基于ARM_Linux的驾驶员路面考试监控系统设计.pdf

第 31卷第 10期 2010年 10月 微 计 算 机 应 用 M ICROCOMPUTER APPL I CAT I ONS Vol 31 No 10 Oct 2010 基于 ARM Linux的驾驶员路面考试监控系统设计 王少猛 1 徐建闽 2 彭 登 1 1华南理工大学自动化科学与工程学院 广州 510641 2华南理工大学土木与交通学院 广州 510641 摘要 针对驾驶员路面考试过程中存在的舞弊行为 提出基于 ARM L inux的驾驶员路面考试监控系统 该系统以 ARM 9系列 芯片 S3C2440为核心 通过 USB摄像头采集驾驶员图像信息 GPS模块采集车辆位置信息 CF卡存储图像及位置信息等方法 可以有效地解决上述问题 该系统使用方便 可扩展性强 可靠性高 关键词 ARM L inux 路面考试 USB摄像头 GPS CF卡 Design ofDriver Road Test Surveillance Syste m Based on Ar m Linux WANG Shaomeng 1 XU Jianm in2 PENG Deng1 1 College ofAuto mation Science and Engineering South China University ofTechnology Guangzhou 510641 China 2 SchoolofCivilEngineering and Transportation South China University ofTechnology Guangzhou 510641 China Abstract Thispaper puts for ward a road test surveillance system for drivers license based onAr m Linux to resolve the phenomenon of cheating This system which is realized by S3C2440 ofARM 9 series acquires the i mages ofdriver byUSB ca mera the position infor ma tions of car by GPS and stores the data by CF card it provides an effective solution to the proble m The system is easy to operate and upgrade w ith high reliability K ey words ARM L inux road test USB camera GPS CF card 1 前言 随着我国机动车保有量逐年增加 道路交通事故频发 世界卫生组织的研究结果表明 道路交通事故 造成的经济损失约占各国 GDP的 1 3 1 道路交通事故频发的主要原因 一是驾驶员技术水平低 二 是驾驶员安全意识差 而这些都与驾驶员的培训考试方法有关 据公安部公布全国道路交通事故的统计数据分析 驾龄不足 3年的驾驶员造成的交通事故占整个交通 事故的 38 2 因此 强化驾驶员培训企业的监督管理 规范驾驶员培训考试已成为当务之急 由于部分驾驶员培训企业重经济效益 轻社会效益 为了使学员能在短时间内获取机动车驾驶证 默许 教练员存在舞弊行为 如代替学员行车 不按规定路线行车等 导致学员的驾车技术还不够成熟就进入公路 行驶 为交通事故埋下隐患 为此本文提出了一种基于 ARM L inux平台的驾驶员路面考试监控系统 通过 USB摄像头定时采集驾驶员图像信息 GPS采集车辆位置信息 CompactF lash卡 CF卡 存储图像及位置信 本文于 2010 08 29收到 基金支持 国家 863计划项目 2006AA11Z211 国家自然科学基金自由申请项目 50878088 微 计 算 机 应 用 2010年 息等方法可以有效地解决上述问题 从而规范了驾驶执照的考核 2 系统硬件设计 系统具备以下主要功能 1 图像采集和显示 定时采集驾驶员脸部图像 防止教练代替学员行车 本文采用嵌入式 USB摄像 头实现图像采集功能 LCD模块实时显示摄像头采集的信息 2 位置信息采集 定时采集车辆位置 行驶速度等信息 为上位机管理软件提供原始数据 显示车辆 行驶轨迹 据此判断学员是否按照规定路线行车 本文采用 SI RF3高精度 GPS模块 图 1 硬件功能框图 3 数据存储 数据存储模块用于保存图像和位置 