高卓爾 嚴金煒 趙樂妍 孫士棋 江宇柔

摘 要：為了對熱門景區(qū)人流量進行很好的統(tǒng)計和預測，我們設計了一款基于52單片機，輔之以紅外、超聲傳感技術的人流檢測及智能提示系統(tǒng)。整個系統(tǒng)首先通過多傳感器組來收集人流數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳到從機上。主從機之間通過433M無線模塊傳輸數(shù)據(jù)，主機通過調(diào)用前期實地調(diào)研及搜索資料所得的人口預測擬合函數(shù)，對景區(qū)在未來一段時間內(nèi)的人流密度及其變化做出預估，并將反饋結果公示到LCD顯示屏上，用以提醒顧客合理選擇觀賞區(qū)域，規(guī)避人群高度密集，提高旅游的舒適度的同時且增強了安全保障。

關鍵詞：52單片機;433M無線模塊;紅外傳感器;超聲傳感器;人口擬合

0.引言

隨著人們生活水平的提高，每逢假期，外出旅游就成了許多家庭的選擇。特別是像中國這樣人口眾多的國家，許多著名景點常常會發(fā)生因為游覽人數(shù)眾多造成的擁堵現(xiàn)象。所幸的是，當前互聯(lián)網(wǎng)、通信、紅外監(jiān)測技術的迅速發(fā)展讓這一切得以解決?；谶@些技術，許多景區(qū)可以做出合適的決策，采用限流，控流，分流等手段來控制人流量。而獲得景點每一個時間點人流量的實時數(shù)據(jù)則更方便地服務了景區(qū)的人流量管理。實時景區(qū)人流檢測及智能提示系統(tǒng)便應運而生。同時，這樣的人流量統(tǒng)計不僅可以廣泛運用于商場，博物館，餐廳等一切人流密集的地方，還能在救援安防領域起到關鍵性作用。[3]

本文采用紅外和超聲傳感器采集人流信息的傳感數(shù)據(jù)，通過433M無線模塊將其輸送到52單片機進行處理，并對下一時段的人流量進行預測，最后通過LCD顯示屏顯示所需數(shù)據(jù)，展示當前人數(shù)，實現(xiàn)等待時間的預報功能。與前人的工作相比，我們的產(chǎn)品制作成本低，容易推廣，同時能夠準確計數(shù)兩人同排并行進出的情況，很好的實現(xiàn)了預報功能。并且順利通過仿真實驗。

1.設計原理

基于STC89C52單片機的景區(qū)人流統(tǒng)計及預測系統(tǒng)主要由主機模塊部分和從機模塊部分組成。主機部分由主控制器，無線傳輸模塊和顯示模塊組成，安裝在游覽景區(qū)的公示處。從機模塊由主控制器，多傳感器組（紅外檢測模塊，超聲波檢測模塊）和無線傳輸模塊組成，主控制器與無線傳輸模塊一同放置在游覽景區(qū)內(nèi)部或入口外排隊路徑上的適宜位置，紅外與超聲波檢測模塊均分別安裝在游覽景區(qū)的入口和出口處，通過接線與從機的主控制器相連。假設該游覽區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有人數(shù)為M1，當有游客進出該區(qū)域時，在入/出口處時，先經(jīng)由紅外檢測模塊檢測到有人進入/退出，主控制器接收紅外檢測模塊的數(shù)據(jù)變化并檢驗是否為有效變化，確認為有效變化（即確認有人進入，排除外界因素引起的波動）后，再將超聲波模塊置于工作狀態(tài)，檢測并排情況，超聲波模塊反饋的檢測信息發(fā)送至從機控制器，從機控制器將接收到的超聲波檢測信息進行處理，得到該景區(qū)當前時刻進區(qū)人數(shù) a 、退區(qū)人數(shù) b 、該時刻景區(qū)內(nèi)凈增人數(shù) M2=a-b 與該時刻更新后的現(xiàn)有人數(shù)M3=M1+M2，通過從機無線傳輸模塊將以上四個實際數(shù)據(jù)傳送給主機模塊的無線傳輸模塊。主機無線傳輸模塊收到傳送信息后，把信息發(fā)送至主機模塊主控制器，在所得信息基礎上加以處理并進行預測，得到當前景區(qū)內(nèi)人數(shù)、當前進區(qū)需等候時間與預測某一段時間后進區(qū)需等待時間三個信息數(shù)據(jù)，隨即在主機模塊顯示器公示。通過各模塊信息的實時更新與關聯(lián)，在公示處顯示器上即可準確獲取任何時候某區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)有人數(shù)及入?yún)^(qū)需等待時間，從而方便游客規(guī)劃游覽路線，也利于景區(qū)工作人員對景區(qū)進行管理維護并做好預防措施。

