胡 偉，陳儀香

（1 黃山學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 黃山 245041；2.華東師范大學(xué) 教育部軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用工程研究中心，上海 200062）

[機(jī)電與信息]

景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)

胡 偉1，2，陳儀香2

（1 黃山學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 黃山 245041；2.華東師范大學(xué) 教育部軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)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(lái)旅游業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，將會(huì)得到大力的發(fā)展。 智慧景區(qū)建設(shè)作為智慧旅游的重要組成部分，也成為研究的熱點(diǎn)。 在景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中引入軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法，運(yùn)用基于 SysML 的系統(tǒng)建模方式進(jìn)行系統(tǒng)的建模，可以使得設(shè)計(jì)周期大大地縮短，設(shè)計(jì)的靈活性也得到很大地提高，系統(tǒng)的開(kāi)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(shè)計(jì)；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(shè)的重要組成部分，主要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、3G/4G 通訊、三網(wǎng)融合等新技術(shù)，通過(guò) Internet或移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，借助智能手機(jī)、ipad 等便攜式終端，主動(dòng)感知旅游資源等相關(guān)信息。人們及時(shí)地掌握了這些信息，就可以合理地安排旅游計(jì)劃，從而達(dá)到對(duì)資源的合理調(diào)配、方便利用的效果。智慧旅游將是未來(lái)旅游業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，它很大程度上改變了傳統(tǒng)旅游業(yè)的運(yùn)營(yíng)模式，它是旅游業(yè)信息化發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)，一方面可以給游客們帶來(lái)便利，另一方面也給旅游業(yè)管理者和經(jīng)營(yíng)者們 帶 來(lái)一場(chǎng) 深 刻的 變革[1]。

智慧景區(qū)建設(shè)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(luò)，實(shí)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(yīng)用于景區(qū)的旅游管理，從而更加有效地保護(hù)旅游資源，為游客提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)景區(qū)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等的全面可持續(xù)發(fā)展。智慧景區(qū)建設(shè)技術(shù)主要涉及智能物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、云計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 與整 合等 方面 的 技術(shù)[2]。

2 問(wèn)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(shí)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(jìn)行信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)景區(qū)內(nèi)人人互聯(lián)、人機(jī)互聯(lián)、機(jī)機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)景區(qū)內(nèi)各種事務(wù)進(jìn)行更加透徹的感知，并以此作為智慧化輔助決策的基礎(chǔ)。

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(shè)計(jì)是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的重要技術(shù)之一，即在整個(gè)系統(tǒng)及定義的基礎(chǔ)上，對(duì)軟件和硬件進(jìn)行同時(shí)的協(xié)調(diào)和設(shè)計(jì)。其中包括軟硬件劃分（即哪部分功能使用硬件實(shí)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(kāi)發(fā)以及聯(lián)合的調(diào) 試[3]。 軟 硬件協(xié) 同 設(shè)計(jì) 是 要 求在 設(shè)計(jì)過(guò) 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(dá)到靈活地設(shè)計(jì)系統(tǒng)和有效的分配系統(tǒng)功能的一種設(shè)計(jì)方法，其對(duì)分布式實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究有著 巨 大 的 優(yōu)勢(shì) ，能 達(dá)到最高 效 的 設(shè) 計(jì)[4]。 如 圖 2 所示的 是 普適性 很強(qiáng)的軟 硬件協(xié) 同 設(shè)計(jì) 的 方 法流 程[3]。

圖2 軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)功能需求與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧景區(qū)建設(shè)按照設(shè)備層、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支持層、基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層4層架構(gòu)設(shè)計(jì)，其中最主要的在應(yīng)用層的設(shè)計(jì)。

景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)的應(yīng)用層主要包括各類(lèi)數(shù)據(jù)采集、基于動(dòng)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(yīng)用。具體的內(nèi)容按照以下幾個(gè)方面來(lái)構(gòu)建，如圖 3所示。

圖3 景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)應(yīng)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(jìn)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(bào)表統(tǒng)計(jì)緩慢，出錯(cuò)率較高，工作強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高度發(fā)展，加密技術(shù)和身份識(shí)別技術(shù)也越來(lái)越多地應(yīng)用于景區(qū)票務(wù)管理系統(tǒng)中來(lái)。電子門(mén)票自動(dòng)售檢票系統(tǒng)集成了計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、電子工程技術(shù)和機(jī)械工程技術(shù)，具有超強(qiáng)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(mén)禁系統(tǒng)

