基于嵌入式系统的智能车辆出入管理系统研究

李景富，周 鹏

（黄淮学院 国际学院，河南 驻马店 463000）

由于现在汽车越来越普及，汽车的增长速度已经远远超过了道路发展的速度。截止2012年底数据统计，我国汽车年生产能力突破1 900万辆，达到了1 927.2万辆，比2010提高了4.6个百分点。这也标致着我国已正式迈入汽车社会，汽车进入家庭的速度是十分惊人的，目前多数家庭将拥有汽车，导致交通状况、汽车环境等管理进一步复杂化[1-2]。中国现在要面临比发达国家在交通上更严重的问题。城市化进程和汽车业的高速发展使得现今社会对智能交通的需求越来越高。但目前我国汽车社会规则不完善、风险加剧，许多汽车问题升级为社会问题，停车困难特别是小区和一些单位尤其明显。特别突出的是一些大型事业单位，位于城市相对繁华的地段，基本都是面向主干道，经常出现停车困难[3]。因此，如何对生活小区和一些单位的车辆进行智能化管理是目前面临的新的挑战。

嵌入式智能车辆出入管理系统研究就是针对上述的实际情况，结合现代先进高科技技术和产品，研发出一套先进、适用、经济、可靠的智能车辆出入管理系统。开发车牌的智能识别系统可以实现对车辆的智能管理。目前，对于城市的车辆监控管理上，应用车牌的智能识别系统非常广泛[4]，例如：大型的停车场，现在就用的是智能停车缴费系统，还可以实现对被盗窃的汽车追踪等。车牌智能识别系统的开发应用，提高了交通系统的安全，减少了交通堵塞，实现智能化的交通管理，可以促进社会信息化，促进社会经济的发展。因此，研究开发嵌入式的高性能的车牌智能识别系统，具有很好的市场前景，有很大的应用空间和潜力，对我国的交通体系的规划和发展起到积极的推动作用。本研究着眼于智能车辆嵌入式智能车辆出入管理系统研究。其目的是开发并完成一个集独立完成视频采集、车辆检测、车牌识别、语音报号、识别结果智能分析、自动报警、远程值班、远程监控为一体的嵌入式智能车辆出入管理系统。整个过程不需要人工处理，最重要的是不需要车主取磁条或刷卡等操作，这样既不耽误车主的时间，也提高车辆出入管理的效率。

1 小区车辆管理系统需求分析

1.1 系统功能需求分析

要实现对小区内的车辆出入管理的信息化、智能化和集成化，就需求有一个智能化车辆管理系统对小区内车辆实现智能化、自动化的管理。管理平台可以实现小区内车辆的出入自动智能识别、智能自动登记、不需要停车自动放行等功能，智能化车辆管理系统还可以实现对小区内出入的车辆信息进行实时查看，管理员可以对车辆出入小区的时间进行查询，对车辆缴费记录进行查询和及时的信息提醒等。开发的智能化车辆管理系统的功能需求如下：

1）车辆登记

对小区内的车辆进行登记，对登记过的车辆发放一个有源射频卡，在系统数据库中，输入保存该射频卡的卡号和对应车辆的相关信息。系统中有了这台车辆的信息后，车辆管理系统会根据射频卡的卡号来对车辆进行识别。

对外来车辆的出入登记，由于外来车辆，系统里没有其基本信息，通过门闸时，值班的门卫要发放临时通行卡，系统通过射频读写器对该车辆的临时卡的识别，放行并记录该车辆的进出小区的时间，当外来车辆离开小区时对其进行适当收取管理费。

2）实现小区内车辆智能识别、记录进出车辆

由于车辆智能管理系统运用射频识别技术，对登记过信息的车辆进出闸门的，具有自动识别、智能控制的功能，并对进出信息进行记录，保存到数据库。实现当其通过门闸时，识别系统会自动识别车辆的信息、通过对比数据库保存的该车的资料信息、道闸栏杆和交通信号灯自动控制等步骤，实时控制车辆通行，实现车辆以20～30 km/h的速度不停车进出。

3）自动生成数据报表

系统可以实现小区内出入车辆的信息统计和分析，具可以实时进行外来车辆的进出记录信息查询、统计和分析的功能。

4）保证数据的安全

系统要有车辆数据信息的自动备份和恢复功能，要保证当系统运行过程中，如果出现数据丢失或者损坏的情况，系统要能够恢复数据，保证系统的安全运行。

1.2 系统的具体工作流程

通过对车辆管理的实际调查情况分析，小区内的车辆智能管理系统工作的基本流程如图1所示。

图1 车辆管理基本流程Fig.1 Vehicle management basic flow

在小区内使用本系统时，首先要统计小区内的车辆，按照车辆牌照进行分类登记，对小区内登记过的车辆，给每一台车发放有源标签作为该车的标识。登记后的车辆拥有一个唯一的标签，在交费管理上车辆可以实现智能交费，对于按时交纳管理费用的车辆，在进出路过门闸时不需要在停车即可以自由通过。而对于非登记的外来车辆，在进入小区时，需要门卫给发放一张临时通行卡才能通过，当外来车辆需要离开小区时，智能系统会自动根据该车在小区内停留时间的长短计算出应收取的管理费用，车主交纳管理费用和归还临时通行卡后，方可放行通过。值班的人员通过监控视频可以实时监控，对出入小区的车辆情况及时观察和了解。物业管理处人员可以通过车辆智能管理系统的查询和统计功能来了解出入小区内车辆的情况。

