千承輝， 王 超， 曹曦元， 凌振寶， 萬云霞

（吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林長春 130026）

0 引言

隨著人類社會的進步，人口的不斷增多，商場、辦公樓和學校等場所的人流量逐年增加［1］，當發(fā)生火災、地震等意外災害時人們很難逃生，而有限的救援力量將使得災后的救援任務愈發(fā)艱難［2］，如何合理分配救援資源是亟待解決的重要問題。針對這種情況，實時了解商場、辦公樓、學校等場所的人口分布情況，是合理分配救援資源的必要手段和有效措施［3］。

目前，常用的的人流量計數(shù)系統(tǒng)主要有：①嵌入式微處理器和內(nèi)、外紅外探測模塊構(gòu)成的人流量監(jiān)測系統(tǒng)［4］，此系統(tǒng)對單人進出的情況處理較為準確，但無法解決多人并排進出的問題;②基于圖像處理技術(shù)的人流量監(jiān)測系統(tǒng)，采用并聯(lián)的多類分類器對當前圖像進行人頭檢測，確定當前圖像中的各人頭，對確定出的各人頭進行跟蹤，形成人頭目標運動軌跡，在人頭目標運動軌跡方向進行人流量計數(shù)［5］。此方法計數(shù)較為精確，但是成本過高，結(jié)構(gòu)復雜，不利于推廣。

本文采用由兩對對射式紅外傳感器、兩對反射式超聲傳感器組成的多傳感器數(shù)據(jù)處理方式，將其輸出的信號送入AT89S52單片機進行綜合處理，得出人流量數(shù)據(jù)之后送予液晶屏顯示。與現(xiàn)有的人流量監(jiān)測系統(tǒng)相比較，多傳感器數(shù)據(jù)處理方式在成本低廉、布線簡單的基礎上，實現(xiàn)了2人并排進出時的準確計數(shù)，提高了系統(tǒng)的精度和增強了系統(tǒng)的實用性。

1 測量原理

1.1 對射式紅外傳感器工作原理

系統(tǒng)采用PIH-T12NO/NC3MD（M12）NPN型對射式紅外傳感器，這是一種三線NPN常開型紅外感應開關(guān)，由于使用的是紅外光，可靠性高和抗干擾能力強，一般外界光都不會干擾其正常工作［6］。該傳感器工作電壓為直流10～30 V，輸出電流為200 mA，檢測距離最遠可達6 m，響應時間小于5 ms［7］。在工作過程中，當發(fā)射管和接收管之間沒有物體阻擋時，傳感器輸出高電平信號，一旦有物體通過即對傳感器進行遮擋，則其輸出電平立即發(fā)生跳變，產(chǎn)生一個下降沿。傳感器電平跳變過程如圖1所示。

圖1 對射式紅外傳感器輸出信號

1.2 反射式超聲傳感器工作原理

系統(tǒng)選用HC-SR04超聲波測距模塊，模塊采用的是壓電式超聲波傳感器，主要由超聲波發(fā)射器和超聲波接收器兩部分組成，它們都是利用壓電材料（如石英、壓電陶瓷等）的壓電效應進行工作［8］。該模塊為直流+5 V電壓供電，測量角度15°，可提供2～400 cm的非接觸式測距感應功能，測距精度可以高達3 mm［9］。超聲傳感器測距的原理是計算發(fā)射和接收聲波信號的時間差，根據(jù)超聲波在空氣中傳播的速度來計算障礙物的距離［10］。模塊采用I/O口TRIG（工作觸發(fā)）觸發(fā)測距，當IO口TRIG接收到一個至少10 μs的高電平信號時，模塊自動向外發(fā)送8個40 kHz的方波，并且自動檢測是否有信號返回，有信號返回時，通過I/O口ECHO（回聲檢測）輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間T就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。超聲模塊工作時序圖如圖2所示。

圖2 超聲模塊工作時序圖

測試距離

式中：S是測試距離（m）;t是高電平時間（s）;340是聲速（m/s）。利用式（1）計算出通過物體分別與門框左右兩邊的距離S，為主控制器判斷并排通過人數(shù)提供判斷依據(jù)。

