā)的小區(qū)車輛管理系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)以下功能：

1）車輛的智能管理:對小區(qū)的車輛實現(xiàn)登記、繳費、發(fā)卡等功能。對外來車輛實現(xiàn)臨時通行卡的發(fā)放和管理費的收取等。

2）對小區(qū)實時監(jiān)控:在小區(qū)內(nèi)安裝攝像頭，通過攝像頭可以對出入小區(qū)的車輛進行智能抓拍，值班人員通過監(jiān)控設(shè)備可以觀察出入小區(qū)的車輛情況。

3）實現(xiàn)對小區(qū)車輛的查詢與統(tǒng)計:通過查詢和統(tǒng)計功能，可以實現(xiàn)對出入小區(qū)的車輛進行信息統(tǒng)計。在系統(tǒng)中管理員可以對小區(qū)內(nèi)車輛信息進行統(tǒng)計、修改和刪除功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

由于車牌自動識別系統(tǒng)的特點是信號數(shù)字化，處理過程全是數(shù)字信號處理，涉及多種圖像算法的結(jié)合，人為干預(yù)較少，高度自動化要求較高。本文設(shè)計的車牌識別系統(tǒng)以TMS320DM6437DSP處理模塊為核心功能模塊，前端連接圖像采集模塊，主要實現(xiàn)圖像的采集和視頻信息格式的轉(zhuǎn)換[5]。用CCD攝像機采集圖像，通過專用的低功耗視頻信號模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將攝像機采集到的視頻信號轉(zhuǎn)換成 DSP視頻前端接口可以識別的數(shù)字信號。DSP處理模塊，主要功能是DSP處理器接收存儲圖像采集模塊傳輸過來的數(shù)字信號，通過圖像預(yù)處理，定位，分割，識別等算法將識別結(jié)構(gòu)存儲在指定內(nèi)存區(qū)域。DSP處理模塊將識別好的車牌信息以字符串的形式通過以太網(wǎng)接口發(fā)送到指定IP的上位機，上位機再將結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫以便后期查詢。 本文設(shè)計的車牌識別系統(tǒng)模塊框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)模塊框圖Fig.2 The hardware system block diagram

2.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

1）車牌圖像的預(yù)處理

由車牌定位的過程就是在截取的視頻流的一幀圖像中找到車牌的區(qū)域，并不斷縮小車牌區(qū)域的范圍，為后面的字符分割提供更多的有用信息，是整個識別系統(tǒng)軟件流程的第一步。本文采用基于灰度圖像的車牌定位。定位方法利用車牌區(qū)域的字符紋理較其他區(qū)域豐富的特點來定位。將一副彩色圖像灰度化以后，其圖像信息已經(jīng)丟失了很多。而通常情況下，干擾信息和噪聲在彩色圖像中占的比重非常小，圖像灰度化以后這些干擾因素就會占據(jù)整個圖像信息的很大一部分，所以對灰度化以后的圖像進行預(yù)處理，使車牌區(qū)域的特征表現(xiàn)的更加明顯，并且抑制圖像背景干擾和噪聲的干擾是非常必要的。

受天氣和光照強度的影響，攝像機拍攝到的視頻圖片在進行灰度化以后其灰度值可能比較集中，這樣就形成灰度圖片的灰度值總體不是偏小就是偏大，致使車牌區(qū)域與背景區(qū)域的反差不明顯，即對比度較低。為了增加目標區(qū)域與背景區(qū)域的對比度，可以對灰度圖像進行直方圖均衡。然后再進行圖像的二值化處理，就是將一副灰度圖像的灰度級別根據(jù)一個設(shè)定的灰度級別分成兩部分，大于該設(shè)定灰度級別的像素灰度設(shè)置成255，即最高灰度級別，小于該設(shè)定灰度級別的像素灰度設(shè)置成0，即最低灰度級別。這樣圖像就變成了只有最亮和最暗區(qū)域的“黑白”圖像。觀察車牌圖像的二值化結(jié)果，整幅圖像用肉眼看就能看到很多噪點，也即孤立的兩點或者亮塊，他們對車牌區(qū)域必定形成干擾。為了進一步減少車牌定位時背景以及車身自身的干擾，采取先腐蝕再膨脹的操作來消除一定的孤立噪點。

