景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設計

胡 偉，陳儀香

（1 黃山學院 信息工程學院，安徽 黃山 245041；2.華東師范大學 教育部軟硬件協(xié)同設計技術(shù)與應用工程研究中心，上海 200062）

[機電與信息]

景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設計

胡 偉1，2，陳儀香2

（1 黃山學院 信息工程學院，安徽 黃山 245041；2.華東師范大學 教育部軟硬件協(xié)同設計技術(shù)與應用工程研究中心，上海 200062）

智慧旅游作為“互聯(lián)網(wǎng)+”形式下未來旅游業(yè)發(fā)展的趨勢，將會得到大力的發(fā)展。 智慧景區(qū)建設作為智慧旅游的重要組成部分，也成為研究的熱點。 在景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)的設計中引入軟硬件協(xié)同設計的方法，運用基于 SysML 的系統(tǒng)建模方式進行系統(tǒng)的建模，可以使得設計周期大大地縮短，設計的靈活性也得到很大地提高，系統(tǒng)的開發(fā)成本也能得到降低。

智慧旅游；“互聯(lián)網(wǎng)+”；軟硬件協(xié)同設計；SysML；系統(tǒng)建模

1 引 言

智慧旅游是在“互聯(lián)網(wǎng)+”下利用 Internet和傳統(tǒng)行業(yè)結(jié)合在一起的一種嘗試，它是智慧地球建設的重要組成部分，主要通過物聯(lián)網(wǎng)、云計算、3G/4G 通訊、三網(wǎng)融合等新技術(shù)，通過 Internet或移動互聯(lián)網(wǎng)，借助智能手機、ipad 等便攜式終端，主動感知旅游資源等相關信息。人們及時地掌握了這些信息，就可以合理地安排旅游計劃，從而達到對資源的合理調(diào)配、方便利用的效果。智慧旅游將是未來旅游業(yè)發(fā)展的趨勢，它很大程度上改變了傳統(tǒng)旅游業(yè)的運營模式，它是旅游業(yè)信息化發(fā)展的頂層設計，一方面可以給游客們帶來便利，另一方面也給旅游業(yè)管理者和經(jīng)營者們 帶 來一場 深 刻的 變革[1]。

智慧景區(qū)建設是智慧旅游的重要組成部分，它是指結(jié)合景區(qū)特性，構(gòu)建智慧網(wǎng)絡，實現(xiàn)景區(qū)旅游的智能化發(fā)展，高度集成最新管理理念和技術(shù)成果，全面應用于景區(qū)的旅游管理，從而更加有效地保護旅游資源，為游客提供更優(yōu)質(zhì)的服務，同時實現(xiàn)景區(qū)環(huán)境、經(jīng)濟等的全面可持續(xù)發(fā)展。智慧景區(qū)建設技術(shù)主要涉及智能物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)設計、云計算和數(shù)據(jù)存儲 與整 合等 方面 的 技術(shù)[2]。

2 問題描述

2.1 系統(tǒng)框架

如圖1所示的是構(gòu)建景區(qū)智慧旅游的系統(tǒng)架構(gòu)。為了完整地實現(xiàn)支持可持續(xù)發(fā)展的“景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)”功能，參照 IBM 提出的“智慧地球”的層次架構(gòu)，智慧景區(qū)可按照 4層架構(gòu)結(jié)構(gòu)進行信息化建設，實現(xiàn)景區(qū)內(nèi)人人互聯(lián)、人機互聯(lián)、機機互聯(lián)，實現(xiàn)對景區(qū)內(nèi)各種事務進行更加透徹的感知，并以此作為智慧化輔助決策的基礎。

圖1 景區(qū)智慧旅游的系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)研究方法和技術(shù)

軟硬件協(xié)同設計是嵌入式系統(tǒng)設計開發(fā)中的重要技術(shù)之一，即在整個系統(tǒng)及定義的基礎上，對軟件和硬件進行同時的協(xié)調(diào)和設計。其中包括軟硬件劃分（即哪部分功能使用硬件實現(xiàn)，哪部分功能使用軟件完成）、軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的具體開發(fā)以及聯(lián)合的調(diào) 試[3]。 軟 硬件協(xié) 同 設計 是 要 求在 設計過 程 的初期就將軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)兩方面結(jié)合在一起考慮，以達到靈活地設計系統(tǒng)和有效的分配系統(tǒng)功能的一種設計方法，其對分布式實時嵌入式系統(tǒng)的設計研究有著 巨 大 的 優(yōu)勢 ，能 達到最高 效 的 設 計[4]。 如 圖 2 所示的 是 普適性 很強的軟 硬件協(xié) 同 設計 的 方 法流 程[3]。

