景区智慧旅游系统的软硬件协同设计

胡 伟，陈仪香

（1 黄山学院 信息工程学院，安徽 黄山 245041；2.华东师范大学 教育部软硬件协同设计技术与应用工程研究中心，上海 200062）

[机电与信息]

景区智慧旅游系统的软硬件协同设计

胡 伟1，2，陈仪香2

（1 黄山学院 信息工程学院，安徽 黄山 245041；2.华东师范大学 教育部软硬件协同设计技术与应用工程研究中心，上海 200062）

智慧旅游作为“互联网+”形式下未来旅游业发展的趋势，将会得到大力的发展。 智慧景区建设作为智慧旅游的重要组成部分，也成为研究的热点。 在景区智慧旅游系统的设计中引入软硬件协同设计的方法，运用基于 SysML 的系统建模方式进行系统的建模，可以使得设计周期大大地缩短，设计的灵活性也得到很大地提高，系统的开发成本也能得到降低。

智慧旅游；“互联网+”；软硬件协同设计；SysML；系统建模

1 引 言

智慧旅游是在“互联网+”下利用 Internet和传统行业结合在一起的一种尝试，它是智慧地球建设的重要组成部分，主要通过物联网、云计算、3G/4G 通讯、三网融合等新技术，通过 Internet或移动互联网，借助智能手机、ipad 等便携式终端，主动感知旅游资源等相关信息。人们及时地掌握了这些信息，就可以合理地安排旅游计划，从而达到对资源的合理调配、方便利用的效果。智慧旅游将是未来旅游业发展的趋势，它很大程度上改变了传统旅游业的运营模式，它是旅游业信息化发展的顶层设计，一方面可以给游客们带来便利，另一方面也给旅游业管理者和经营者们 带 来一场 深 刻的 变革[1]。

智慧景区建设是智慧旅游的重要组成部分，它是指结合景区特性，构建智慧网络，实现景区旅游的智能化发展，高度集成最新管理理念和技术成果，全面应用于景区的旅游管理，从而更加有效地保护旅游资源，为游客提供更优质的服务，同时实现景区环境、经济等的全面可持续发展。智慧景区建设技术主要涉及智能物联网、嵌入式系统设计、云计算和数据存储 与整 合等 方面 的 技术[2]。

2 问题描述

2.1 系统框架

如图1所示的是构建景区智慧旅游的系统架构。为了完整地实现支持可持续发展的“景区智慧旅游系统”功能，参照 IBM 提出的“智慧地球”的层次架构，智慧景区可按照 4层架构结构进行信息化建设，实现景区内人人互联、人机互联、机机互联，实现对景区内各种事务进行更加透彻的感知，并以此作为智慧化辅助决策的基础。

图1 景区智慧旅游的系统架构图

2.2 系统研究方法和技术

软硬件协同设计是嵌入式系统设计开发中的重要技术之一，即在整个系统及定义的基础上，对软件和硬件进行同时的协调和设计。其中包括软硬件划分（即哪部分功能使用硬件实现，哪部分功能使用软件完成）、软件系统和硬件系统的具体开发以及联合的调 试[3]。 软 硬件协 同 设计 是 要 求在 设计过 程 的初期就将软件系统与硬件系统两方面结合在一起考虑，以达到灵活地设计系统和有效的分配系统功能的一种设计方法，其对分布式实时嵌入式系统的设计研究有着 巨 大 的 优势 ，能 达到最高 效 的 设 计[4]。 如 图 2 所示的 是 普适性 很强的软 硬件协 同 设计 的 方 法流 程[3]。

图2 软硬件协同设计流程

3 系统总体设计方案

3.1 系统功能需求与整体结构设计

智慧景区建设按照设备层、基础网络支持层、基础设施网络层和应用层4层架构设计，其中最主要的在应用层的设计。

景区智慧旅游系统的应用层主要包括各类数据采集、基于动态规划的决策、视频、图像、调度管理以及大数据处理等方面的应用。具体的内容按照以下几个方面来构建，如图 3所示。

