王連震,王 暉,羅孟德

(1.東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著城市機(jī)動(dòng)化的高速增長(zhǎng)，由此帶來的道路資源緊張、城市交通擁諸等問題日益凸顯，而優(yōu)先發(fā)展城市公共交通系統(tǒng)，是提高交通資源利用效率、緩解交通擁堵的有效措施[1]。出租車作為城市客運(yùn)交通系統(tǒng)的重要組成部分，是城市常規(guī)公共交通的重要補(bǔ)充。如何科學(xué)準(zhǔn)確地確定出租車和公交車的合理投放規(guī)模，一直是城市交通運(yùn)輸管理部門亟需解決的重要問題[2]。因此，獲取精確的出租車方式的居民出行數(shù)據(jù)，從而為管理部門科學(xué)決策提供數(shù)據(jù)支撐尤為重要。目前，在客流檢測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究對(duì)象主要集中在公交車、地鐵等客流量較大的交通方式[3]中，并對(duì)交通量進(jìn)行采集和處理[4]，但專門針對(duì)出租車客流的檢測(cè)方法還鮮見報(bào)道。

在客流檢測(cè)技術(shù)研究方面，常用的檢測(cè)裝置包括紅外檢測(cè)裝置、視頻圖像分析及壓力檢測(cè)裝置三種[5]。其中，基于紅外檢測(cè)裝置的客流檢測(cè)方法對(duì)客流密集的場(chǎng)景易出現(xiàn)誤檢和漏檢情況[6]，基于視頻圖像分析的檢測(cè)方法其檢測(cè)算法較為復(fù)雜，且算法效率直接影響客流檢測(cè)的精度[7]，而基于壓力傳感裝置的檢測(cè)方法原理較為簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)設(shè)備容易損壞，且對(duì)多人同時(shí)踩踏情況不能有效檢測(cè)[8]。

通過分析上述三種檢測(cè)方法的特點(diǎn)，結(jié)合出租車客流的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于壓力傳感器的出租車客流檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主控制器、壓力傳感器、位置傳感器等裝置組成，通過系統(tǒng)整合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)出租車在營(yíng)運(yùn)過程中客流的實(shí)時(shí)檢測(cè)，包括單次營(yíng)運(yùn)任務(wù)客流數(shù)量、乘客出行起終點(diǎn)數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的匯總和上傳，可為分析出租車的營(yíng)運(yùn)情況提供數(shù)據(jù)支持[9]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文提出的基于壓力傳感器的出租車客流檢測(cè)系統(tǒng)由客流采集與計(jì)數(shù)、乘客位置確定以及數(shù)據(jù)顯示與統(tǒng)計(jì)三個(gè)部分組成，選用STM32F103RCT6微控制器作為系統(tǒng)的主控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯總與統(tǒng)計(jì)，選用均勻分布于汽車座椅下的壓力傳感器實(shí)現(xiàn)客流采集與計(jì)數(shù)，選用ATK-S1216F8-BD高性能 GPS/北斗模塊實(shí)現(xiàn)乘客位置定位。系統(tǒng)的構(gòu)成框架如圖1所示。

圖1 出租車客流檢測(cè)系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主控制器的設(shè)計(jì)

微控制器作為整個(gè)出租車客流檢測(cè)系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)管理、監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)并顯示數(shù)據(jù)，必須保證微控制器能夠穩(wěn)定可靠地感知放置在汽車座椅下的壓力傳感器的受力情況，并根據(jù)受力情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)。考慮到本系統(tǒng)要求體積小、穩(wěn)定程度高的特點(diǎn)，本文選取了ARM公司基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列STM32F103RCT6作為主控芯片。該芯片是一種嵌入式微控制器集成IC，程序存儲(chǔ)器容量為256K，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為48K，并具有封裝小、引腳少、成本低、運(yùn)算速度快、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，非常符合本系統(tǒng)的功能需求。

2.2 壓力傳感器的設(shè)計(jì)

針對(duì)該系統(tǒng)選擇了一種均勻分布于汽車座椅下的壓力傳感器，用以可靠地感知是否有乘客在出租車座椅上。針對(duì)選取的傳感器，本文做了相應(yīng)的試驗(yàn)來測(cè)試該壓力傳感器的輸出特性，壓力傳感器的輸出特性如圖2所示。當(dāng)放置在壓力傳感器上的重物小于30 kg時(shí)，傳感器自身的電阻值非常大，趨近無窮，可視為開路。一旦重物重量大于30 kg，壓力傳感器收到的壓力突破一個(gè)閾值，傳感器自身阻值立即突變?yōu)? Ω。這種階躍響應(yīng)的特性為采集壓力傳感器的信息提供了很好依據(jù)。

