基于52單片機(jī)的景區(qū)人流檢測及智能提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高卓爾 嚴(yán)金煒 趙樂妍 孫士棋 江宇柔

摘 要：為了對(duì)熱門景區(qū)人流量進(jìn)行很好的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款基于52單片機(jī)，輔之以紅外、超聲傳感技術(shù)的人流檢測及智能提示系統(tǒng)。整個(gè)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(jī)上。主從機(jī)之間通過433M無線模塊傳輸數(shù)據(jù)，主機(jī)通過調(diào)用前期實(shí)地調(diào)研及搜索資料所得的人口預(yù)測擬合函數(shù)，對(duì)景區(qū)在未來一段時(shí)間內(nèi)的人流密度及其變化做出預(yù)估，并將反饋結(jié)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(shí)且增強(qiáng)了安全保障。

關(guān)鍵詞：52單片機(jī);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(diǎn)常常會(huì)發(fā)生因?yàn)橛斡[人數(shù)眾多造成的擁堵現(xiàn)象。所幸的是，當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)、通信、紅外監(jiān)測技術(shù)的迅速發(fā)展讓這一切得以解決?；谶@些技術(shù)，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(diǎn)每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)人流量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)則更方便地服務(wù)了景區(qū)的人流量管理。實(shí)時(shí)景區(qū)人流檢測及智能提示系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)，這樣的人流量統(tǒng)計(jì)不僅可以廣泛運(yùn)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(lǐng)域起到關(guān)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(jī)進(jìn)行處理，并對(duì)下一時(shí)段的人流量進(jìn)行預(yù)測，最后通過LCD顯示屏顯示所需數(shù)據(jù)，展示當(dāng)前人數(shù)，實(shí)現(xiàn)等待時(shí)間的預(yù)報(bào)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(shí)能夠準(zhǔn)確計(jì)數(shù)兩人同排并行進(jìn)出的情況，很好的實(shí)現(xiàn)了預(yù)報(bào)功能。并且順利通過仿真實(shí)驗(yàn)。

1.設(shè)計(jì)原理

基于STC89C52單片機(jī)的景區(qū)人流統(tǒng)計(jì)及預(yù)測系統(tǒng)主要由主機(jī)模塊部分和從機(jī)模塊部分組成。主機(jī)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(jī)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(duì)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(jī)的主控制器相連。假設(shè)該游覽區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有人數(shù)為M1，當(dāng)有游客進(jìn)出該區(qū)域時(shí)，在入/出口處時(shí)，先經(jīng)由紅外檢測模塊檢測到有人進(jìn)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(yàn)是否為有效變化，確認(rèn)為有效變化（即確認(rèn)有人進(jìn)入，排除外界因素引起的波動(dòng)）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(jī)控制器，從機(jī)控制器將接收到的超聲波檢測信息進(jìn)行處理，得到該景區(qū)當(dāng)前時(shí)刻進(jìn)區(qū)人數(shù) a 、退區(qū)人數(shù) b 、該時(shí)刻景區(qū)內(nèi)凈增人數(shù) M2=a-b 與該時(shí)刻更新后的現(xiàn)有人數(shù)M3=M1+M2，通過從機(jī)無線傳輸模塊將以上四個(gè)實(shí)際數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)模塊的無線傳輸模塊。主機(jī)無線傳輸模塊收到傳送信息后，把信息發(fā)送至主機(jī)模塊主控制器，在所得信息基礎(chǔ)上加以處理并進(jìn)行預(yù)測，得到當(dāng)前景區(qū)內(nèi)人數(shù)、當(dāng)前進(jìn)區(qū)需等候時(shí)間與預(yù)測某一段時(shí)間后進(jìn)區(qū)需等待時(shí)間三個(gè)信息數(shù)據(jù)，隨即在主機(jī)模塊顯示器公示。通過各模塊信息的實(shí)時(shí)更新與關(guān)聯(lián)，在公示處顯示器上即可準(zhǔn)確獲取任何時(shí)候某區(qū)域內(nèi)的現(xiàn)有人數(shù)及入?yún)^(qū)需等待時(shí)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(duì)景區(qū)進(jìn)行管理維護(hù)并做好預(yù)防措施。

2.硬件設(shè)計(jì)

主機(jī)和從機(jī)分別進(jìn)行智能計(jì)算與結(jié)果顯示、數(shù)據(jù)收集與傳輸兩部分工作。主機(jī)部分中，主控制器與多傳感器組通過串口連接，主機(jī)和從機(jī)之間通過433M無線傳輸模塊進(jìn)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(yuǎn)，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(jī)和從機(jī)設(shè)備分別使用一臺(tái)STC89C52單片機(jī)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(jià)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(qiáng)型8051單片機(jī)，定時(shí)器方面增設(shè)Timer2，使得6 時(shí)鐘/機(jī)器周期和12 時(shí)鐘/機(jī)器周期的三個(gè)定時(shí)器之間做到了任意選擇，這使得本系統(tǒng)中人流預(yù)測功能得以更可靠地實(shí)現(xiàn)。處理器工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機(jī)），IO口32個(gè)，ISP/IAP功能使得這款單片機(jī)無需專用編程器或仿真器，可通過串口連接USB轉(zhuǎn)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(gè)熱釋紅外傳感器、四個(gè)反射式超聲傳感器（兩兩一組）構(gòu)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(diǎn)，將特定波長的的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。當(dāng)感應(yīng)范圍內(nèi)無人經(jīng)過時(shí)，傳感器只感應(yīng)背景溫度，而有人經(jīng)過時(shí)，加裝菲涅爾透鏡的探頭感應(yīng)到人體溫度與背景溫度之間的信號(hào)差異，把這種轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過BISS0001芯片進(jìn)行比較，最終拉低輸出端電平。Timer1進(jìn)行計(jì)時(shí)工作，并觸發(fā)復(fù)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(yīng)進(jìn)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(dāng)提供一定長度的脈沖信號(hào)時(shí)，模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40kHz脈沖并檢測回波。當(dāng)回波被檢測到時(shí)，輸出端電平被拉高。以入口處為例，設(shè)兩側(cè)傳感器P、Q測得距離為S1和S2，聲速為v，高電平時(shí)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(jí)芯片在低功率傳輸中性能卓越。該芯片內(nèi)含一個(gè)功率放大器、單穩(wěn)態(tài)電路、一個(gè)內(nèi)部電壓控制的振蕩器和一個(gè)循環(huán)過濾的鎖相環(huán)。該芯片自動(dòng)待機(jī)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(shí)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(hào)的發(fā)送和接收模式。