2.硬件設計

主機和從機分別進行智能計算與結果顯示、數(shù)據(jù)收集與傳輸兩部分工作。主機部分中，主控制器與多傳感器組通過串口連接，主機和從機之間通過433M無線傳輸模塊進行信息交互。串口連接高效穩(wěn)定，433M無線傳輸模塊傳輸距離遠，為系統(tǒng)信息傳遞提供了可靠解決方式。

2.1 主控制器

主機和從機設備分別使用一臺STC89C52單片機作為主控制器。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程閃存，為本套系統(tǒng)的完成提供了高靈活性、高性價比的解決方案。STC89C52使用經(jīng)典的51內(nèi)核，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。但作為一款增強型8051單片機，定時器方面增設Timer2，使得6 時鐘/機器周期和12 時鐘/機器周期的三個定時器之間做到了任意選擇，這使得本系統(tǒng)中人流預測功能得以更可靠地實現(xiàn)。處理器工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機），IO口32個，ISP/IAP功能使得這款單片機無需專用編程器或仿真器，可通過串口連接USB轉換模塊直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片，為本系統(tǒng)的搭建提供了優(yōu)秀的硬件保障。

2.2多傳感器組

多傳感器組包括兩個熱釋紅外傳感器、四個反射式超聲傳感器（兩兩一組）構成。

2.2.1紅外檢測模塊

生物體本能地向外輻射電磁波（紅外熱），人體向外輻射電磁波的的波長為8-14μm。本系統(tǒng)中紅外模塊選用的D203B紅外傳感器可以根據(jù)人體向外輻射紅外熱的波長特點，將特定波長的的紅外信號轉化為電信號。當感應范圍內(nèi)無人經(jīng)過時，傳感器只感應背景溫度，而有人經(jīng)過時，加裝菲涅爾透鏡的探頭感應到人體溫度與背景溫度之間的信號差異，把這種轉化為電信號，通過BISS0001芯片進行比較，最終拉低輸出端電平。Timer1進行計時工作，并觸發(fā)復位。

2.2.2 超聲檢測模塊

本系統(tǒng)采用HY-SRF05超聲波測距模塊，該傳感器依靠壓電效應進行工作，包含發(fā)射器部分和接收器部分。工作電壓DC5V，工作電流15mA，測量角度15°，可以完成2-450cm的測距工作。當提供一定長度的脈沖信號時，模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40kHz脈沖并檢測回波。當回波被檢測到時，輸出端電平被拉高。以入口處為例，設兩側傳感器P、Q測得距離為S1和S2，聲速為v，高電平時間為t，根據(jù)

可得S1和S2，做和再與入口處寬度L相比較來判斷是否存在并行的情況。

2.3 433M無線傳輸模塊[6]

本系統(tǒng)中所選用的是TI公司的CC1020芯片，這款低成本無線級芯片在低功率傳輸中性能卓越。該芯片內(nèi)含一個功率放大器、單穩(wěn)態(tài)電路、一個內(nèi)部電壓控制的振蕩器和一個循環(huán)過濾的鎖相環(huán)。該芯片自動待機狀態(tài)下較為省電，且所需外部支持器件較少，是理想的無線傳輸芯片。信息傳輸過程還需借助SimpliciTI協(xié)議棧，通過433MHz頻段的單端傳輸天線來實現(xiàn)。分別通過使芯片的DIO管腳電平發(fā)生改變來切換信號的發(fā)送和接收模式。

2.4 LCD顯示屏模塊

在初代實物搭建時，采取了較為簡易的LCD1602模塊進行有關信息的顯示，后因需要顯示的數(shù)據(jù)較多，開發(fā)滾動顯示功能。LCD12864液晶也是解決大量信息顯示的方案之一。在需要較大功率的液晶屏顯示時，可通過串口將數(shù)據(jù)傳輸至PC終端帶動大功率液晶屏顯示。

3.軟件設計

系統(tǒng)選用 STC89C52 單片機為數(shù)據(jù)處理器，采用C 語言編寫，在Keil 環(huán)境下開發(fā)， 使軟件具有可讀性好、可移植性好等特點。[5]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。