信息 由于系统的工作环境恶劣 数据量大大 故采用工 控领域常用的大容量 CF卡存储器 4 人机交互 字符液晶显示模块和 4位按键为用 户提供友好的人机交互界面 字符用于菜单显示 5 上位机接口 利用 m iniUSB接口与上位机进行 通讯 6 电源管理 采用车载 12V电源为系统提供电源 系统硬件功能框图如图 1所示 3 系统软件设计 3 1 内核及驱动 L inux操作系统稳定性高 内核可裁减的灵活度大以 及可移植程度高 且便于驱动程序开发 越来越普遍地应用于嵌入式系统中 3 本系统采用 L inux内核版本 为 2 6 29 并配置为支持 USB摄像头 LCD彩色液晶屏 串口 CF卡 字符液晶和 4位按键 3 2 图像采集模块 L inux2 6 29内核自带 Linuxuvc USB摄像头驱动模块 支持 Video4Linux2的应用程序接口 本系统的摄 像头内置 sunplus2000A主控芯片 图像数据输出格式为 YUV格式 1 Vdieo4Linux2简介 V ideo4L inux2 V4L2 是 Video ForL inux Two的简称 是在 L inux系统下进行视频音频等应用开发的应用 编程接口 在远程会议 视频监控等系统中有着广泛的应用 支持 V ideo4L inux2API接口的 UVC摄像头驱动 已包含在新版本的内核源码中 2 YUV格式解析 YUV是指亮度分量和色度分量独立表示的像素格式 此种格式在降低色度采样率的基础上确保了图像 质量 其中 Y表示图像的明亮度 即灰度值 UV表示色度 用于描述图像的色彩即饱和度 4 针对 YUV的 具体排列方式和采样频率所占比例 可以分为 YUYV YUV422 YUV420等多种格式 本系统的摄像头采集到的原始数据为 YUYV格式 即为每个像素保留 Y分量 而每两个像素共用一组 UV分量 水平方向上 2个实际像素组成 1个宏像素 大小为 4个字节 所以表示 1个像素只需 2个字节 5 图 2表示从 USB接口取得的 2个宏像素的数据流 图 3表示每个像素 YUV值与数据流之间的关系 其中 Pn 为像素点 n 0 1 2 3 Y0U0Y1V0Y2U2Y3V2 图 2 宏像素与 YUYV的关系 58 10期 王少猛 等 基于 ARM L inux的驾驶员路面考试监控系统设计 P0 P1 Y0U0V0 Y1U0V0 P2 P3 Y2U2V2 Y3U2V2 图 3 YUV值与数据流的关系 3 YUV和 RGB色彩空间转换 由于多数显示器使用红 绿 蓝 3色来产生需要的颜色 所以 RGB被广泛用于计算机成像之中 YUV 转换为 RGB色彩空间的公式如 1 所示 6 R Y 1 4075 V 128 G Y 0 3455 U 128 0 7169 V 128 B Y 1 779 U 128 1 S3C2440处理器没有浮点运算单元 Floating PointUnit 所有浮点运算都是在浮点运算模拟器上进行 浮点运算特别缓慢 因此本文将公式 1 中的浮点数用除法和移位运算代替 使之成为全整数操作 由于移 位操作存在细微误差 所以要在计算过程的最后进行 避免误差放大 影响转换结果 改进后的转换公式如 2 所示 R Y 360 V 128 8 G Y 88 U 128 8 183 V 128 8 B Y 455 U 128 8 2 4 图像采集流程 使用 V4L2应用编程接口提供的有关数据结构定义和函数 编写图像采集程序 程序流程图如图 4 所示 图 4 图像采集流程图 打开摄像头 OpenCam int fdcam open dev video0 O RDWR 0 L inuxuvc驱动自动为摄像头创建一个 dev video0节点 打开摄像 头获取相应的文件描述符后便把设备当成文件进行操作 初始化摄像头 InitCam JHJdefineW IDTH 640 图像宽度的宏定义 JHJdefineHEIGHT 480 图像宽度的宏定义 struct v4l2 cropcap cropcap struct v4l2 for mat f m t f m t type V4L2 BUF TYPE VIDEO CAPTURE f m t f m t pix pixelformat V4L2 PIX FMT YUYV 像素格 式 f m t f m t pix w idth W IDTH 图像宽度赋值 f m t f m t pix height HEI GHT 图像高度赋值 if 1 ioctl fdcam VIDI OC S FMT exit 1 设置图像格 式 文中设置采 集的 像 素格 式为 