图3 景区智慧旅游系统应用层

3.2 系统的构建

3.2.1 构建自助售票系统

目前，大多数景区的售票管理模式都是采用人工售票以及在景区入口处进行人工检票的方式执行。由于采用人工操作的方式，普遍存在着操作速度慢，报表统计缓慢，出错率较高，工作强度大等缺点。随着计算机和网络技术的高度发展，加密技术和身份识别技术也越来越多地应用于景区票务管理系统中来。电子门票自动售检票系统集成了计算机软硬件技术、电子工程技术和机械工程技术，具有超强的智能化功能，节省了大量的人力成本，也能够大大地提高景区整体的形象和工作效率。

3.2.2 构建电子门禁系统

在旅游景区入口处安装闸机进行自动检票，目前常用的闸机有门式闸机和三杆旋转式闸机，游客进入景点时刷卡通过闸机，通过累积刷卡的次数可以得出游客进入景区的数量。同时，景区出口处也安装闸机验票并回收门票，当游客刷卡离开景点时，可以计算出游客离开景区的数量。将进口汇总的游客数量和出口汇总后的游客数量相减即可计算出当时景区的实时游客数量。

作为景区信息化系统的嵌入式终端之一的电子门禁系统，在开发设计的过程中可以采用软硬件协同设计方法，如图4所示的是利用软硬件协同设计技术对电子门禁系统进行功能模块划分的划分图。

图4 电子门禁系统功能划分图

3.2.3 景区决策指挥系统

通常景区内都有大大小小的众多景点，在各个景点途经处安装摄像头，可以实时地监控各个景点区域内游客的密集程度，同时也可以为景区内防盜和防火管理提供实时的视频监控。各个景点的视频数据传输至景区智慧旅游系统，并由景区决策指挥子系统进行统一的调度和调配，将实时视频信息传输至各个景点的 LED 显示屏。

各个景点区域内设置多个信息采集点。游客持RFID 门票卡经过这些信息采集点时，信息采集点智能采集游客 RFID 门票卡数据。 通过构建好的无线传感网将数据最终汇集到主控服务器，服务器经过快速分析处理，最终能实时统计出各个子景点中的实时游客人数，这为景区游客疏通，实时调度，安全管理等方面提供重要的实时数据。

在各个景点的入口处及游客主要休息区安装信息显示 LED 屏。 大屏显示各个主要景点的实时视频以及当前的游客人数的实时数据，绘制景区人员分布热力图，以告知游客各个景点的实时情况，便于游客做出合理的游览选择。

景点视频采集系统和信息采集系统是典型的分布式嵌入式系统，结合着公共发布系统在一起的决策指挥子系统同样采用软硬件协同设计方法来设计。如图5描述了决策指挥系统的模块软硬件功能划分。

图5 决策指挥系统功能划分图

3.2.4 游客服务系统

游客服务系统主要是开发基于移动互联设备的App 软件，其可实现的功能如下：1.定位、导航功能。软件通过 RFID 定位技术和 GPS 定位技术相结合的方式为游客提供定位、导航功能。 2.报警求助功能。提供与 GPS 定位相结合的报警求助服务功能。 3.自助导游讲解功能。在已实现定位的基础上，根据用户所处位置提供自动提醒、自动讲解等相关的景点信息服务功能。 4.最佳游览路线的设计与实现。 综合考虑当前游客所处位置信息，自动为游客规划生成最佳的旅游线路。

3.2.5 灾损预警系统

众多景区有大量的名胜古迹和森林资源，这些都是人类宝贵的资源，需要得到更好的保护。景区内森林覆盖面通常比较广，加上游客人数众多，管理非常困难。因此，对景区内火灾的隐患做直接有效的监测，做到防患于未然，可以更好地进行火灾的预防、扑救等决策。景区游客众多，文物保护方面的管理压力也非常大，因此需要通过无线传感网构建文物信息监控、数据监测方面的监控预警系统。

4 系统建模

系统建模是软件工程的重要环节之一，就是建立起系统的抽象模型，从而细致又准确地描述所要开发的系统中各个层面的信息，从而为进一步的分析和设计奠定基础。目前主要的建模方法有基于统一建模语言 UML的嵌入式系统建模方法和基于模型 系 统 工 程 （Model Bases Systems Engineering, MBSE）的系 统 建 模 语 言 （System Modeling Language, SysML） 的 嵌 入 式 系 统 建 模 方 法[5]。 本 设 计 利 用Enterprise Architect 工具 实 现基于 SysML1.1 的 系 统建模，其中包括用例图、模块定义图和类图等建模图的绘制。

