張雪飛，胡曉君，張魯殷，楊東東

（山東科技大學(xué)電子通信與物理學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引言

隨著機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量與日俱增，交通基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展速度越來(lái)越不能滿(mǎn)足我國(guó)經(jīng)濟(jì)的提升速度，傳統(tǒng)的公交車(chē)客流量統(tǒng)計(jì)極大地落后于現(xiàn)在交通的智能化發(fā)展。目前，我國(guó)城市公共交通系統(tǒng)中，公共汽車(chē)和電車(chē)所占比例最大，城市80%以上的客運(yùn)量由此承擔(dān)[1]。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，公共交通的運(yùn)營(yíng)狀況極為重要，它是科技水平和現(xiàn)代化水平的重要基礎(chǔ)，而客流量統(tǒng)計(jì)水平在公交系統(tǒng)中尤為重要，并對(duì)其提出更高的要求。我國(guó)在客流量的精確統(tǒng)計(jì)方面存在很多不足，這就需要我們通過(guò)引進(jìn)高科技技術(shù)和現(xiàn)代化管理理念，使公交車(chē)客流量統(tǒng)計(jì)變得更為智能化與人性化，根據(jù)客流量分析結(jié)果，制定相

應(yīng)營(yíng)運(yùn)作業(yè)計(jì)劃，將會(huì)提高市場(chǎng)客流對(duì)公交線(xiàn)路的要求[1]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車(chē)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)管理。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及功能

圖1 .1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、光電對(duì)管、單片機(jī)等技術(shù)巧妙的結(jié)合，并以TCP傳輸協(xié)議作為系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，保證各部分與整體系統(tǒng)的聯(lián)系和有序運(yùn)行。各個(gè)部分協(xié)調(diào)工作，共同完成公交車(chē)客流量統(tǒng)計(jì)裝置的整體性。設(shè)計(jì)一款具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以MSP430單片機(jī)為主控的公交車(chē)客流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)。綜合利用光電對(duì)管、單片機(jī)、TCP傳輸控制協(xié)議以及EEPROM存儲(chǔ)器等技術(shù)。

公交車(chē)客流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)主要由人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和核心控制模塊四大模塊組成。

如圖1.1所示：

整個(gè)公交車(chē)客流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)有以下幾個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸以及核心控制部分，車(chē)門(mén)打開(kāi)時(shí)，單片機(jī)發(fā)射指令，光電對(duì)管開(kāi)始工作，進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)。車(chē)門(mén)閉合后單片機(jī)發(fā)射指令，光電對(duì)管結(jié)束工作，采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)傳輸模塊開(kāi)始工作，將數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)等待下一次車(chē)門(mén)的開(kāi)啟。在公交車(chē)前后門(mén)附近特定高度上安裝光電對(duì)管，前門(mén)安裝兩對(duì)光電對(duì)管，分別編號(hào)1、2號(hào)，當(dāng)有乘客上車(chē)時(shí)，光電對(duì)管開(kāi)始工作，當(dāng)被測(cè)物體進(jìn)入受光器作用范圍時(shí)，光電對(duì)管發(fā)射端的光線(xiàn)被阻擋，進(jìn)行人數(shù)的統(tǒng)計(jì)，根據(jù)1、2號(hào)光電對(duì)管的受阻擋順序確定人群是上車(chē)還是下車(chē)[2]。

后門(mén)創(chuàng)新性的采用了三對(duì)光電對(duì)管，分別編號(hào)3、4、5，其作用與前門(mén)的光電對(duì)管的作用并無(wú)二致，主要是在中間多加了一對(duì)光電對(duì)管，目的是分割人流，防止人群成群上下車(chē)造成統(tǒng)計(jì)失誤。得到的數(shù)據(jù)保存在EEPROM存儲(chǔ)芯片中，最后通過(guò)TCP傳輸控制協(xié)議將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上采用上位機(jī)軟件進(jìn)行顯示并分析。由TCP傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，此部分作為該系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，保證各部分與整體系統(tǒng)的聯(lián)系和有序運(yùn)行。各個(gè)部分協(xié)調(diào)工作，共同完成公交車(chē)客流量統(tǒng)計(jì)裝置的整體性能。