YUYV 格 式 图 像大 小为 640 x480 图像 高度 和宽 度的 取值 即 f m t f m t pix w idth和 f m t f m t pix height的值应满足以下条件 7 1 16的整数倍 2 大小比例适当 不能超过 cropcap结构体中 cropcap bounds w idth和 height的值 33拍摄时间设置 struct ti meval tv 59 微 计 算 机 应 用 2010年 tv tv sec 180 tv tv usec 0 设置图像采集时间为 180s 即每隔 3分钟采集图像数据进行下一步处理 44图像数据处理 I mageDataProcess 该函数用于 YUV色彩空间到 RGB色彩空间的格式转换 采用移位运算代替浮点数运算 从而节省大量 色彩空间转换时间 55写入位图文件 W riteBMP 写入位图文件头 位图信息头和色彩空间转换所得的 RGB数据组成 24位位图 并保存至 CF卡 5 图像显示 L inux通过 Fra m eBuffer 帧缓冲器 为 LCD提供了抽象描述 它同时代表了 LCD控制器上的显存 应用 程序可以通过定义好的 API函数访问 LCD控制器 系统通过将摄像头采集到的图像数据发送至 Fra m eBuffer 实现摄像头图像的实时显示 3 3 GPS模块 1 GPS技术及协议 GPS Global Positioning System 即全球卫星定位系统 是具有全方位实时三维导航与定位能力的卫星 导航与定位系统 GPS在出行路线规划及导航 车辆跟踪 车辆运营管理和调度等方面得到广泛的应用 8 GPS模块通过 UART串行通信接口以 TTL电平与嵌入式 L inux平台进行数据传输 因此 GPS的数据采集在 实现上即是 L inux下的串口编程 本系统的 GPS模块采用 NMEA0183协议 9 NMEA 0183协议报文的语 句串 ASCII字符 格式如图 5所示 AAXXX DDD DDD HH 图 5 NMEA 0183报文协议 图 5中 MYM 为起始位 AA为识别符 XXX为语句名 如 GPGGA GPRMC等 用于区分不同的定位语 句 号用于区分不同的字段信息 DDD DDD为数据字段 字母或数字 表示具体的时间 经纬度 速度 日期等数据信息 表示后面两位是校验和 HH 表示 MYM 与 之间所有字符代码的校验和 分别为回车和换行控制符 表示一帧报文的结束 2 GPS数据采集 与访问 USB摄像头相似 GPS设备在 Linux操作系统中以文件 形式来操作 因此对 GPS的访问将可通过 open close read 等函数来实现 文中设定设备的访问的节点为 dev ttyS0 GPS数据处理流程如图 6所示 打开 GPS通信串口 OpenGPS int fdgps open dev ttyS0 O RDWR O NOCTTY O RDWR表示以读写方式打开 O NOCTTY表示串口不是控制 终端 初始化串口 InitUart struet ter m ios gpsoptions 串口参数配置的结构体 gpsoptions c cflag CS8 8位数据位 gpsoptions c cflag 无奇偶校验位 gpsoptions c cflag 无停止位 gpsoptions c lflag 60 10期 王少猛 等 基于 ARM L inux的驾驶员路面考试监控系统设计 原始输入模式 使输入字符与接收到的字符相同 gpsoptions c cc VT I ME 10 设置超时计时器为 10 x0 1 1秒 gpsoptions c ce VM I N 76 设置读取的最小字符数为 76个 cfsetispeed 设置输入波特率为 4800 tcflush fdgps TCIOFLUSH 丢弃队列中尚未传送或接收的数据 tcsetattr fdgps TCSANOW 设置串口参数 判断数据是否是定位信息 GpsDataCheck int nByteRead read fdgps bu f LENGTH if buf 0 MYM buf 3 R buf 4 M buf 5 C 检查语句串头若为 RMC 且校验和正确则表示此语句为定位语句 否则丢弃 定位信息处理 GPSDataProcess 根据 NMEA 0183协议解析其中的日期 时间 经纬度和速度等信息 将日期和时间信息转换为北京时 间 并以一定格式写入文件保存至 CF卡 图 7 系统硬件 3 4 人机交互模块 在 CF卡中保存驾驶员姓名和 ID等信息 字符液晶 用于显示用户信息 驾驶员通过按键选择个人