2 硬件設計

系統(tǒng)由多傳感器組、主控制器、人機接口模塊組成。多傳感器組和控制器模塊之間通過串口連接［11］，主控制器和人機接口模塊之間通過并口連接［12］。兩種連接方式配合使用使系統(tǒng)連接簡便，數(shù)據(jù)傳送不易出錯。系統(tǒng)的整體框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的整體框圖

2.1 多傳感器工作原理

多傳感器由對射式紅外傳感器和反射式超聲傳感器構(gòu)成。在檢測人數(shù)時，兩種傳感器同時工作。多傳感器的組成如圖4和表1所示。

圖4 綜合型傳感器組的組成

兩對對射式紅外傳感器可以判斷物體進出狀態(tài)［13］。將 A、A'，C、C'兩對對射式紅外傳感器平行安裝在場所的出入口內(nèi)、外兩側(cè)，當A、A'先于C、C'檢測到屏蔽信號時，表明所測物體為離開;當C、C'先于A、A'檢測到屏蔽信號時物體為進入。同時，通過反射式超聲傳感器可以測量同一排進入或離開的人數(shù)。此時，超聲傳感器的工作原理如圖5所示。將B、D兩個反射式超聲傳感器模塊分別安裝在場所的出入口左、右兩側(cè)，測量進出物體到兩側(cè)的距離，用出入口處的總寬度L（L≤3 m）減去B、D所測距離，即為出入物體所占最大寬度（通過實際觀察可得出門寬不超過3 m時，一次并排出入的人數(shù)達到3人或3人以上時極為少見）。如所測出的最大寬度達到普通人身寬平均值的2倍或者達到2倍以上時，可認為此時一排同時通過2人;否則，可認為此時一排同時只通過1人（通過觀察，成年人的平均身寬一般在35～50 cm）。如果2人中1人進入1人離開，兩對對射式紅外傳感器信號記為先加1再減1，可視為人數(shù)不變。多傳感器計數(shù)工作情況如圖6所示。

表1 傳感器端口編號

圖5 綜合使用時超聲模塊工作原理

式中：L0是被測物體的寬度;L1是被測物體到左邊門框?qū)挾?L2是被測物體到右邊門框?qū)挾?L3是門的寬度。

式（2）在門框?qū)挾萀3和超聲模塊測得的被測物體與左右門框的距離L1、L2基礎上，計算得出了通過的物體的寬度L0，由此可以判斷出并排通過的人數(shù)。

2.2 多傳感器安裝

紅外發(fā)射管A、C分別且平行安裝在左邊門框的內(nèi)、外兩側(cè)，紅外接收管A'、C'分別且平行安裝在右邊門框的內(nèi)、外兩側(cè)，反射式超聲傳感器B、D安裝在門框左、右側(cè)。多傳感器安裝如表2和圖7所示。

表2 傳感器位置

圖6 多傳感器計數(shù)工作情況

圖7 多傳感器的安裝

3 軟件設計

系統(tǒng)選用AT89S52系列單片機為數(shù)據(jù)處理器，采用C語言對軟件部分進行開發(fā)，使軟件具有可讀性好、可移植性好等特點［14］。整個系統(tǒng)的程序采用子程序調(diào)用的模塊化設計方式，各個子程序塊設計相對獨立，便于后期的修改和調(diào)整。程序的流程如圖8所示。

程序中紅外傳感器的信號采用外部中斷0和外部中斷1的方式送入單片機。根據(jù)2個傳感器安裝的位置決定2個中斷被觸發(fā)的先后關(guān)系。當紅外傳感器接收到外部信號時，進入中斷服務子程序，中斷服務子程序處理結(jié)束后返回主程序。超聲測距和顯示的部分的子程序調(diào)用在主程序中。程序較好的保證了整個多傳感器工作的同步性，避免了產(chǎn)生不必要的誤差。