圖2 軟硬件協(xié)同設計流程

3 系統(tǒng)總體設計方案

3.1 系統(tǒng)功能需求與整體結(jié)構(gòu)設計

智慧景區(qū)建設按照設備層、基礎網(wǎng)絡支持層、基礎設施網(wǎng)絡層和應用層4層架構(gòu)設計，其中最主要的在應用層的設計。

景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)的應用層主要包括各類數(shù)據(jù)采集、基于動態(tài)規(guī)劃的決策、視頻、圖像、調(diào)度管理以及大數(shù)據(jù)處理等方面的應用。具體的內(nèi)容按照以下幾個方面來構(gòu)建，如圖 3所示。

圖3 景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)應用層

3.2 系統(tǒng)的構(gòu)建

3.2.1 構(gòu)建自助售票系統(tǒng)

目前，大多數(shù)景區(qū)的售票管理模式都是采用人工售票以及在景區(qū)入口處進行人工檢票的方式執(zhí)行。由于采用人工操作的方式，普遍存在著操作速度慢，報表統(tǒng)計緩慢，出錯率較高，工作強度大等缺點。隨著計算機和網(wǎng)絡技術(shù)的高度發(fā)展，加密技術(shù)和身份識別技術(shù)也越來越多地應用于景區(qū)票務管理系統(tǒng)中來。電子門票自動售檢票系統(tǒng)集成了計算機軟硬件技術(shù)、電子工程技術(shù)和機械工程技術(shù)，具有超強的智能化功能，節(jié)省了大量的人力成本，也能夠大大地提高景區(qū)整體的形象和工作效率。

3.2.2 構(gòu)建電子門禁系統(tǒng)

在旅游景區(qū)入口處安裝閘機進行自動檢票，目前常用的閘機有門式閘機和三桿旋轉(zhuǎn)式閘機，游客進入景點時刷卡通過閘機，通過累積刷卡的次數(shù)可以得出游客進入景區(qū)的數(shù)量。同時，景區(qū)出口處也安裝閘機驗票并回收門票，當游客刷卡離開景點時，可以計算出游客離開景區(qū)的數(shù)量。將進口匯總的游客數(shù)量和出口匯總后的游客數(shù)量相減即可計算出當時景區(qū)的實時游客數(shù)量。

作為景區(qū)信息化系統(tǒng)的嵌入式終端之一的電子門禁系統(tǒng)，在開發(fā)設計的過程中可以采用軟硬件協(xié)同設計方法，如圖4所示的是利用軟硬件協(xié)同設計技術(shù)對電子門禁系統(tǒng)進行功能模塊劃分的劃分圖。

圖4 電子門禁系統(tǒng)功能劃分圖

3.2.3 景區(qū)決策指揮系統(tǒng)

通常景區(qū)內(nèi)都有大大小小的眾多景點，在各個景點途經(jīng)處安裝攝像頭，可以實時地監(jiān)控各個景點區(qū)域內(nèi)游客的密集程度，同時也可以為景區(qū)內(nèi)防盜和防火管理提供實時的視頻監(jiān)控。各個景點的視頻數(shù)據(jù)傳輸至景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)，并由景區(qū)決策指揮子系統(tǒng)進行統(tǒng)一的調(diào)度和調(diào)配，將實時視頻信息傳輸至各個景點的 LED 顯示屏。

各個景點區(qū)域內(nèi)設置多個信息采集點。游客持RFID 門票卡經(jīng)過這些信息采集點時，信息采集點智能采集游客 RFID 門票卡數(shù)據(jù)。 通過構(gòu)建好的無線傳感網(wǎng)將數(shù)據(jù)最終匯集到主控服務器，服務器經(jīng)過快速分析處理，最終能實時統(tǒng)計出各個子景點中的實時游客人數(shù)，這為景區(qū)游客疏通，實時調(diào)度，安全管理等方面提供重要的實時數(shù)據(jù)。

在各個景點的入口處及游客主要休息區(qū)安裝信息顯示 LED 屏。 大屏顯示各個主要景點的實時視頻以及當前的游客人數(shù)的實時數(shù)據(jù)，繪制景區(qū)人員分布熱力圖，以告知游客各個景點的實時情況，便于游客做出合理的游覽選擇。

景點視頻采集系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)是典型的分布式嵌入式系統(tǒng)，結(jié)合著公共發(fā)布系統(tǒng)在一起的決策指揮子系統(tǒng)同樣采用軟硬件協(xié)同設計方法來設計。如圖5描述了決策指揮系統(tǒng)的模塊軟硬件功能劃分。