2 系統(tǒng)模塊和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

2.1 客流量數(shù)據(jù)采集模塊

本設(shè)計(jì)采用光電對(duì)管進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)。當(dāng)被測(cè)物體進(jìn)入探測(cè)器的檢測(cè)范圍時(shí)，光電對(duì)管發(fā)射的紅外線(xiàn)被檢測(cè)物體遮擋，因此接收端無(wú)法接收到發(fā)射端發(fā)射的光線(xiàn)，光電對(duì)管利用放大器的放大作用和同步選通的整形作用，然后用數(shù)字積分或RC積分方法將干擾排除，最后光電對(duì)管將控制信號(hào)輸出。光電對(duì)管回差特性較好，因此公交車(chē)上當(dāng)在小范圍內(nèi)人體觸碰到時(shí)，輸出狀態(tài)會(huì)繼續(xù)保持穩(wěn)定，不會(huì)受到極大影響。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

采用EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，EEPROM存儲(chǔ)單元的工作原理如下[2]：

EEPROM的操作主要有三種：擦除；寫(xiě)入；讀取。表2.1介紹了這幾種操作。擦除：擦除時(shí)，在WL端上加高壓，約為16V，同時(shí)在VCG端上也加高壓，約為13V，BL端和VS端都接地，電壓為0V。WL端和VCG端為存儲(chǔ)管的柵極，BL端和VS端分別為漏極和源極。在讀取時(shí)，存儲(chǔ)管處于關(guān)閉狀態(tài)，不需打開(kāi)，此時(shí)無(wú)電流流過(guò)。

寫(xiě)入：寫(xiě)入時(shí)，在WL端上加高壓，約為16V，而在VCG端上加0電位，此時(shí)VS端處于懸空狀態(tài)。BL的電位根據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)的不同也不同：寫(xiě)“0”時(shí)，BL懸空；寫(xiě)“1”時(shí)，BL上加約13V～16V的高壓VPPL。

讀取：讀取時(shí)，WL上接電源電壓，VS和VCG接0電位，BL上接大約為0.5V的電壓。

表2 .1 各種操作模式下存儲(chǔ)單元各節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，為了實(shí)現(xiàn)各種不同網(wǎng)絡(luò)的互連，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Standaedization Organization,ISO）采用了網(wǎng)絡(luò)分層的方案，即OSI模型。OSI模型由七個(gè)有序的層組成，第一層至第七層依次為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話(huà)層、表示層和應(yīng)用層[3]。通信協(xié)議可實(shí)現(xiàn)在同一網(wǎng)絡(luò)中不同應(yīng)用程序和各種網(wǎng)絡(luò)硬件的使用以及在不同操作系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)之間的相互通信。發(fā)展至今的最成功的通信協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族。

在Internet中，大多依賴(lài)TCP協(xié)議來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)上的信息流動(dòng)。TCP傳輸控制協(xié)議（Transfer Control Protocol），屬于傳輸層協(xié)議。OSI模型的每一層都和一個(gè)或一個(gè)以上的協(xié)議相聯(lián)系，對(duì)等實(shí)體的虛對(duì)話(huà)由這些協(xié)議控制。TCP協(xié)議由四層組成：網(wǎng)絡(luò)接口層、Internet層、傳輸層和應(yīng)用層[3]。TCP模型的應(yīng)用層是將OSI模型的應(yīng)用層、表示層和會(huì)話(huà)層結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)接口層（也被稱(chēng)為鏈路層）是TCP模型將數(shù)據(jù)鏈路層和物理層結(jié)合形成。TCP協(xié)議中的前三層對(duì)應(yīng)于OSI模型的前四層，提供物理標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)接口、網(wǎng)際互聯(lián)以及傳輸功能[4]。