圖2 壓力傳感器輸出特性

針對(duì)壓力傳感器的輸出特性，本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的壓力監(jiān)測(cè)電路。在本設(shè)計(jì)中，將壓力傳感器化為電阻R2接入到電路中。當(dāng)壓力傳感器阻值為無窮大時(shí)，將微控制器的IO口經(jīng)上拉電阻接到電源，IO口可讀取到高電平；當(dāng)壓力傳感器阻值為5 Ω時(shí)，5 V電源經(jīng)R1與R2最終接到GND，微控制器的IO口此時(shí)采集到的為低電平。根據(jù)定時(shí)讀取微控制器IO口的電平狀態(tài)，可以得到壓力傳感器狀態(tài)，進(jìn)而確定該座椅上是否有乘客。

圖3 壓力檢測(cè)電路

2.3 位置傳感器的設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，每當(dāng)系統(tǒng)判定汽車座椅上有乘客時(shí)，需要得到乘客上車時(shí)的位置信息，為得到該位置信息，本文選取了ALIENTEK公司的ATK-S1216F8-BD高性能 GPS/北斗模塊作為本系統(tǒng)的位置傳感器。ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模塊是一款高性能 GPS/北斗雙模定位模塊，該模塊采用先進(jìn)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收器S1216F8-BD模組，跟蹤能力非常優(yōu)越；模塊與主控芯片采用串口通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，并可以通過串口對(duì)模塊進(jìn)行各種參數(shù)配置，自帶IPX接口，可以連接各種有源天線；模塊可使用5 V供電，直接用系統(tǒng)電源為模塊供電，無需另外的電平轉(zhuǎn)換電路；模塊自帶后備電池，掉電可保持星歷數(shù)據(jù)，下次啟動(dòng)時(shí)可快速定位[10]。該模塊性能優(yōu)異，很好地滿足了系統(tǒng)對(duì)位置信息采集的要求。

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

出租車上蓄電池的電平為12 V，在本系統(tǒng)中所使用的均為5 V電平，需要設(shè)計(jì)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路將蓄電池的電平轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)能夠使用的5 V電平[11]，設(shè)計(jì)的電源電路如圖4所示。在本設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化電路，使用了三端穩(wěn)壓集成電源芯片LM7805。LM7805的使用非常簡(jiǎn)單，只需要在輸入與輸出端各加一個(gè)大小合適的濾波電容就可以構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定可靠的直流穩(wěn)壓電源電路。

圖4 電源電路

3 系統(tǒng)軟件控制流程

出租車客流檢測(cè)系統(tǒng)主程序的工作流程由上電開始，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一系列初始化，打開時(shí)鐘功能、配置各IO管腳、配置各定時(shí)器參數(shù)，緊接著打開定時(shí)器。此時(shí)微控制器開始循環(huán)往復(fù)地在定時(shí)器中斷函數(shù)里檢測(cè)壓力傳感器的參數(shù)狀態(tài)。一旦檢測(cè)到壓力傳感器對(duì)應(yīng)的座椅上有乘客，立即通過位置傳感器GPS讀取當(dāng)前出租車所在的位置，并將該位置所對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)乘客的計(jì)數(shù)值再加1，緊接著將乘客人數(shù)的變動(dòng)刷新到LCD液晶顯示器上。在整個(gè)流程中，壓力傳感器參數(shù)的檢測(cè)一直在往復(fù)地進(jìn)行，以保證可靠地檢測(cè)。系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件控制流程

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一款基于壓力傳感器的出租車客流檢測(cè)系統(tǒng)，利用相應(yīng)的技術(shù)和硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)出租車乘客數(shù)量及出行起終點(diǎn)(OD)數(shù)據(jù)的采集和查詢，可為城市交通運(yùn)輸管理部門分析出租車運(yùn)營(yíng)狀況，為出租車運(yùn)力規(guī)模提供數(shù)據(jù)支持。如何將本系統(tǒng)與基于GPS的出租車管理平臺(tái)進(jìn)行有效融合是今后需要解決的關(guān)鍵問題。