千承輝，王松，李映萱，魏慶麗

（吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院，長春 130026）

引 言

改革開放以來，中國的城市化步伐逐步加快。城市人口不斷增多，樓層的高度越來越高。近幾年發(fā)生了多次重大高層火災(zāi)，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。高層建筑火災(zāi)具有蔓延途徑多、煙火擴(kuò)散快，可燃物質(zhì)多、火災(zāi)荷載大，受困人員多、救援難度大等特點(diǎn)。由于上述特征，必然導(dǎo)致高層建筑火災(zāi)多發(fā)、火災(zāi)發(fā)生后火勢迅猛蔓延、人員大量被困以及消防官兵到場后火災(zāi)撲救異常艱難的局面[1]。對于高層的救援行動(dòng)，準(zhǔn)確地了解樓宇內(nèi)人員的分布情況非常重要，可以使救援更加具有針對性，為救援爭得最寶貴的時(shí)間。

目前的人流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)采用的大多是單一的探測手段[2]，誤差較大。有一些復(fù)雜的系統(tǒng)，例如基于圖像傳感器（Charge－Coupled Device，CCD）的圖像采 集系統(tǒng)[3－4]，操作復(fù)雜、獲取信息困難、數(shù)據(jù)量大、成本較高，不適合大面積的使用和推廣。開發(fā)一套成本低、應(yīng)用范圍廣、操作簡便的系統(tǒng)顯得十分必要。因此，針對目前現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)了一套基于人流量統(tǒng)計(jì)的災(zāi)害救援系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多傳感器的探測方式，使采集的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確；數(shù)據(jù)傳送采用無線傳輸模式，節(jié)約成本、減少布線；供電系統(tǒng)采用直接供電和蓄電池供電雙路供電的方式，保證系統(tǒng)在突發(fā)事件導(dǎo)致主電源被切斷的情況下仍然可以繼續(xù)工作，當(dāng)災(zāi)害來臨的時(shí)候數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)中斷。

1 總體設(shè)計(jì)方案

為了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠地測量人流量，系統(tǒng)采用多傳感器、無線傳輸、雙路供電的方式，系統(tǒng)框圖如圖1所示。人流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊、主機(jī)及顯示模塊、電源管理模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊采用光電傳感器和超聲傳感器相結(jié)合的方式，通過光電傳感器的脈沖信號(hào)來確定人員進(jìn)出的方向，通過超聲傳感器來判斷通過人員的數(shù)量。從機(jī)控制器將兩個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行前期的初步處理，把處理好的數(shù)據(jù)通過無線傳輸發(fā)射端，按照無線通信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。主機(jī)在無線傳輸接收端接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理后送給顯示模塊進(jìn)行顯示。

整個(gè)系統(tǒng)采用雙路供電的方式，主電源為交流電轉(zhuǎn)化直流電，副電源為蓄電池輸出直流電。正常情況時(shí)采用主電源供電，當(dāng)突發(fā)災(zāi)害來臨時(shí)可能導(dǎo)致交流電供應(yīng)故障，此時(shí)系統(tǒng)通過電源檢測自動(dòng)切換到蓄電池供電模式。由于系統(tǒng)的能耗較低，蓄電池的電能可以確保完成救災(zāi)任務(wù)。雙路供電和無線傳輸?shù)呐浜鲜褂?，保證了系統(tǒng)在火災(zāi)的時(shí)候仍然可以正常工作，能夠有效地支持救援行動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制核心，超聲模塊和紅外模塊將信號(hào)以脈沖的形式送給從機(jī)，再通過無線傳輸與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主機(jī)處理數(shù)據(jù)后顯示其結(jié)果。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

該模塊的主要部分采用的是紅外傳感器和超聲傳感器，紅外傳感器由發(fā)射端和接收端組成。脈沖的時(shí)序如圖2所示。當(dāng)沒有人員通過時(shí)，輸出的信號(hào)為低電平；當(dāng)有人員通過時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)上升沿，計(jì)一次脈沖[5]。將兩個(gè)相同的傳感器前后并排放置，通過判斷接收到脈沖的先后順序，判斷人員的進(jìn)出方向[6]。