圖5 決策指揮系統(tǒng)功能劃分圖

3.2.4 游客服務系統(tǒng)

游客服務系統(tǒng)主要是開發(fā)基于移動互聯(lián)設備的App 軟件，其可實現(xiàn)的功能如下：1.定位、導航功能。軟件通過 RFID 定位技術(shù)和 GPS 定位技術(shù)相結(jié)合的方式為游客提供定位、導航功能。 2.報警求助功能。提供與 GPS 定位相結(jié)合的報警求助服務功能。 3.自助導游講解功能。在已實現(xiàn)定位的基礎上，根據(jù)用戶所處位置提供自動提醒、自動講解等相關的景點信息服務功能。 4.最佳游覽路線的設計與實現(xiàn)。 綜合考慮當前游客所處位置信息，自動為游客規(guī)劃生成最佳的旅游線路。

3.2.5 災損預警系統(tǒng)

眾多景區(qū)有大量的名勝古跡和森林資源，這些都是人類寶貴的資源，需要得到更好的保護。景區(qū)內(nèi)森林覆蓋面通常比較廣，加上游客人數(shù)眾多，管理非常困難。因此，對景區(qū)內(nèi)火災的隱患做直接有效的監(jiān)測，做到防患于未然，可以更好地進行火災的預防、撲救等決策。景區(qū)游客眾多，文物保護方面的管理壓力也非常大，因此需要通過無線傳感網(wǎng)構(gòu)建文物信息監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)測方面的監(jiān)控預警系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)建模

系統(tǒng)建模是軟件工程的重要環(huán)節(jié)之一，就是建立起系統(tǒng)的抽象模型，從而細致又準確地描述所要開發(fā)的系統(tǒng)中各個層面的信息，從而為進一步的分析和設計奠定基礎。目前主要的建模方法有基于統(tǒng)一建模語言 UML的嵌入式系統(tǒng)建模方法和基于模型 系 統(tǒng) 工 程 （Model Bases Systems Engineering, MBSE）的系 統(tǒng) 建 模 語 言 （System Modeling Language, SysML） 的 嵌 入 式 系 統(tǒng) 建 模 方 法[5]。 本 設 計 利 用Enterprise Architect 工具 實 現(xiàn)基于 SysML1.1 的 系 統(tǒng)建模，其中包括用例圖、模塊定義圖和類圖等建模圖的繪制。

4.1 用例圖

對系統(tǒng)進行動態(tài)建模時，用例圖是一種主要的分析工具，可以被用來作為系統(tǒng)情景圖，它是對系統(tǒng)或類的行為進行建模的核心。每張用例圖用來顯示一組用例、參與者和它們之間的泛化關系。用例圖對詳述、可視化系統(tǒng)設計和對一個元素的文檔化行為都非常重要，它通過視圖的方式呈現(xiàn)了元素在語境中如何被使用，使系統(tǒng)、子系統(tǒng)和類等易于被探討和理 解[5]。 圖 6 是 決 策 指 揮 系 統(tǒng) 模 塊 基 于 SysML1.1 的用例圖。

圖6 決策指揮系統(tǒng)模塊用例圖

4.2 模塊定義圖

模塊定義圖（BDD）是一種最常見的 SysML 圖。在模塊定義圖中可以顯示不同類型的模型元素及其關系，用以說明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信息。在模塊定義圖中顯示的模型元素有模塊、約束模塊、執(zhí)行者、流說明、值類型、接口等。 它們之間的結(jié)構(gòu)關系主要有關聯(lián)、依賴和泛化。如圖7給出了本系統(tǒng)中的系統(tǒng)遠程節(jié)點的模塊定義圖。

圖7 遠程節(jié)點的模塊定義圖

4.3 類圖

類圖是面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)建模中最常用的圖之一，通常它顯示一組類、接口以及它們之間的關系，類圖主要用于對系統(tǒng)進行靜態(tài)設計建模，大多數(shù)情況下它涉及到對系統(tǒng)的詞匯、協(xié)作和模式的建模，類圖一方面對結(jié)構(gòu)模型的可視化非常重要，另一方面其對于詳述結(jié)構(gòu)模型和對其進行文檔化也很重要，而且對于系統(tǒng)的正向工程和逆向工程的構(gòu)造同樣非常重要。圖8給出了本系統(tǒng)中的控制端程序的類圖。

圖8 控制端程序類圖

5 系統(tǒng)硬件平臺的設計

系統(tǒng)的硬件構(gòu)成主要有遠程節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)和控制端硬件平臺。