封裝（Encapsulation）是數(shù)據(jù)從上層開(kāi)始，每向下經(jīng)過(guò)一層，在前面加上下一層報(bào)頭的過(guò)程[4]。報(bào)頭的格式是由進(jìn)行封裝的協(xié)議規(guī)定的。報(bào)頭中記錄傳輸信息，對(duì)等實(shí)體利用傳輸信息進(jìn)行相互交流。如圖2.1所示。

圖2 .1 TCP協(xié)議

用戶(hù)調(diào)用應(yīng)用程序通過(guò)TCP訪(fǎng)問(wèn)相應(yīng)的服務(wù)。TCP協(xié)議族中各層的工作原理及功能如下[4]：

應(yīng)用層將應(yīng)用程序信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)流后將該數(shù)據(jù)流交給傳輸層。傳輸層提供不同主機(jī)之間端到端的通信，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理信息的流動(dòng)，提供傳輸服務(wù)：在發(fā)送方，應(yīng)用層提供的數(shù)據(jù)流被傳輸層分段并將數(shù)據(jù)段加注標(biāo)識(shí)。這種標(biāo)識(shí)稱(chēng)為傳輸層報(bào)文頭。在接收方，傳輸層去掉傳輸層報(bào)文頭檢驗(yàn)數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中是否正確，將數(shù)據(jù)段重組成數(shù)據(jù)流交給應(yīng)用程序處理。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)處理不同主機(jī)之間的通信，數(shù)據(jù)包的交付：在發(fā)送方，數(shù)據(jù)段（網(wǎng)絡(luò)層傳輸層提供）封裝到數(shù)據(jù)報(bào)中并填入IP報(bào)頭；在接收方，讀取IP報(bào)頭中的信息（網(wǎng)絡(luò)層）并決定如何處理數(shù)據(jù)報(bào)。

數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層提供的數(shù)據(jù)報(bào)封裝成幀，幀頭中包含各種傳輸信息，把幀發(fā)送出去；在接收方，讀取幀頭中的信息（數(shù)據(jù)鏈路層）。根據(jù)發(fā)送對(duì)象決定拆開(kāi)幀頭或丟棄該幀。

物理層把幀轉(zhuǎn)換成比特流的形式通過(guò)傳輸介質(zhì)將信息傳送出去。如圖2.2所示TCP各層數(shù)據(jù)封裝的示意圖。

圖2 .2 數(shù)據(jù)封裝過(guò)程

當(dāng)發(fā)送客流量數(shù)據(jù)文件時(shí)，對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)啟動(dòng)數(shù)據(jù)文件傳輸程序，這個(gè)程序使用文件傳輸協(xié)議FTP協(xié)議和對(duì)端的傳輸服務(wù)器進(jìn)行通信，文件傳輸服務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的傳輸請(qǐng)求，這個(gè)請(qǐng)求通過(guò)TCP傳輸協(xié)議與對(duì)方之間建立傳輸通道，經(jīng)由IP協(xié)議，跨越不同的物理網(wǎng)絡(luò)，送到對(duì)方的目的主機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)客流量數(shù)據(jù)的傳輸。

TCP的連接建立與終止過(guò)程如下[6]：

(1)連接建立

TCP要使用三次握手協(xié)議才能發(fā)完成連接的建立。當(dāng)主動(dòng)方發(fā)出SYN連接請(qǐng)求后，等待對(duì)方回答SYN+ACK，并最后對(duì)對(duì)方的 SYN 執(zhí)行 進(jìn)行ACK 確認(rèn)。