在旅游景區(qū)入口處安裝閘機(jī)進(jìn)行自動(dòng)檢票，目前常用的閘機(jī)有門(mén)式閘機(jī)和三桿旋轉(zhuǎn)式閘機(jī)，游客進(jìn)入景點(diǎn)時(shí)刷卡通過(guò)閘機(jī)，通過(guò)累積刷卡的次數(shù)可以得出游客進(jìn)入景區(qū)的數(shù)量。同時(shí)，景區(qū)出口處也安裝閘機(jī)驗(yàn)票并回收門(mén)票，當(dāng)游客刷卡離開(kāi)景點(diǎn)時(shí)，可以計(jì)算出游客離開(kāi)景區(qū)的數(shù)量。將進(jìn)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(jì)算出當(dāng)時(shí)景區(qū)的實(shí)時(shí)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(mén)禁系統(tǒng)，在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法，如圖4所示的是利用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)電子門(mén)禁系統(tǒng)進(jìn)行功能模塊劃分的劃分圖。

圖4 電子門(mén)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(diǎn)，在各個(gè)景點(diǎn)途經(jīng)處安裝攝像頭，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控各個(gè)景點(diǎn)區(qū)域內(nèi)游客的密集程度，同時(shí)也可以為景區(qū)內(nèi)防盜和防火管理提供實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控。各個(gè)景點(diǎn)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(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度和調(diào)配，將實(shí)時(shí)視頻信息傳輸至各個(gè)景點(diǎn)的 LED 顯示屏。

各個(gè)景點(diǎn)區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)信息采集點(diǎn)。游客持RFID 門(mén)票卡經(jīng)過(guò)這些信息采集點(diǎn)時(shí)，信息采集點(diǎn)智能采集游客 RFID 門(mén)票卡數(shù)據(jù)。 通過(guò)構(gòu)建好的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)將數(shù)據(jù)最終匯集到主控服務(wù)器，服務(wù)器經(jīng)過(guò)快速分析處理，最終能實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)出各個(gè)子景點(diǎn)中的實(shí)時(shí)游客人數(shù)，這為景區(qū)游客疏通，實(shí)時(shí)調(diào)度，安全管理等方面提供重要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

在各個(gè)景點(diǎn)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(gè)主要景點(diǎn)的實(shí)時(shí)視頻以及當(dāng)前的游客人數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，繪制景區(qū)人員分布熱力圖，以告知游客各個(gè)景點(diǎn)的實(shí)時(shí)情況，便于游客做出合理的游覽選擇。

景點(diǎn)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(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)。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(wù)系統(tǒng)

游客服務(wù)系統(tǒng)主要是開(kāi)發(fā)基于移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備的App 軟件，其可實(shí)現(xiàn)的功能如下：1.定位、導(dǎo)航功能。軟件通過(guò) 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(dǎo)航功能。 2.報(bào)警求助功能。提供與 GPS 定位相結(jié)合的報(bào)警求助服務(wù)功能。 3.自助導(dǎo)游講解功能。在已實(shí)現(xiàn)定位的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶(hù)所處位置提供自動(dòng)提醒、自動(dòng)講解等相關(guān)的景點(diǎn)信息服務(wù)功能。 4.最佳游覽路線(xiàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 綜合考慮當(dāng)前游客所處位置信息，自動(dòng)為游客規(guī)劃生成最佳的旅游線(xiàn)路。

3.2.5 災(zāi)損預(yù)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(lèi)寶貴的資源，需要得到更好的保護(hù)。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(duì)景區(qū)內(nèi)火災(zāi)的隱患做直接有效的監(jiān)測(cè)，做到防患于未然，可以更好地進(jìn)行火災(zāi)的預(yù)防、撲救等決策。景區(qū)游客眾多，文物保護(hù)方面的管理壓力也非常大，因此需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)構(gòu)建文物信息監(jiān)控、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方面的監(jiān)控預(yù)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(xì)致又準(zhǔn)確地描述所要開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)中各個(gè)層面的信息，從而為進(jìn)一步的分析和設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。目前主要的建模方法有基于統(tǒng)一建模語(yǔ)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(yǔ) 言 （System Modeling Language, SysML） 的 嵌 入 式 系 統(tǒng) 建 模 方 法[5]。 本 設(shè) 計(jì) 利 用Enterprise Architect 工具 實(shí) 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(lèi)圖等建模圖的繪制。