5.1 遠程節(jié)點硬件設計

遠程節(jié)點由 ARM 單片機最小系統(tǒng)、 供電系統(tǒng)、溫度傳感器、 濕度傳感器、RFID 傳感器、 高清攝像頭、紅外傳感器、藍牙模塊、Zigbee 模塊、電機驅(qū)動模塊等組成，其硬件組成如圖 9所示。

圖9 遠程節(jié)點模塊硬件組成圖

5.2 控制端的硬件平臺組成

如圖 10 所示的是控制端硬件平臺的組成，包括服務器和 PC 端兩大部分。其中服務器端通過傳感器網(wǎng)關協(xié)調(diào)器與遠程節(jié)點連接，進行相應的數(shù)據(jù)處理。PC端計算機通過局域網(wǎng)從服務器取得數(shù)據(jù)進行相應運算和顯示功能。

圖10 控制端硬件組成圖

6 軟件平臺設計

系統(tǒng)的主要軟件平臺包括基于 ARM 開發(fā)的遠程嵌入式節(jié)點上的軟件和基于服務器/PC 機的控制端程序兩大塊。

遠程節(jié)點的主要工作任務是利用傳感器采集各種數(shù)據(jù)并利用傳感網(wǎng)傳回到服務器，開發(fā)的核心任務為傳感設備驅(qū)動程序的開發(fā)和網(wǎng)絡接口驅(qū)動程序的開發(fā)。 圖 11描述了遠程節(jié)點的軟件工作流程。

圖11 遠程節(jié)點的軟件工作流程圖

控制端程序的主要工作任務是匯總傳感器采集的數(shù)據(jù)并進行相應的運算操作，并根據(jù)計算結(jié)果進行決策并發(fā)布相關的信息和公告。開發(fā)的核心任務為基于 B/S 的桌面端程序的開發(fā)和網(wǎng)絡通訊接口編程。 圖 12描述了控制程序的軟件工作流程。

圖12 控制程序的軟件工作流程圖

7 結(jié) 論

本文介紹了一個景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)的設計方法，系統(tǒng)使用軟硬件協(xié)同設計的方法進行設計，運用基于 SysML 的系統(tǒng)建模方式進行系統(tǒng)的建模。這樣的開發(fā)方式使得設計周期大大地縮短，設計的靈活性也得到很大地提高。同時，系統(tǒng)的開發(fā)成本特別是嵌入式節(jié)點設備的成本也得到降低，系統(tǒng)具備很強的普適性。

[1]張 凌 云 ，黎崾，劉 敏．智 慧 旅 游 的 基 本 概 念 與 理 論 體 系[J]．旅游學刊，2012，27（5）：66-73．

[2]鄧貴平，邵振峰．基于視頻巡航的九寨溝智慧景區(qū)管理與服務[J]．計算機工程與設計，2011，32（11）：3922-3924．

[3]陸佳華，潘祖龍，彭競宇，等．嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設計實戰(zhàn)指南——基于 Xilinx ZYNQ[M]．北京：機械 工 業(yè)出版社，2014：85-88．

[4]Patrick R.Schaumont.A Practical Introduction to Hardware/ Software Codesign Second Edition[M]．北 京 ： 機 械 工 業(yè) 出 版社，2015：187-195．

[5]Lenny Delligatti．SysML Distilled – A Brief Guide to the ystems Modeling Language[M]．北 京 ： 機 械 工 業(yè) 出 版 社 ，2015:156-162．

責任編輯：胡德明

Hardware/Software Co-design of Intelligent Tourism System for Scenic Areas

Hu Wei1,2,Chen Yixiang2
(1.School of Information Engineering,Huangshan University,Huangshan 245021,China; 2.MoE Engineering Research Center for Software/Hardware Co-design Technology and Application, East China Normal University,Shanghai 200062,China)

As a trend of future tourism industry in the form of"Internet plus",intelligent tourism will be vigorously developed.As an important part of intelligent tourism,intelligent scenic spot construction has become a research focus.The hardware/software co-design method is introduced into intelligent tourism system design of scenic spots.Using system modeling method based on SysML,the design period can be shortened greatly,the flexibility of the design improved greatly,and the cost of the system reduced.

intelligent tourism;"Internet plus";hardware/software co-design;SysML;system modeling

TP302

：A

：1672-447X(2017）03-0019-05

2017-03-05

安徽省高校優(yōu)秀中青年骨干人才國內(nèi)外訪學研修重點項目（gxfxZD2016229）

胡偉（1978-），碩士，黃山學院信息工程學院講師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)、軟硬件協(xié)同設計、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

陳儀香（1961-），博士，教授，博士生導師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、實時協(xié)同規(guī)范語言設計、程序語義模型。