2.4 LCD顯示屏模塊

在初代實(shí)物搭建時(shí)，采取了較為簡易的LCD1602模塊進(jìn)行有關(guān)信息的顯示，后因需要顯示的數(shù)據(jù)較多，開發(fā)滾動(dòng)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(shí)，可通過串口將數(shù)據(jù)傳輸至PC終端帶動(dòng)大功率液晶屏顯示。

3.軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用 STC89C52 單片機(jī)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(diǎn)。[5]整個(gè)系統(tǒng)的程序采用子程序調(diào)用的模塊化設(shè)計(jì)方式，各個(gè)子程序塊設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立，便于后期的修改和調(diào)整。

從機(jī)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(chǔ)模塊，兩者的程序關(guān)系與系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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?yàn)槔鞒倘鐖D6所示。程序中紅外傳感器的信號(hào)采用外部中斷下降延觸發(fā)方式，當(dāng)紅外傳感器接收到外部信號(hào)時(shí)，而后先經(jīng)過delay檢驗(yàn)信號(hào)是否有效（避免外界因素干擾產(chǎn)生的誤差），確認(rèn)有效后進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，處理完中斷服務(wù)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(jī)主控制器，從機(jī)主控制器對(duì)信息進(jìn)行處理并得到得到該景區(qū)當(dāng)前時(shí)刻進(jìn)區(qū)人數(shù)、退區(qū)人數(shù) 、該時(shí)刻景區(qū)內(nèi)凈增人數(shù)與該時(shí)刻更新后的現(xiàn)有人數(shù)四個(gè)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(jī)主程序中，較好地保證了多傳感器工作的同步性。

主機(jī)模塊的無線傳輸模塊始終工作在接收狀態(tài)，從機(jī)模塊的無線傳輸模塊始終工作在發(fā)送狀態(tài)。設(shè)定全局變量數(shù)組R（ R[0] 、 R[1] ，初始化值為 0）用來存儲(chǔ)當(dāng)前某區(qū)域當(dāng)中的現(xiàn)有人數(shù)（R[0]）與下一時(shí)刻更新后的人數(shù)（R[1]），從機(jī)模塊主控制器每更新一次當(dāng)前人數(shù)，先判斷與原現(xiàn)有人數(shù)是否有變化，若兩個(gè)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(jī)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(jī)無線模塊每接收一次從機(jī)發(fā)送的更新信息，反饋到主機(jī)模塊主控制器，進(jìn)行信息數(shù)據(jù)處理與預(yù)測。將大量前期調(diào)研采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性回歸擬合后得到以下關(guān)系式：

利用現(xiàn)有人數(shù)R[0]求出當(dāng)下入?yún)^(qū)需等待時(shí)間t1。設(shè)一數(shù)組W（W[0]、W[1]、…、W[59]）讀入初始60個(gè)凈增人數(shù)數(shù)據(jù)，之后利用計(jì)時(shí)器每隔時(shí)間t0（1s）將整體數(shù)據(jù)后移一個(gè)地址（舍棄原W[59]），并讀入一個(gè)新W[0]，把數(shù)組W實(shí)時(shí)60個(gè)數(shù)據(jù)求和得到w，并計(jì)算人數(shù)凈增長的速率v。預(yù)測10min之后凈增加人數(shù)y與 10分鐘后入?yún)^(qū)需等待時(shí)間t3。故得到主機(jī)模塊主控制器中的處理與預(yù)測相關(guān)公式如下：

最后通過主機(jī)模塊的顯示模塊的顯示器把現(xiàn)有人數(shù)（更新后）、當(dāng)下入?yún)^(qū)需等待時(shí)間t1與預(yù)測10分鐘后入?yún)^(qū)需等待時(shí)間t3進(jìn)行公示，流程如圖 3 所示。

4.結(jié)束語：

這套基于52單片機(jī)的景區(qū)人流檢測及智能提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅前期有著大量的實(shí)地勘測以及資料文獻(xiàn)的積累，也結(jié)合了紅外、超聲傳感、擬合預(yù)測等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱門景區(qū)人口密集程度反饋、人口未來流動(dòng)趨勢等多方面的構(gòu)想。由于其材料價(jià)格低廉、應(yīng)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(shè)計(jì)，以及易操作性，極大地提高了旅客的出游質(zhì)量。目前我們小組的設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)通過了仿真實(shí)驗(yàn)，相信通過后期的進(jìn)一步完善和修正，將會(huì)有著更加廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[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(shí)驗(yàn)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(jì)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2015，34（01）：47-51.

[4]賴顯渺，張政潑，蔣桂平.基于單片機(jī)的熱釋電紅外傳感安防報(bào)警電路的設(shè)計(jì)[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(shè)計(jì)[J] . 實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2011， 30（ 4） ：199202.

[6]顏丙洋. 基于433MHz模塊的遠(yuǎn)程抄表安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].山東師范大學(xué)，2014.