智能人流量檢測報警系統(tǒng)設計

黃勤陸，喻興隆，冉　煦

(成都紡織高等專科學校電氣信息工程學院，四川 成都 611731)

0　引言

近年來，因夜間使用ATM機而引起的安全事故頻頻發(fā)生。由于搶劫等惡性事件通常發(fā)生在夜間，因此，設計一種能夠?qū)崟r監(jiān)控夜間ATM區(qū)域等特殊場所人流量、及時作出流量統(tǒng)計、若發(fā)現(xiàn)滯留等異常現(xiàn)象及時示警的系統(tǒng)變得十分有意義。

現(xiàn)階段常用的人流量檢測系統(tǒng)一般有以下兩種。第一種是由微處理器及光電、聲電傳感器模塊為主的人流量檢測系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)具有成本低廉、應用廣泛等特點，但是對于人流量較大的情況，計數(shù)準確性欠佳。第二種是基于圖像處理技術的人流量檢測系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)能夠?qū)\動目標進行跟蹤，并通過分析目標特點進行人流量統(tǒng)計，較大程度地避免人員遮擋[3]。盡管這類型系統(tǒng)能夠檢測動態(tài)目標并且計數(shù)準確，但是復雜的結(jié)構及技術、高昂的成本制約了其推廣及應用。

本文設計了一種基于以太網(wǎng)的智能人流量檢測報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有成本低、安裝方便、應用范圍廣等特點，尤其適用于夜間ATM區(qū)域監(jiān)測。

1　系統(tǒng)組成

智能人流量檢測報警系統(tǒng)主要由現(xiàn)場報警控制器和服務器兩部分組成，通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構圖

報警控制器實時監(jiān)測監(jiān)控范圍內(nèi)的人流量，并將流量數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器；若發(fā)現(xiàn)人員滯留等可疑現(xiàn)象，向服務器發(fā)出警示。報警控制器主要由以太網(wǎng)通信模塊、人流量檢測模塊、報警輸出模塊和Web Server參數(shù)設置模塊組成。

服務器對在線的報警控制器進行設備注冊，并根據(jù)流量數(shù)據(jù)對報警控制器發(fā)出觸發(fā)報警或重置報警操作。服務器主要由設備注冊模塊、觸發(fā)報警模塊、重置報警模塊和心跳機制模塊組成。

報警控制器上電后，首先進行初始化，再向服務器發(fā)送注冊信息。注冊成功后，報警控制器將自動監(jiān)控流量數(shù)據(jù)。一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，其立即向服務器提交報警數(shù)據(jù)，并由服務器決定是否啟動本地報警。如果啟動本地報警，服務器向報警控制器發(fā)出報警指令，報警控制器報警輸出端口有效。報警信息包括報警設備類型DevType、報警時間AlarmTime、報警次數(shù)AlarmNum、報警人數(shù)AlarmPeople等。服務器收到報警信息后，向報警控制器返回確認信息。

報警控制器報警或異常后需要復位，復位后首先向服務器發(fā)起注冊。如果注冊不成功，間隔一定時間繼續(xù)注冊，直至注冊成功。注冊成功后，報警控制器應定時向網(wǎng)關發(fā)送心跳信息；一旦心跳信息發(fā)送失敗，報警控制器應重新注冊。注冊完成后，報警控制器保存注冊信息，以免掉電丟失。注冊信息協(xié)議包括版本信息Version、ID信息BoxDeviceID、IP地址、控制器端口號Port、銀行名BankName、網(wǎng)點名Store Name等。

心跳機制用于維持報警控制器在線。注冊完成后，報警控制器應根據(jù)注冊后反饋心跳周期，定時向服務器發(fā)送心跳信息。服務器根據(jù)心跳信息確認報警控制器的在線狀態(tài)。心跳信息如果一次發(fā)送不成功，則在設置的20 s間隔周期后再次發(fā)送。如果仍不成功，即認為報警控制器離線，應重新向服務器注冊。

2　報警控制器設計

報警控制器由人流量檢測模塊、報警輸出模塊、以太網(wǎng)通信模塊、參數(shù)設置模塊組成。報警控制器采用STM32F207芯片作為中央處理器，接收傳感器的輸入數(shù)據(jù)，并通過Web Server模塊將信息實時傳至服務器。服務器通過對數(shù)據(jù)的判斷，決定是否發(fā)出警報。