4.1 用例圖

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模時(shí)，用例圖是一種主要的分析工具，可以被用來(lái)作為系統(tǒng)情景圖，它是對(duì)系統(tǒng)或類(lèi)的行為進(jìn)行建模的核心。每張用例圖用來(lái)顯示一組用例、參與者和它們之間的泛化關(guān)系。用例圖對(duì)詳述、可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和對(duì)一個(gè)元素的文檔化行為都非常重要，它通過(guò)視圖的方式呈現(xiàn)了元素在語(yǔ)境中如何被使用，使系統(tǒng)、子系統(tǒng)和類(lèi)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(jiàn)的 SysML 圖。在模塊定義圖中可以顯示不同類(lèi)型的模型元素及其關(guān)系，用以說(shuō)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(shuō)明、值類(lèi)型、接口等。 它們之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系主要有關(guān)聯(lián)、依賴(lài)和泛化。如圖7給出了本系統(tǒng)中的系統(tǒng)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的模塊定義圖。

圖7 遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的模塊定義圖

4.3 類(lèi)圖

類(lèi)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(lèi)、接口以及它們之間的關(guān)系，類(lèi)圖主要用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)設(shè)計(jì)建模，大多數(shù)情況下它涉及到對(duì)系統(tǒng)的詞匯、協(xié)作和模式的建模，類(lèi)圖一方面對(duì)結(jié)構(gòu)模型的可視化非常重要，另一方面其對(duì)于詳述結(jié)構(gòu)模型和對(duì)其進(jìn)行文檔化也很重要，而且對(duì)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(lèi)圖。

圖8 控制端程序類(lèi)圖

5 系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件構(gòu)成主要有遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)和控制端硬件平臺(tái)。

5.1 遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)由 ARM 單片機(jī)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(lán)牙模塊、Zigbee 模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成，其硬件組成如圖 9所示。

圖9 遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)模塊硬件組成圖

5.2 控制端的硬件平臺(tái)組成

如圖 10 所示的是控制端硬件平臺(tái)的組成，包括服務(wù)器和 PC 端兩大部分。其中服務(wù)器端通過(guò)傳感器網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器與遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)連接，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。PC端計(jì)算機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)從服務(wù)器取得數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算和顯示功能。

圖10 控制端硬件組成圖

6 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要軟件平臺(tái)包括基于 ARM 開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程嵌入式節(jié)點(diǎn)上的軟件和基于服務(wù)器/PC 機(jī)的控制端程序兩大塊。

遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的主要工作任務(wù)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(wù)器，開(kāi)發(fā)的核心任務(wù)為傳感設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)接口驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。 圖 11描述了遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程。

圖11 遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的軟件工作流程圖

控制端程序的主要工作任務(wù)是匯總傳感器采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算操作，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行決策并發(fā)布相關(guān)的信息和公告。開(kāi)發(fā)的核心任務(wù)為基于 B/S 的桌面端程序的開(kāi)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)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(gè)景區(qū)智慧旅游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)使用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用基于 SysML 的系統(tǒng)建模方式進(jìn)行系統(tǒng)的建模。這樣的開(kāi)發(fā)方式使得設(shè)計(jì)周期大大地縮短，設(shè)計(jì)的靈活性也得到很大地提高。同時(shí)，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本特別是嵌入式節(jié)點(diǎn)設(shè)備的成本也得到降低，系統(tǒng)具備很強(qiáng)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(xué)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(wù)[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32（11）：3922-3924．

[3]陸佳華，潘祖龍，彭競(jìng)宇，等．嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)指南——基于 Xilinx ZYNQ[M]．北京：機(jī)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(jī) 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(jī) 械 工 業(yè) 出 版 社 ，2015:156-162．

責(zé)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(guó)內(nèi)外訪(fǎng)學(xué)研修重點(diǎn)項(xiàng)目（gxfxZD2016229）

胡偉（1978-），碩士，黃山學(xué)院信息工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

陳儀香（1961-），博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)協(xié)同規(guī)范語(yǔ)言設(shè)計(jì)、程序語(yǔ)義模型。