從機模塊中的紅外檢測模塊與超聲波檢測模塊作為數(shù)據(jù)采集的基礎模塊，兩者的程序關系與系統(tǒng)整體設計保持一致，且入口處與出口處兩模塊的程序基本相同。以入口處兩模塊程序為例，流程如圖6所示。程序中紅外傳感器的信號采用外部中斷下降延觸發(fā)方式，當紅外傳感器接收到外部信號時，而后先經(jīng)過delay檢驗信號是否有效（避免外界因素干擾產(chǎn)生的誤差），確認有效后進入中斷服務子程序，處理完中斷服務子程序后返回主程序。超聲波檢測完成后將信息發(fā)送至從機主控制器，從機主控制器對信息進行處理并得到得到該景區(qū)當前時刻進區(qū)人數(shù)、退區(qū)人數(shù) 、該時刻景區(qū)內(nèi)凈增人數(shù)與該時刻更新后的現(xiàn)有人數(shù)四個數(shù)據(jù)。紅外檢測和超聲波檢測的子程序均調(diào)用在從機主程序中，較好地保證了多傳感器工作的同步性。

主機模塊的無線傳輸模塊始終工作在接收狀態(tài)，從機模塊的無線傳輸模塊始終工作在發(fā)送狀態(tài)。設定全局變量數(shù)組R（ R[0] 、 R[1] ，初始化值為 0）用來存儲當前某區(qū)域當中的現(xiàn)有人數(shù)（R[0]）與下一時刻更新后的人數(shù)（R[1]），從機模塊主控制器每更新一次當前人數(shù)，先判斷與原現(xiàn)有人數(shù)是否有變化，若兩個數(shù)據(jù)不一致則令 R[0] = R[1]，R[1] = 0，并隨即通過無線傳輸將更新后的現(xiàn)有人數(shù)信息發(fā)送給主機模塊（若兩數(shù)據(jù)相等則不執(zhí)行傳輸并等待下一次更新）。

主機無線模塊每接收一次從機發(fā)送的更新信息，反饋到主機模塊主控制器，進行信息數(shù)據(jù)處理與預測。將大量前期調(diào)研采集到的數(shù)據(jù)，進行線性回歸擬合后得到以下關系式：

利用現(xiàn)有人數(shù)R[0]求出當下入?yún)^(qū)需等待時間t1。設一數(shù)組W（W[0]、W[1]、…、W[59]）讀入初始60個凈增人數(shù)數(shù)據(jù)，之后利用計時器每隔時間t0（1s）將整體數(shù)據(jù)后移一個地址（舍棄原W[59]），并讀入一個新W[0]，把數(shù)組W實時60個數(shù)據(jù)求和得到w，并計算人數(shù)凈增長的速率v。預測10min之后凈增加人數(shù)y與 10分鐘后入?yún)^(qū)需等待時間t3。故得到主機模塊主控制器中的處理與預測相關公式如下：

最后通過主機模塊的顯示模塊的顯示器把現(xiàn)有人數(shù)（更新后）、當下入?yún)^(qū)需等待時間t1與預測10分鐘后入?yún)^(qū)需等待時間t3進行公示，流程如圖 3 所示。

4.結束語：

這套基于52單片機的景區(qū)人流檢測及智能提示系統(tǒng)設計，不僅前期有著大量的實地勘測以及資料文獻的積累，也結合了紅外、超聲傳感、擬合預測等多種技術，實現(xiàn)了對熱門景區(qū)人口密集程度反饋、人口未來流動趨勢等多方面的構想。由于其材料價格低廉、應用范圍廣，一定程度上節(jié)約了景區(qū)的成本。另外其人性化的設計，以及易操作性，極大地提高了旅客的出游質量。目前我們小組的設計系統(tǒng)已經(jīng)通過了仿真實驗，相信通過后期的進一步完善和修正，將會有著更加廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]千承輝，王超，曹曦元，凌振寶，萬云霞.多傳感器數(shù)據(jù)處理的人流量監(jiān)測系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索，2013，32（02）：35-38.

[2]鐘鼎，尹媛媛.基于STM32人流量統(tǒng)計監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2011，19（20）：94-96.

[3]李艷，葛年明，陳杰.基于ZigBee的多傳感器物聯(lián)網(wǎng)無線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].自動化技術與應用，2015，34（01）：47-51.

[4]賴顯渺，張政潑，蔣桂平.基于單片機的熱釋電紅外傳感安防報警電路的設計[J].輕工科技，2015，31（05）：32-33.

[5]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） ：199202.

[6]顏丙洋. 基于433MHz模塊的遠程抄表安全系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].山東師范大學，2014.