2.1　人流量檢測模塊

人流量檢測模塊包括人流量計數(shù)模塊和人員有無檢測模塊，通過兩個紅外開關和一個紅外熱釋電傳感器，判斷人員進入/離開房間情況，統(tǒng)計人數(shù)以及監(jiān)測特殊滯留情況。

人流量檢測模塊采用紅外漫反射傳感器進行信息采集。該傳感器集發(fā)射器和接收器于一體，當被檢測物體經(jīng)過檢測頭時，發(fā)射器發(fā)出的紅外光線將被反射器接收，并產(chǎn)生開關信號[4]。采用一對紅外線漫反射開關檢測人員流量，工作電壓為12 VDC，感應范圍為5～100 cm可調(diào)。在工作過程中，若沒有人員經(jīng)過時，開關輸出低電平；當開關探測到有人員經(jīng)過時，開關輸出躍變?yōu)楦唠娖剑a(chǎn)生一個上升沿。 人員檢測示意圖如圖2所示。

圖2　人員檢測示意圖

圖2中：兩個紅外漫反射開關探測點A1與A2的距離S為50 cm。假設人員的前進速度v為2 m/s，若忽略開關的延時(小于1 ms)，根據(jù)式(1)，則兩個開關輸出的上升沿之間的時間差t為250 ms。

(1)

紅外漫反射開關電平變化如圖3所示。

圖3　紅外漫反射開關電平變化圖

如圖3所示，上、下兩個時序圖分別對應兩個紅外漫反射開關探測點A1與A2的電平變化。若系統(tǒng)先接收到A1的上升沿信號、再接收到A2的上升沿信號、則判斷為有人員進入，計數(shù)器加1；相反，若系統(tǒng)先接收到A2的上升沿信號，再接收到A1的上升沿信號，則判斷為有人員離開，計數(shù)器減1。

人員有無檢測模塊使用紅外熱釋電傳感器實現(xiàn)。人體的恒定體溫約37 ℃，根據(jù)紅外輻射基本原理[5]可知，人體將會輻射出波長約為10 μm的紅外線。壓電材料，如鉭酸鋰、鈦酸鋇等，隨溫度的升高會發(fā)生極化現(xiàn)象，從而釋放一部分電荷[6]，這種現(xiàn)象被稱為熱釋電效應。

將這類材料制成薄片并在其上下表面設置電極。當紅外線照射到材料表面引起溫度改變ΔT時，極化電荷為ΔP。假設元件的等效電容為C，則該薄片上下表面電極將產(chǎn)生的極化電壓ΔV為：

(2)

紅外熱釋電傳感器的波長靈敏度范圍一般為0.2～20 μm，使用時需要加濾光片[7]，確保波長為10 μm左右的紅外線能夠通過，從而檢測出人體發(fā)出的紅外波長。據(jù)統(tǒng)計，在夜間使用一次ATM取款機的正常平均時間為5 min。因此，若系統(tǒng)持續(xù)收到超過5 min的高電平信號，將向服務器發(fā)出警示，提醒值班人員使用監(jiān)控設備觀察潛在的危險情況。

人流量檢測模塊接口電路如圖4所示。圖4中：IN1～IN4接外部報警開關輸出；U2為四路光耦；R3～R6為光耦輸入側(cè)限流電阻；C1～C4為硬件濾波電容；INPUT1～INPUT4為經(jīng)過光耦隔離后的檢測信號，與STM32的輸入端口連接[8]。

圖4　人流量檢測模塊接口電路

系統(tǒng)共設計了八路輸入，分別為五路報警輸入、一路雙檢信號輸入和兩路流量計數(shù)輸入，其通道分配及開關類型通過參數(shù)設置系統(tǒng)設定。

2.2　以太網(wǎng)通信模塊

以太網(wǎng)通信模塊接口電路采用帶SPI接口的獨立以太網(wǎng)控制器ENC28J60作為從機，通過SPI接口與STM32主機連接。ENC28J60集成介質(zhì)訪問控制(media access control，MAC) 和10 BASE-T PHY，包含接收器和沖突抑制電路，支持一個帶自動極性檢測和校正的10 BASE-T端口，可采用全雙工和半雙工模式工作，ENC28J60具有8 KB發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包雙端口SRAM。MAC支持單播、組播和廣播數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包通過編程進行過濾，并在事件的邏輯“與”和“或”結(jié)果為真時，喚醒主機，以匹配64 B的可編程模式。