圖2 紅外傳感器產(chǎn)生的脈沖

超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法（Time Of Flight，TOF）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度，就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離[7]。利用超聲傳感器的測距功能，將發(fā)射端和接收端置于一側(cè)，通過探測超聲波到達(dá)物體后反射回來的信號(hào)，來獲得一側(cè)的距離La。在另一端，裝一個(gè)同樣的超聲傳感器，獲得另一側(cè)的距離數(shù)據(jù)Lb。將這兩個(gè)傳感器置于相同的適當(dāng)高度，用兩個(gè)超聲傳感器之間的距離Lc，減去兩個(gè)傳感器獲得的距離和（La＋Lb），最終得到通過人員的寬度X，X＝Lc－（La＋Lb）。超聲模塊檢測原理如圖3所示。當(dāng)X小于1.5m時(shí)，計(jì)為1人；超過1.5m時(shí)，計(jì)為2個(gè)人（3個(gè)人同時(shí)并排通過的幾率很小，可以忽略）。通過紅外傳感器和超聲傳感器聯(lián)合使用的方式可以大大地減少單一傳感器造成的計(jì)數(shù)誤差。

圖3 超聲模塊檢測原理

2.2 無線傳輸模塊

無線通信方式具有降低布線難度、減少故障發(fā)生率、節(jié)約原材料等優(yōu)點(diǎn)。無線傳輸采用CC1101模塊，該模塊使用的通信頻段為433MHz（免費(fèi)ISM頻段免許可證），抗干擾能力較好，以串口通信方式提供多達(dá)256個(gè)通道，功耗低，傳輸距離可達(dá)200m以上，可以基本滿足要求。以51單片機(jī)為主機(jī)控制核心模塊[8]，下位機(jī)與上位機(jī)之間采用多機(jī)通信模式，多機(jī)通信原理框圖如圖4所示。

圖4 多機(jī)通信原理框圖

首先主機(jī)通過無線模塊發(fā)出地址，從機(jī)收到地址之后與自己的地址相比較，如果地址匹配則主機(jī)接收對應(yīng)從機(jī)的數(shù)據(jù)；如果地址不匹配，繼續(xù)與下一個(gè)從機(jī)進(jìn)行握手。這種方法使主機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)可以將所有的從機(jī)掃描一遍，進(jìn)行軟件的地址登記。當(dāng)從機(jī)有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，主機(jī)可以及時(shí)地接收到數(shù)據(jù)[9]。通過主機(jī)的分時(shí)復(fù)用，減小了硬件的投入成本。由于主機(jī)對從機(jī)的掃描頻率較高，對于數(shù)據(jù)可以近似的看作實(shí)時(shí)接收，產(chǎn)生的誤差極小，可以忽略。

2.3 主機(jī)及顯示模塊

主機(jī)采用AT89S52單片機(jī)進(jìn)行控制。通過無線模塊的接收端和各個(gè)檢測點(diǎn)進(jìn)行主從機(jī)之間的通信，把接收到的數(shù)據(jù)輸出到顯示模塊，完成各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)顯示。顯示模塊可以根據(jù)使用地點(diǎn)的不同采取不同的方式：在學(xué)校等場所可以使用LED點(diǎn)陣的方式公開顯示；在寫字樓等場合可以采用微機(jī)的顯示方式，在保衛(wèi)處等地進(jìn)行監(jiān)測。

2.4 電源管理模塊

系統(tǒng)采用雙路供電方式，主電源為交流電，副電源為蓄電池。各個(gè)下位機(jī)之間供電系統(tǒng)相互獨(dú)立，下位機(jī)與上位機(jī)之間的供電系統(tǒng)也相互獨(dú)立，確保在故障出現(xiàn)時(shí)可以及時(shí)排查，電源管理模塊框圖如圖5所示。LTC4412是Linear公司的一款用于電源管理的集成芯片，7805是三端正電源穩(wěn)壓電路，AP432是手調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器。LTC4412通過控制一個(gè)外部P溝道 MOSFET，實(shí)現(xiàn)一種用于電源切換或負(fù)載均分的近理想型二極管功能。當(dāng)輔助電源接入時(shí)，負(fù)載將自動(dòng)地與電池?cái)嘟?。?dāng)檢測到一個(gè)輔助電源時(shí)，可采用STAT引腳來使能一個(gè)輔助P溝道MOSFET電源開關(guān)。AC／DC適配器電壓允許的范圍是3～28V，電池電壓允許的范圍是2.5～28V。