4.1 用例图

对系统进行动态建模时，用例图是一种主要的分析工具，可以被用来作为系统情景图，它是对系统或类的行为进行建模的核心。每张用例图用来显示一组用例、参与者和它们之间的泛化关系。用例图对详述、可视化系统设计和对一个元素的文档化行为都非常重要，它通过视图的方式呈现了元素在语境中如何被使用，使系统、子系统和类等易于被探讨和理 解[5]。 图 6 是 决 策 指 挥 系 统 模 块 基 于 SysML1.1 的用例图。

图6 决策指挥系统模块用例图

4.2 模块定义图

模块定义图（BDD）是一种最常见的 SysML 图。在模块定义图中可以显示不同类型的模型元素及其关系，用以说明系统结构的信息。在模块定义图中显示的模型元素有模块、约束模块、执行者、流说明、值类型、接口等。 它们之间的结构关系主要有关联、依赖和泛化。如图7给出了本系统中的系统远程节点的模块定义图。

图7 远程节点的模块定义图

4.3 类图

类图是面向对象的系统建模中最常用的图之一，通常它显示一组类、接口以及它们之间的关系，类图主要用于对系统进行静态设计建模，大多数情况下它涉及到对系统的词汇、协作和模式的建模，类图一方面对结构模型的可视化非常重要，另一方面其对于详述结构模型和对其进行文档化也很重要，而且对于系统的正向工程和逆向工程的构造同样非常重要。图8给出了本系统中的控制端程序的类图。

图8 控制端程序类图

5 系统硬件平台的设计

系统的硬件构成主要有远程节点硬件结构和控制端硬件平台。

5.1 远程节点硬件设计

远程节点由 ARM 单片机最小系统、 供电系统、温度传感器、 湿度传感器、RFID 传感器、 高清摄像头、红外传感器、蓝牙模块、Zigbee 模块、电机驱动模块等组成，其硬件组成如图 9所示。

图9 远程节点模块硬件组成图

5.2 控制端的硬件平台组成

如图 10 所示的是控制端硬件平台的组成，包括服务器和 PC 端两大部分。其中服务器端通过传感器网关协调器与远程节点连接，进行相应的数据处理。PC端计算机通过局域网从服务器取得数据进行相应运算和显示功能。

图10 控制端硬件组成图

6 软件平台设计

系统的主要软件平台包括基于 ARM 开发的远程嵌入式节点上的软件和基于服务器/PC 机的控制端程序两大块。

远程节点的主要工作任务是利用传感器采集各种数据并利用传感网传回到服务器，开发的核心任务为传感设备驱动程序的开发和网络接口驱动程序的开发。 图 11描述了远程节点的软件工作流程。

图11 远程节点的软件工作流程图

控制端程序的主要工作任务是汇总传感器采集的数据并进行相应的运算操作，并根据计算结果进行决策并发布相关的信息和公告。开发的核心任务为基于 B/S 的桌面端程序的开发和网络通讯接口编程。 图 12描述了控制程序的软件工作流程。

图12 控制程序的软件工作流程图

7 结 论

本文介绍了一个景区智慧旅游系统的设计方法，系统使用软硬件协同设计的方法进行设计，运用基于 SysML 的系统建模方式进行系统的建模。这样的开发方式使得设计周期大大地缩短，设计的灵活性也得到很大地提高。同时，系统的开发成本特别是嵌入式节点设备的成本也得到降低，系统具备很强的普适性。

[1]张 凌 云 ，黎崾，刘 敏．智 慧 旅 游 的 基 本 概 念 与 理 论 体 系[J]．旅游学刊，2012，27（5）：66-73．

[2]邓贵平，邵振峰．基于视频巡航的九寨沟智慧景区管理与服务[J]．计算机工程与设计，2011，32（11）：3922-3924．

[3]陆佳华，潘祖龙，彭竞宇，等．嵌入式系统软硬件协同设计实战指南——基于 Xilinx ZYNQ[M]．北京：机械 工 业出版社，2014：85-88．

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

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

责任编辑：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

安徽省高校优秀中青年骨干人才国内外访学研修重点项目（gxfxZD2016229）

胡伟（1978-），硕士，黄山学院信息工程学院讲师，研究方向为嵌入式系统、软硬件协同设计、计算机系统结构；

陈仪香（1961-），博士，教授，博士生导师，研究方向为物联网、实时协同规范语言设计、程序语义模型。