一種低成本的室內人數監控系統

秦立靜，劉 歡

（甘肅農業大學 信息科學技術學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

準確的人數統計信息對于學校、車站、地鐵、餐館、展覽館等公共場所進行資源的合理分配和利用非常重要[1]。基于這種需求，人數統計系統應運而生，盡管它的發展非常迅速，但是目前進行人數統計的方式主要還是通過視頻監控系統實現。相對于一些只要求記錄人數數據而不要求采集人的具體特征的場所而言，一套完整的視頻監控系統的制作成本較高，造成了不必要的資源浪費。利用STC89C52單片機技術和傳感器技術設計的人數監控系統[2-6]，集溫濕度環境測量、體溫檢測、時鐘顯示和人數統計于一體，以其成本低廉，準度較高等優勢，滿足了當前市場的需求，可廣泛應用于公共場所。

1 系統總體方案設計

基于單片機技術與傳感器技術的智能人數統計系統主要以STC89C52單片機為中心進行設計和擴展，系統功能通過軟硬件結合的方式實現，外圍主要包括電源電路、按鍵電路、時鐘電路、數據采集單元、數據處理與分析單元等。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統整體設計框圖

2 系統硬件電路設計

2.1 STC89C52主控單元電路設計

選擇STC89C52單片機作為系統的核心，主要完成一些運算并控制每個模塊電路的運行。STC89C52單片機系統主要由供電電路、復位電路、時鐘電路等組成。

2.2 電源電路

在單片機系統中，為電路供電的電源模塊是保證系統能夠穩定工作的重要前提。USB電源可以提供5 V直流電源，確保系統正常工作。該設備能真正做到“即插即用”，具有速度快、連接靈活、及時補充電源等優點，且相比使用電池供電，USB輕巧便攜，更環保。

2.3 按鍵電路設計

按鍵設計選用3個獨立按鍵實現電路的不同功能，按鍵的一端分別與單片機的25，26，27引腳連接，另一端接地。由于此設計采用STC89C52單片機，而P2口有一個內置的上拉電阻，因此無需再連接上拉電阻。當手動按下其中某一個按鍵時，該按鍵對應的單片機引腳被拉低，松開按鍵后，I/O口變為高電平。可根據單片機引腳的高低電平變化判斷對應的按鍵操作。

2.4 數據采集單元設計

系統數據采集主要包括室內溫濕度的采集和人數統計。

2.4.1 溫濕度信息采集技術

科學研究表明，當室內溫度處于19～24 ℃，濕度處于40%RH～60%RH時，室內空氣較好，環境舒適，人的大腦運轉和心理狀態最佳，思維反應快，工作效率高[7]，掌握室內的溫濕度情況能夠為人們提供良好的工作環境。該設計選用DHT11傳感器檢測室內的溫濕度變化情況。DHT11數字溫濕度傳感器是一種結合溫度和濕度測量的復合傳感器[8]，只有4個引腳，接口簡單、體積小、響應速度快、抗干擾性強、質量好、價格低，為4針單排引腳封裝，采用單線制串行接口連接，相比其他電路而言比較簡單，可靠性和穩定性高。

2.4.2 紅外光電傳感器

人數統計模塊選用E18-D80NK傳感器實現，它是一種集發射與接收于一體的紅外數字反射傳感器[9]，利用被檢測物體對紅外光束的遮擋或反射對物體進行檢測。當室內有人員出入時，發射器發射的光線被遮擋后返回接收器端，然后在接收器內部將光信號轉化為電信號，并在放大電路中對其進行濾波、放大、解調等操作后輸出低電平信號，此時光電開關的指示燈被點亮；反之，無人員進出時，紅外線反射的光不能使接收管達到飽和狀態，光電開關的指示燈處于熄滅狀態。

2.4.3 時鐘模塊設計

選用DS1302時鐘芯片實時顯示時間，該芯片與單片機的連線較少，很大程度上節省了單片機的系統資源。單片機通過讀取DS1302中寄存器的數據就能得到正確的時鐘和日歷信息。

DS1302時鐘芯片性能好，功耗低，內部有RAM實時時鐘電路，可以對年、月、日、時、分、秒進行準確計時，對閏年進行補償，并設置時間模式（12小時制或24小時制）。除此之外，該芯片還有充電寄存器，可在斷電時工作。芯片工作電壓為2.5～5.5 V，在傳送數據時，只有將RST引腳端置為高電平，才能將命令字及數據送入寄存器，如果RST端為低電平，則終止數據的傳送，無法顯示時間。