圖5 電源管理模塊框圖

當(dāng)交流電正常供電時(shí)，通過適配器將交流電轉(zhuǎn)化為直流電對系統(tǒng)進(jìn)行供電，并且對直流蓄電池進(jìn)行充電。由電源管理模塊對交流電進(jìn)行檢測，當(dāng)交流電提供的電壓低于某個(gè)閾值時(shí)（即斷電時(shí)），自動(dòng)切換到蓄電池供電。當(dāng)交流電供電和蓄電池供電同時(shí)出現(xiàn)異常時(shí)，主機(jī)無法對其進(jìn)行握手，此時(shí)主機(jī)會(huì)產(chǎn)生對應(yīng)從機(jī)的報(bào)警信號(hào)，可以及時(shí)對故障進(jìn)行排查和處理，使系統(tǒng)維護(hù)更加方便。

3 軟件設(shè)計(jì)

由于51內(nèi)核的單片機(jī)支持C語言程序設(shè)計(jì)，故采用C語言進(jìn)行軟件開發(fā)，使軟件具有可讀性強(qiáng)、可移植強(qiáng)等特點(diǎn)[10]。整個(gè)系統(tǒng)的程序采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，各個(gè)模塊獨(dú)立進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，便于后期的調(diào)整。主要的程序模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、無線發(fā)射端的從機(jī)模塊、無線接收端的主機(jī)模塊和顯示模塊。程序的流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

從機(jī)部分的紅外傳感器采用外部中斷0和外部中斷1處理[11]。根據(jù)兩個(gè)傳感器的位置決定兩個(gè)中斷的嵌套關(guān)系。當(dāng)紅外傳感器接收到外部信號(hào)時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，中斷服務(wù)子程序處理結(jié)束后返回主程序。超聲測距的部分和顯示的部分在主程序中。要保證紅外傳感器和超聲傳感器測量的同步性，否則會(huì)帶來很大的誤差。傳感器獲取的數(shù)據(jù)處理之后以串口通信的方式傳給無線發(fā)射模塊。

主機(jī)部分初始化之后，通過無線信號(hào)與從機(jī)握手，握手成功即進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。將接收到的數(shù)據(jù)傳送給顯示模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

4 測試結(jié)果

基于人流量統(tǒng)計(jì)的災(zāi)害救援系統(tǒng)由于采用了多傳感器結(jié)合的數(shù)據(jù)采集方式，對于兩人同時(shí)通過的測量更加準(zhǔn)確，測量精度比傳統(tǒng)單一傳感器方式有所提高。對半小時(shí)內(nèi)固定地點(diǎn)人流量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所列。

表1 半小時(shí)內(nèi)單一傳感器和多傳感器測量結(jié)果的比較

從測試結(jié)果可以看出，多傳感器測量的相對誤差較小，而單一傳感器測量相對誤差較大。說明在測量中多傳感器聯(lián)合使用的性能要高于單一傳感器。

結(jié) 語

基于人流量統(tǒng)計(jì)災(zāi)害救援系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是采用了多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用無線方式傳輸數(shù)據(jù)，使用雙電源對系統(tǒng)供電。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，雖然各個(gè)模塊在功能上相互聯(lián)系，但是在軟件和硬件上相對獨(dú)立，當(dāng)一個(gè)模塊發(fā)生故障的時(shí)候，不影響其他模塊正常工作，有利于故障的查詢。整體系統(tǒng)采用雙路供電方式，災(zāi)害來臨的時(shí)候系統(tǒng)可以正常工作。而且系統(tǒng)的各個(gè)組件價(jià)格低廉、易于獲得，降低了使用成本和后期維護(hù)成本，使其應(yīng)用范圍更加廣泛。由于無線傳輸模塊的引入，使系統(tǒng)有了更大功能擴(kuò)展的可能性，可以增加一些相應(yīng)的控制元件完成更復(fù)雜、更智能的工作。

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