TCP三次握手的過(guò)程如下：

(1)客戶(hù)端發(fā)送SYN（SEQ=x）報(bào)文傳送到服務(wù)器端，之后進(jìn)入SYN_SEND狀態(tài)。

(2)服務(wù)器端接收到SYN報(bào)文后，會(huì)立即發(fā)出一個(gè)SYN（SEQ=y）ACK(ACK=x+1）報(bào)文回復(fù)，完成此過(guò)程之后會(huì)進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài)。

(3)服務(wù)器端發(fā)出的SYN報(bào)文被客戶(hù)端接收到之后，回應(yīng)一個(gè)ACK(ACK=y+1）報(bào)文，之后進(jìn)入Established狀態(tài)。

TCP客戶(hù)端和服務(wù)器端之間的連接經(jīng)過(guò)三次握手之后就可建立，三次握手結(jié)束之后，此時(shí)就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

(2)連接終止

由于TCP是半關(guān)閉狀態(tài)，三次握手可建立一個(gè)連接，四次握手可終止一個(gè)連接，具體過(guò)程如下圖所示。

(1)首先需要調(diào)用close命令，該應(yīng)用程序執(zhí)行此命令時(shí)稱(chēng)該端執(zhí)行的是“主動(dòng)關(guān)閉”命令。數(shù)據(jù)發(fā)送完成時(shí)，該端的TCP就會(huì)發(fā)送一個(gè)FIN分節(jié)。

(2)接收到由TCP確認(rèn)的FIN的對(duì)端執(zhí)行 “被動(dòng)關(guān)閉”命令。

(3)一段時(shí)間之后，應(yīng)用程序?qū)⒄{(diào)用close命令，此時(shí)它的套接字關(guān)閉，這使得

它的TCP也發(fā)送一個(gè)FIN。

(4)接收到最終FIN執(zhí)行主動(dòng)關(guān)閉的原發(fā)送端發(fā)送的命令后，TCP就會(huì)確認(rèn)此FIN。

圖2 .3 TCP的三次握手

圖2 .4 TCP的四次握手

2.4 核心控制模塊

本設(shè)計(jì)采用MSP430單片機(jī)作為主控部分。MSP430單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，綜合分析各種性能指標(biāo)，本系統(tǒng)決定選用MSP430單片機(jī)[7]。

2.5 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在上位機(jī)軟件的主畫(huà)面中，對(duì)各個(gè)站點(diǎn)的上車(chē)人數(shù)、下車(chē)人數(shù)以及車(chē)上載人數(shù)進(jìn)行顯示。利用上位機(jī)的強(qiáng)大功能，可以方便查看實(shí)時(shí)客流量數(shù)據(jù)和歷史客流量數(shù)據(jù)，方便對(duì)客流量的數(shù)據(jù)的調(diào)查和對(duì)不同公交車(chē)的調(diào)度。

3 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了公交車(chē)客流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容及設(shè)計(jì)原理，以光電對(duì)管、單片機(jī)、EEPROM存儲(chǔ)器、TCP傳輸協(xié)議等作為技術(shù)支持，設(shè)計(jì)了一套統(tǒng)計(jì)精確度高、功能較為完善的智能公交車(chē)客流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人數(shù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苄枨?。此外，采用TCP傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和上位機(jī)進(jìn)行客流量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，摒棄了傳統(tǒng)客流量統(tǒng)計(jì)的方式，采用了智能化統(tǒng)計(jì)方式，使系統(tǒng)更加合理化。

本文需要做進(jìn)一步的研究[8-10]。

1.在高人流密度下的統(tǒng)計(jì)不夠精確。當(dāng)在人流密度比較大的時(shí)候使用光電對(duì)管進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，精確率會(huì)受到影響，沒(méi)有達(dá)到最高。因此系統(tǒng)下一步的改進(jìn)方向是改善高人流密度下的客流量統(tǒng)計(jì)。

2.本文對(duì)客流量的實(shí)例僅分析了幾條公交線(xiàn)路，應(yīng)該大規(guī)模的分析其他公交線(xiàn)路客流量情況，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的廣泛性及正確性，以完善理論的不足之處。

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