摘要：為提高安防措施，延緩不法分子動(dòng)作，確保營(yíng)區(qū)安全，提出一種營(yíng)區(qū)智能防沖擊系統(tǒng)解決方案。該方案以移動(dòng)物體的外形形狀、車牌信息、車輛速度為輸入特征，采用虛擬線圈感應(yīng)、車牌識(shí)別、車輛測(cè)速、系統(tǒng)控制等方法來實(shí)現(xiàn)預(yù)警警告和阻車釘?shù)淖詣?dòng)彈出，阻止不法車輛的通行。重點(diǎn)闡述該方案的系統(tǒng)構(gòu)成及各模塊的工作原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Virtex 5系列XC5VSX50T芯片的硬件平臺(tái)。
關(guān)鍵詞：Virtex 5；虛擬線圈；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；車牌識(shí)別；車輛測(cè)速；防沖擊系統(tǒng)

0 引言
    近年來，國(guó)際國(guó)內(nèi)安全形勢(shì)不容樂觀，恐怖活動(dòng)呈上升趨勢(shì)。因種種問題沖擊政府、軍隊(duì)、企業(yè)的事件逐年增多，其中就有恐怖分子利用汽車為作案工具攜帶爆炸裝置沖入目標(biāo)單位引爆，造成傷亡的案例。如何才能對(duì)犯罪嫌疑車輛實(shí)施迅速有效的設(shè)卡攔截，給公安、武警提出了新的課題，提高智能攔截性已經(jīng)是當(dāng)務(wù)之急。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)大多數(shù)營(yíng)區(qū)的營(yíng)門安防措施較為單一，防御車輛沖擊設(shè)備基本為減速帶、阻車釘?shù)?，而且阻車釘均為有線、或無(wú)線遙控式觸發(fā)。由于恐怖活動(dòng)事發(fā)突然，汽車快速闖入營(yíng)區(qū)，值守人員來不及做出反應(yīng)，阻車釘不能在適當(dāng)時(shí)機(jī)彈出。因此，為確保政府、軍隊(duì)、企業(yè)等目標(biāo)單位安全，設(shè)計(jì)一種營(yíng)區(qū)防沖擊系統(tǒng)，通過模擬線圈感應(yīng)、車牌識(shí)別、車輛測(cè)速、系統(tǒng)控制、預(yù)警警告等技術(shù)使阻車釘自動(dòng)彈出，可以對(duì)恐怖分子駕車沖擊營(yíng)區(qū)實(shí)施有效的攔截。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖及各部分工作原理
1．1 智能營(yíng)區(qū)防沖擊管理系統(tǒng)方案
    政府、軍隊(duì)、企業(yè)等單位一般都設(shè)有車輛出入專用車道，且都有警衛(wèi)人員，如圖1所示。

    當(dāng)車輛行駛至營(yíng)門出入口處10 m，即圖1中的虛擬線圈感應(yīng)區(qū)時(shí)，攝像機(jī)自動(dòng)檢測(cè)車輛的車牌信息。其基本流程為：車輛是否為本單位車輛→阻車釘是否彈出。經(jīng)判斷后，對(duì)出入營(yíng)區(qū)的車輛分以下三種情況來處理：
    (1)本單位車輛
    當(dāng)車輛到達(dá)虛擬線圈感應(yīng)區(qū)時(shí)，系統(tǒng)即自動(dòng)識(shí)別該車車牌，并判斷是否為本單位車輛，若是本單位車輛，系統(tǒng)清零，攝像機(jī)復(fù)位，測(cè)速設(shè)備不工作，系統(tǒng)處閑置狀態(tài)。
    (2)臨時(shí)車輛
    當(dāng)車輛到達(dá)虛擬線圈感應(yīng)區(qū)時(shí)，系統(tǒng)判斷非本單位車輛，自動(dòng)抓拍，營(yíng)區(qū)值班員招停，并作好信息登記后，向駕駛員發(fā)出慢速駛?cè)霠I(yíng)區(qū)指令。如果該車未聽指令加速行駛，系統(tǒng)設(shè)有兩道測(cè)速線，車輛駛過第一道測(cè)速線，若超過限速，系統(tǒng)迅速?gòu)棾隽⒓礈p速警示牌并警鈴報(bào)警，提示駕駛員減速；車輛駛過第二道測(cè)速線，若未減速仍超過限速，阻車釘彈出，示為危險(xiǎn)車輛。
    (3)特殊車輛
    特殊車輛包括軍車、警車、救護(hù)車等，營(yíng)門值班人員可根據(jù)實(shí)際情況做出相應(yīng)處理。
1．2 智能營(yíng)區(qū)防沖擊系統(tǒng)的基本框圖
    本文所論述的營(yíng)區(qū)防沖擊系統(tǒng)理論上主要是基于FPGA和DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。利用FPGA來實(shí)現(xiàn)圖像及速度信號(hào)的采集與傳輸，系統(tǒng)的整體控制等操作。利用DSP的快速運(yùn)算能力來實(shí)現(xiàn)車牌的識(shí)別。該系統(tǒng)的基本框圖如圖2所示。