2.3　報警輸出模塊

報警輸出模塊用于驅(qū)動聲光報警裝置，采用繼電器輸出。接口電路如圖5所示。

圖5　報警輸出模塊接口電路

圖5中，OUTPUT1端口為報警輸出通道1，與STM32的通用輸出端口連接，經(jīng)光耦TLP521進行信號隔離后，由三極管Q1驅(qū)動繼電器線圈。R2為三極管Q1的基極限流電阻，D1為繼電器線圈的續(xù)流二極管。OUT1_COM、OUT1_NO、OUT1_NC分別對應報警輸出通道1的繼電器輸出公共端、常開輸出端和常閉輸出端。

3　服務器設計

服務器通過以太網(wǎng)與報警控制器進行數(shù)據(jù)信息交換，提供數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)設置、Web應用服務。

基于Web Server的報警控制器參數(shù)設置系統(tǒng)，可通過Web頁面完成功能設置。在瀏覽器中輸入報警控制器的IP地址，即可登錄Web設置界面。在進入Web設置界面前，需輸入用戶名和密碼，校驗通過后進入設置頁面。頁面主要包含報警控制器網(wǎng)絡參數(shù)設置、遠程服務器網(wǎng)絡參數(shù)設置、輸入端口設置、輸出端口設置、人員檢測設置、設備ID設置等功能。報警控制器網(wǎng)絡參數(shù)設置用于配置報警控制器本地網(wǎng)絡參數(shù)，主要包括IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關、DNS服務器、MAC地址等。網(wǎng)絡參數(shù)設置子函數(shù)流程包括：讀寫IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關、DNS服務器、MAC地址設置。這些網(wǎng)絡參數(shù)保存在系統(tǒng)的Flash中。遠程服務器參數(shù)設置用于配置服務器的網(wǎng)絡參數(shù)，主要包括服務器IP地址、服務器端口號、單位名稱和網(wǎng)點名稱等。遠程服務器參數(shù)設置子函數(shù)如下：

Static void html_ServerParmSet(char *data)

{

char tmp[100];

char c_tmp[33];

……

read_flash(HtmlSizeAddress+2*1024,(u16 *)htmlreadbuf,2048);

}

服務器的參數(shù)從Flash中讀取，服務器IP地址及網(wǎng)點名稱從數(shù)組data中提取和更新。另外，I/O端口參數(shù)設置用于配置輸入端口名稱、信號常開/常閉狀態(tài)、觸發(fā)時間設置、報警輸出端口號、聯(lián)動模式等。

4　結(jié)束語

本文介紹了一種基于以太網(wǎng)的智能人流量檢測報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控銀行網(wǎng)點等場所的人員出入情況，進行人流量統(tǒng)計并在發(fā)現(xiàn)異常情況后及時報警。本文較詳細地介紹了報警控制器的工作原理及硬件設計、Web Server參數(shù)設置系統(tǒng)、通信協(xié)議及工作流程。該系統(tǒng)樣機在四川某銀行網(wǎng)點與銀行現(xiàn)有數(shù)據(jù)管理應用系統(tǒng)實現(xiàn)了無縫對接。測試表明，該產(chǎn)品運行穩(wěn)定、可靠，可在銀行等監(jiān)測領域推廣應用。

參考文獻:

[1] 楊偉軍，郭勇.采用紅外線的大型公共場所人流誘導疏散方法的研究[J].沈陽理工大學學報，2012,31(5):44-47.

[2] 許伶俐.基于單攝像機的行人檢測與人流量統(tǒng)計技術研究[D].無錫：江南大學，2014.

[3] 張卿.基于視頻的人流檢測與分析研究[D].上海：上海交通大學，2012.

[4] 王彪，陳越，劉昱，等.基于STM32的激光霧霾控制儀光電系統(tǒng)設計[J].沈陽工業(yè)大學學報，2017,39(6):655-658.

[5] 張金玉.紅外熱波檢測及其圖像序列處理技術[M].北京:國防工業(yè)出版社，2015:55-60

[6] 孫華，李揚.熱釋電紅外傳感器原理及其應用[J].內(nèi)江科技，2010,31(12)：116.

[7] 楊波，陳憂先.熱釋電紅外傳感器的原理和應用[J].儀表技術，2008(6):66-68.

[8] 黃勤陸，黃鳳江，崔靜，等.一種基于電梯監(jiān)測的無線射頻收發(fā)裝置設計[J].電子設計工程，2016,24(2):190-193.