2）車牌定位和字符分割

車牌定位的常用車牌的上下邊界定位和車牌的左右邊界定位，上下邊界的方法可以將車牌的上下邊界十分精確的鎖定在車牌字符的上下邊緣，然后用對二值化后的圖像提取Yfmin與Yfmax坐標范圍內(nèi)的圖片進行分析來確定車牌的左右邊界。將該區(qū)域的二值化圖像進行水平投影并將像素灰度級別累加。通過車牌區(qū)域精確定位以后，采取縱向投影法來進行字符分割的操作。將預(yù)處理后的車牌圖像進行垂直投影，投影效果大致為7個波峰，每個波峰之間的波谷位置即為車牌中各個字符之間的分割點，精確定位每個字符的上下邊界與左右邊界。由于車牌定位的精確性，可以完全提取車牌區(qū)域的二值化圖片進行垂直投影，其投影結(jié)果為在x軸方向分布的一維數(shù)組。

3）系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)采用應(yīng)用層、邏輯層和數(shù)據(jù)層的三層架構(gòu)，有良好的可擴充性[6]?；趌inux操作系統(tǒng)平臺，采用QT和java語言進行設(shè)計并實現(xiàn)對前臺結(jié)構(gòu)的搭建、用PSQL部署主從數(shù)據(jù)庫、基于XML面向服務(wù)的PARKSERVER接口設(shè)計、外設(shè)通用接口RS232/485/IO口，系統(tǒng)高版本支持低版的硬件及低層前端軟件[7]?？蛇M行二次開發(fā)的自主項目，以適應(yīng)跨平臺的需要。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)解決了目前小區(qū)內(nèi)對車輛出入的智能化管理，針對車輛身份識別和對比認證方式，實現(xiàn)了對出入車輛的自動智能識別，提高了車輛通行的速度，有效保障了出入車輛的暢通，智能化車輛管理系統(tǒng)的實現(xiàn)，降低了門衛(wèi)值班工作人員的勞動強度，同時，也提高了小區(qū)內(nèi)車輛的安全管理。

[1]姜澤浩，張崎.基于地磁感應(yīng)檢測器的智能停車管理系統(tǒng)研究[J].信息技術(shù)，2011（4）:130-132.JIANG Ze-hao，ZHANG Qi.Intelligent parking management system based on magnetic detector[J].Information Technology，2011（4）:130-132.

[2]程民.城市停車信息采集平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國科技信息，2011（11）:92-93.CHENGMin.The design and implementation of urban parking information collection platform[J].China Science and Technology Information，2011（11）:92-93.

[3]劉鵬.自動檢測與識別技術(shù)在停車管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國安防，2011（11）:55-58.LIU Peng.Automatic detection and recognition technology in the application of the parking management system[J].China Security&Protection，2011（11）:55-58.

[4]胡清明，李西兵，郭建華，等.基于車牌自動識別立體車庫智能停車管理系統(tǒng)研究[J].機床與液壓，2011（18）:97-99.HU Qing-ming，LI Xi-bing，GUO Jian-hua，et al.Study on intelligent parking management system for stereo garage based on license plate automatic recognition technology[J].Machine Tool&Hydraulics，2011（18）:97-99.

[5]Gajda J，Sroka R，Stencel M，et al.A vehicle recognition based on inductive loopDetectors[C]//IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference.2001:460-464.

[6]丁林松，黃麗琴.Qt4圖形設(shè)計與嵌入式開發(fā)[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[7]成潔，盧紫毅.Linux窗口程序設(shè)計—Qt4精彩對象分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.