圖8 程序流程圖

4 測試與分析

通過測試，由于本系統(tǒng)采用了多傳感器的數(shù)據(jù)處理方式，對于人流量的測量比現(xiàn)有的一些系統(tǒng)要準確和簡單，測量精度比傳統(tǒng)單一的紅外傳感器方式有所提高。測試過程中對6 h內(nèi)固定地點人流量進行了統(tǒng)計和測試［15］，并且利用絕對誤差和實際值之比計算出了現(xiàn)對誤差［16］，結(jié)果如表3所示（表中，X表示6 h內(nèi)實際值，Y1表示單一傳感器測量值，Y2表示多傳感器測量值）。

表3 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，多傳感器的相對誤差較小，而單一傳感器測量相對誤差較大。特別是有2人并排進入的情況出現(xiàn)時，單一傳感器無法準確識別，只能記為一個數(shù)，而使用多傳感器可以較為準確的識別出此類情況，說明在測量中使用多傳感器的系統(tǒng)性能要高于使用單一傳感器的系統(tǒng)。

5 結(jié)語

基于多傳感器數(shù)據(jù)處理的人流量監(jiān)測系統(tǒng)采用由兩對對射式紅外傳感器和兩對反射式超聲傳感器構(gòu)成的多傳感器數(shù)據(jù)采集處理方式，對樓宇內(nèi)人流量進行了有效地檢測，特別是較為準確地測量出了2人并排進出時的人數(shù)。系統(tǒng)在軟硬件上相對獨立，易于排查糾錯，且各個組件價格低廉、易于獲得，降低了使用成本和后期維護成本，使其應用范圍更加廣泛，具有較強的推廣性和實用性。

（References）：

［1］ 程 遙.健康城鎮(zhèn)化背景下的流動人口發(fā)展趨勢與對策［J］.經(jīng)濟地理，2012，32（4）：25-26.

［2］ 陳家強.高層建筑火災與應對措施［J］.消防科學與技術(shù)，2007，26（2）：109-113.

［3］ 賈群林，陳 莉.地震災害緊急救援隊優(yōu)化救援裝備配備分析［J］.防護裝備技術(shù)研究，2012，2（2）：8-9.

［4］ 李浩君，邱飛岳，劉煒鋒.校園場所室內(nèi)人流量檢測裝置［P］.中華人民共和國，CN201654867U，2010-11-24.

［5］ 呼志剛，朱 勇，任 燁，等.人流量統(tǒng)計的方法及系統(tǒng)［P］.中華人民共和國：CN101877058A，2010-11-03.

［6］ 馬劍鋒，王 麗，等.液滴紅外光電自動檢測計數(shù)器的研制［J］.實驗室研究與探索，2008，27（6）：64-66.

［7］ 顧聚興.紅外傳感器與其它光電傳感器的發(fā)展趨勢［J］.紅外，2010，31（8）：45-46.

［8］ 生 蕾，張 峰.基于Nios II的倒車雷達系統(tǒng)的實驗設計［J］.實驗室研究與探索，2008，27（5）：45-47.

［9］ 靳霖霖，曾迎森，宋金澤.自動泊車超聲傳感器系統(tǒng)設計［J］.微計算機信息，2010，26（5-1）：113-115.

［10］ 劉喜昂，周志宇.基于多超聲傳感器的機器人安全避障技術(shù)［J］.測控技術(shù)，2004，23（3）：71-72.

［11］ 王利軍.TLC1549串口傳輸與單片機的A/D設計［J］.國外電子元器件，2007，5（10），67.

［12］ 孫 誠，王雪梅，張艷紅.連接計算機并口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.電子設計工程，2011，19（16），47-49.

［13］ 程德福，王 君，凌振寶，等.傳感器原理及應用［M］.2版.北京：機械工業(yè)出版社，2011.241-242.

［14］ 詹新生，張江偉.基于AT89S51的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計［J］.實驗室研究與探索，2011，30（4）：199-202.

［15］ 李興梅，龔曉峰，田坤等.一種基于統(tǒng)計原理的特征參數(shù)提取法［J］.微計算機信息，2009，25（10-1）：186-188.

［16］ 林占江.電子測量技術(shù)［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2011.40-41.