在智能车辆管理系统的运行过程中，为了保证系统数据的安全性，要对系统的数据库进行备份，系统要有数据自动备份和还原功能。另外，对于不同的用户，要分别设置一定的权限，以防止系统的数据被恶意修改和删除。因此，依据对车辆智能管理系统的实际工作流程的分析，开发的系统管理要包括用户管理和数据库的备份与还原两大部分，对开发的小区车辆管理系统应实现以下功能：

1）车辆的智能管理:对小区的车辆实现登记、缴费、发卡等功能。对外来车辆实现临时通行卡的发放和管理费的收取等。

2）对小区实时监控:在小区内安装摄像头，通过摄像头可以对出入小区的车辆进行智能抓拍，值班人员通过监控设备可以观察出入小区的车辆情况。

3）实现对小区车辆的查询与统计:通过查询和统计功能，可以实现对出入小区的车辆进行信息统计。在系统中管理员可以对小区内车辆信息进行统计、修改和删除功能。

2 系统设计与实现

2.1 系统设计

由于车牌自动识别系统的特点是信号数字化，处理过程全是数字信号处理，涉及多种图像算法的结合，人为干预较少，高度自动化要求较高。本文设计的车牌识别系统以TMS320DM6437DSP处理模块为核心功能模块，前端连接图像采集模块，主要实现图像的采集和视频信息格式的转换[5]。用CCD摄像机采集图像，通过专用的低功耗视频信号模数转换芯片将摄像机采集到的视频信号转换成 DSP视频前端接口可以识别的数字信号。DSP处理模块，主要功能是DSP处理器接收存储图像采集模块传输过来的数字信号，通过图像预处理，定位，分割，识别等算法将识别结构存储在指定内存区域。DSP处理模块将识别好的车牌信息以字符串的形式通过以太网接口发送到指定IP的上位机，上位机再将结果保存到数据库以便后期查询。 本文设计的车牌识别系统模块框图如图2所示。

图2 硬件系统模块框图Fig.2 The hardware system block diagram

2.2 系统功能实现

1）车牌图像的预处理

由车牌定位的过程就是在截取的视频流的一帧图像中找到车牌的区域，并不断缩小车牌区域的范围，为后面的字符分割提供更多的有用信息，是整个识别系统软件流程的第一步。本文采用基于灰度图像的车牌定位。定位方法利用车牌区域的字符纹理较其他区域丰富的特点来定位。将一副彩色图像灰度化以后，其图像信息已经丢失了很多。而通常情况下，干扰信息和噪声在彩色图像中占的比重非常小，图像灰度化以后这些干扰因素就会占据整个图像信息的很大一部分，所以对灰度化以后的图像进行预处理，使车牌区域的特征表现的更加明显，并且抑制图像背景干扰和噪声的干扰是非常必要的。

受天气和光照强度的影响，摄像机拍摄到的视频图片在进行灰度化以后其灰度值可能比较集中，这样就形成灰度图片的灰度值总体不是偏小就是偏大，致使车牌区域与背景区域的反差不明显，即对比度较低。为了增加目标区域与背景区域的对比度，可以对灰度图像进行直方图均衡。然后再进行图像的二值化处理，就是将一副灰度图像的灰度级别根据一个设定的灰度级别分成两部分，大于该设定灰度级别的像素灰度设置成255，即最高灰度级别，小于该设定灰度级别的像素灰度设置成0，即最低灰度级别。这样图像就变成了只有最亮和最暗区域的“黑白”图像。观察车牌图像的二值化结果，整幅图像用肉眼看就能看到很多噪点，也即孤立的两点或者亮块，他们对车牌区域必定形成干扰。为了进一步减少车牌定位时背景以及车身自身的干扰，采取先腐蚀再膨胀的操作来消除一定的孤立噪点。

2）车牌定位和字符分割

车牌定位的常用车牌的上下边界定位和车牌的左右边界定位，上下边界的方法可以将车牌的上下边界十分精确的锁定在车牌字符的上下边缘，然后用对二值化后的图像提取Yfmin与Yfmax坐标范围内的图片进行分析来确定车牌的左右边界。将该区域的二值化图像进行水平投影并将像素灰度级别累加。通过车牌区域精确定位以后，采取纵向投影法来进行字符分割的操作。将预处理后的车牌图像进行垂直投影，投影效果大致为7个波峰，每个波峰之间的波谷位置即为车牌中各个字符之间的分割点，精确定位每个字符的上下边界与左右边界。由于车牌定位的精确性，可以完全提取车牌区域的二值化图片进行垂直投影，其投影结果为在x轴方向分布的一维数组。

3）系统功能实现

系统采用应用层、逻辑层和数据层的三层架构，有良好的可扩充性[6]。基于linux操作系统平台，采用QT和java语言进行设计并实现对前台结构的搭建、用PSQL部署主从数据库、基于XML面向服务的PARKSERVER接口设计、外设通用接口RS232/485/IO口，系统高版本支持低版的硬件及低层前端软件[7]。可进行二次开发的自主项目，以适应跨平台的需要。

3 结束语

本系统解决了目前小区内对车辆出入的智能化管理，针对车辆身份识别和对比认证方式，实现了对出入车辆的自动智能识别，提高了车辆通行的速度，有效保障了出入车辆的畅通，智能化车辆管理系统的实现，降低了门卫值班工作人员的劳动强度，同时，也提高了小区内车辆的安全管理。

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[3]刘鹏.自动检测与识别技术在停车管理系统中的应用[J].中国安防，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，郭建华，等.基于车牌自动识别立体车库智能停车管理系统研究[J].机床与液压，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.

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[6]丁林松，黄丽琴.Qt4图形设计与嵌入式开发[M].北京：人民邮电出版社，2009.

[7]成洁，卢紫毅.Linux窗口程序设计—Qt4精彩对象分析[M].北京：清华大学出版社，2008.