    攝像機(jī)不斷地往視頻解碼芯片A／D里傳輸監(jiān)控視頻流。當(dāng)車輛經(jīng)過觸發(fā)線時(shí)，觸發(fā)車輛檢測(cè)器，檢測(cè)器給FPGA一個(gè)檢測(cè)脈沖，觸發(fā)FPGA從視頻流中截取一幀圖像。FPGA緩存一行的圖像數(shù)據(jù)，行滿時(shí)利用中斷通知DSP獲取圖像。DSP利用EDMA從FPGA中獲取圖像數(shù)據(jù)，當(dāng)接收完一幀的圖像數(shù)據(jù)后，以幀為單位，啟動(dòng)算法開始對(duì)圖像進(jìn)行處理。獲得結(jié)果被寫入FPGA中與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)對(duì)比。測(cè)速信號(hào)由測(cè)速傳感器發(fā)送至FPGA中，在FPGA內(nèi)部直接處理，后根據(jù)判斷結(jié)果，發(fā)出控制信號(hào)決定警報(bào)器是否報(bào)警或阻車釘是否彈出。[!--empirenews.page--]
1．3 智能營(yíng)區(qū)防沖擊系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
   目前，應(yīng)用于模式識(shí)別、系統(tǒng)測(cè)速等設(shè)計(jì)方案大都采用兩片甚至更多微處理器的主從式結(jié)構(gòu)，一片負(fù)責(zé)高速數(shù)據(jù)采集任務(wù)，一片負(fù)責(zé)完成復(fù)雜的信號(hào)處理，如FPGA+DSP、ARM+DSP等。本文主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)有模擬線圈感應(yīng)設(shè)計(jì)、車牌自動(dòng)識(shí)別設(shè)計(jì)、汽車紅外光測(cè)速設(shè)計(jì)等，考慮到營(yíng)門區(qū)車流量較小，數(shù)據(jù)處理流量不大，但系統(tǒng)模塊化程度高等特點(diǎn)，結(jié)合FPGA+DSP結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了Xilinx公司Virtex 5系列的
XC5VSX50T芯片。如圖2所示。Virtex 5系列是第一個(gè)充分發(fā)揮了65 nm工藝性能、密度和成本優(yōu)勢(shì)的FPGA系列產(chǎn)品，提供550 MHz DSP48ESl-ice邏輯片支持，內(nèi)置有25×18MAC，能夠在資源使用率低于50 ％的情況下實(shí)現(xiàn)單精度浮點(diǎn)運(yùn)算。其特點(diǎn)是：速度等級(jí)更高、功耗更低、嵌入式處理器能力更強(qiáng)、DSP計(jì)算能力更大、簡(jiǎn)化了外部接口設(shè)計(jì)、成本進(jìn)一步降俯。因此根據(jù)既要完成系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集任務(wù)，也要完成復(fù)雜的信號(hào)處理的要求，該芯片達(dá)到系統(tǒng)需求，符合成本低、重量輕、功耗小等要求。
1．4 虛擬線圈感應(yīng)設(shè)計(jì)
    為提取車輛信息，防止移動(dòng)目標(biāo)混淆系統(tǒng)工作，產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷，采用一種虛擬線圈識(shí)別車型的方法。該方法將檢測(cè)線與虛擬線圈相結(jié)合，對(duì)提取的移動(dòng)信息進(jìn)行預(yù)處理，以觸發(fā)線檢測(cè)到達(dá)預(yù)先設(shè)置位置的移動(dòng)目標(biāo)，然后觸發(fā)虛擬線圈來提取移動(dòng)目標(biāo)特征，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識(shí)別出是否為車，是車判斷“1”，系統(tǒng)進(jìn)入下一步工作，不是車判斷“0”，系統(tǒng)復(fù)位，降低了系統(tǒng)出錯(cuò)率，達(dá)到系統(tǒng)正常工作的目的。
    觸發(fā)線是在圖像序列的適當(dāng)位置設(shè)置一個(gè)平行條狀的線型，當(dāng)有車輛進(jìn)入觸發(fā)線時(shí)，通過當(dāng)時(shí)觸發(fā)線位置的像素與相應(yīng)背景圖像觸發(fā)線位置的像素比較，如果觸發(fā)線位置像素灰度值變化大于一定的閾值，就認(rèn)為檢測(cè)到車輛到達(dá)檢測(cè)線的位置。如圖3所示。

    在圖3中，紅色方塊代表著虛擬線圈。虛擬線圈就是在圖像上設(shè)置一系列由N×N像素大小組成的方塊。由于車輛到達(dá)觸發(fā)線，觸發(fā)線檢測(cè)到2條黑色平行線間的像素變化，所以發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)接收到檢測(cè)線的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，可通過當(dāng)前幀與背景圖像的虛擬線圈位置的比較來判斷每個(gè)小線圈是否有車輛占據(jù)。如果大于一定閾值可判斷有車占據(jù)，并通過長(zhǎng)、寬和面積可判斷出具體車型。
1．5 車牌自動(dòng)識(shí)別設(shè)計(jì)
    汽車牌照自動(dòng)識(shí)別是該系統(tǒng)主要功能模塊之一。其功能是利用車牌是車輛身份的惟一標(biāo)識(shí)的思想概念來智能識(shí)別和統(tǒng)計(jì)車輛。它主要采用先進(jìn)的圖像處理、模式識(shí)別和人工智能技術(shù)，通過對(duì)車輛圖像的采集和處理，獲得車輛的數(shù)字化信息，以決定該車是否為本單位車輛。
    車牌自動(dòng)識(shí)別模塊由車牌圖像的捕獲，車牌識(shí)別，識(shí)別結(jié)果處理等部分組成。車牌圖像捕獲 主要是利用圖像采集裝置將攝像機(jī)所采集的圖像信息有效的傳輸至車牌識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)部，以便進(jìn)行進(jìn)一步的識(shí)別與處理。
    車牌識(shí)別  是指當(dāng)采集到的車牌圖像傳輸?shù)教幚砥鱔C5VSX50T芯片的DSP48e處理模塊后，進(jìn)行車牌的精確定位、濾波去噪處理、字符分割、字符識(shí)別等步驟，通過車牌識(shí)別模塊的核心識(shí)別算法來識(shí)別處車輛牌照的信息。如圖4所示。

    識(shí)別結(jié)果處理  識(shí)別結(jié)果由DSP發(fā)出后經(jīng)過FPGA系統(tǒng)內(nèi)部本單位車輛數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)比，進(jìn)行驗(yàn)證。是本單位車輛，放行，系統(tǒng)復(fù)位；不是本單位車輛，進(jìn)入下一步驟。[!--empirenews.page--]
1．6 汽車紅外光測(cè)速設(shè)計(jì)
    因雷達(dá)測(cè)速成本太高、線圈測(cè)速易老化和損壞，所以方案采用紅外光測(cè)速模式。測(cè)速模塊由4個(gè)紅外發(fā)光傳感器以及報(bào)警LED燈等系統(tǒng)構(gòu)成，分別為A，B，C，D四組，AB為第一組測(cè)速，后接報(bào)警器及LED限速燈，CD為第二組測(cè)速，以AB組為例，如圖5所示。

    圖5中A，B兩點(diǎn)是路旁一側(cè)上的兩點(diǎn)，分別安裝著可發(fā)射38 kHz的紅外發(fā)光管，相應(yīng)對(duì)面的兩點(diǎn)A’、B’處安放的光電接收器接收，共同組成一個(gè)光控測(cè)速區(qū)。當(dāng)有車輛通過光控測(cè)速區(qū)時(shí)，A點(diǎn)發(fā)出的光線首先被阻斷，第一個(gè)光電探測(cè)器A-A’將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送入信號(hào)調(diào)制電路，經(jīng)過放大、整形，送至FPGA處理器。FPGA接到此觸發(fā)信號(hào)，打開內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，時(shí)間t的值相應(yīng)不斷增加。當(dāng)汽車達(dá)到B點(diǎn)時(shí)，第二個(gè)光電探測(cè)器B-B’將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)制電路送至FPGA處理器使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，t的值就確定了。由A，B兩點(diǎn)間的距離S除以t便得到速度v。如果計(jì)算得到的v值在設(shè)定的安全速度范圍之內(nèi)，LED限速燈、報(bào)警電路就不工作，如果車輛由B駛向A，即反向駛出，系統(tǒng)也不工作；如果v值超出設(shè)定范圍之外，則計(jì)算速度偏移量△v=Vmax-v，如果△v<“O”，則LED限速燈閃亮、報(bào)警電路啟動(dòng)工作。

2 軟件流程
    Xilinx提供了AccelDSP綜合工具，該工具基于Matlab高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)Xilinx的DSP模塊，可自動(dòng)完成浮點(diǎn)到定點(diǎn)的轉(zhuǎn)換，生成可綜合的VH-DL或Verilog代碼，并為驗(yàn)證過程創(chuàng)建測(cè)試基準(zhǔn)向量。軟件部分主要功能是完成數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)的控制以及圖像處理運(yùn)算。系統(tǒng)軟件的執(zhí)行流程如圖6所示。

3 結(jié) 論
    本文提出了基于FPGA的智能營(yíng)門防沖擊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并闡述了主要模塊的設(shè)計(jì)方法。經(jīng)理論認(rèn)證，該系統(tǒng)對(duì)防范恐怖分子沖擊營(yíng)區(qū)有一定的作用，能夠克服突發(fā)情況下營(yíng)門值守人員的慢反應(yīng)，大大提高政府、部隊(duì)、企業(yè)營(yíng)區(qū)的安全性。