2.4.4 紅外測溫設計

使用MLX90614紅外測溫傳感器進行人體溫度檢測。人體熱量以熱輻射的形式散發到環境中，被測物體發出的能量匯集在光電探測器，將紅外信號轉換為對應的電信號，經過內部放大器和A/D信號處理電路后送到單片機中處理[10]。將處理后的數據送到液晶顯示器中顯示，由此確定人體溫度是否正常。

相比傳統的體溫計而言，該系統進行溫度測量時無需接觸，只需將探測窗口對準臉的位置，即可安全、快速、準確地測出人體溫度，操作簡單、便捷。

2.5 數據處理與分析

2.5.1 人數統計

選用2個紅外光電開關實現實時人數統計。將2個紅外傳感器并排安裝在每個教室的前門或后門，區分傳感器被先后觸發的順序，將光電信號轉換成單片機能夠讀取的高低電平信號，單片機分析處理中斷信號并計算，實現人數統計。

2.5.2 數據顯示模塊設計

LCD12864液晶顯示模塊主要由行驅動器/列驅動器及128×64全點陣液晶顯示器組成，能夠實現多位運行以及多線連接[11-12]，可以將單片機輸出的參數顯示在界面，操作方便，安裝簡單，成本較低。通過單片機運行處理電路，結合LCD12864液晶顯示器，將放大、濾波處理后的有效數據在顯示屏上使用阿拉伯數字顯示出來。

3 系統軟件設計

程序設計主要涉及數據檢測部分和數據實時顯示部分，其準確性直接影響系統的準確性與可靠性。將程序分解為獨立的子程序，進行編程和調試。其中，數據檢測部分負責檢測來自光電開關電路的脈沖信號是否發生加減變化，并選擇性記錄數據；顯示部分用來顯示輸出的數值變化。軟件實現流程如圖2所示。

圖2 軟件實現流程

3.1 LCD顯示子函數

通過LCD12864內部的指令實現數據的寫入和讀取，并實時顯示、存儲[13]。顯示程序主要包括初始化、寫指令、讀指令等，程序運行過程中其數據顯示流程如圖3所示。

圖3 數據顯示流程

3.2 室內人數統計子函數

無人經過時，2個紅外傳感器接收器端均為高電平，不會產生脈沖信號，單片機計數保持不變。先判斷光電開關1和光電開關2的電平，如果檢測到光電開關1為低電平，之后檢測光電開關2也為低電平，則說明有人員進入室內，人數加1；若光電開關2為高電平，則重新開始檢測。反之，如果先檢測到光電開關2為低電平，之后檢測光電開關1為低電平，則說明有人走出，人數減1；若光電開關2為高電平，則重新開始檢測并記錄人數。人數統計流程如圖4所示。

圖4 人數統計流程

3.3 紅外測溫函數設計

接通電源時，STC89C52單片機自動復位，運行程序，進行紅外測溫并接收數據，若測得的體溫值高于36.7 ℃，則報警；若低于36.7 ℃，則正常顯示溫度，之后再判定是否結束溫度測量程序。紅外測溫流程如圖5所示。

圖5 紅外測溫流程

4 系統安裝與調試

本系統在設計過程中，對于軟件和硬件的設計均采用模塊化形式進行[13]，分工明確，可確保系統在出現異常時迅速進行判斷和分析。先進行硬件電路的設計和調試，再進行軟件部分程序的編寫與運行，完成每個模塊的設計后，將程序導入單片機中運行調試。

4.1 硬件安裝及調試

硬件電路是實現軟件電路的基礎，系統設計中，從選型到完成設計所需模塊較多，涉及的電路較復雜，包含單片機微處理器、數據采集和分析模塊、數據顯示模塊、電源模塊、按鍵模塊等，因此硬件焊接和組裝的工作量較大。在制作硬件電路之前，需按照功能將電路劃分為小模塊，然后合理安排布線，理清元件中每個引腳的正負和功能。最后，在Altium Designer軟件中繪制出各模塊的原理圖，檢查無誤后在電路板上焊接。

4.2 軟件調試

本系統程序通過C語言編寫，不僅效率高，程序執行速度也比較快，且容易理解，最重要的是它具有完善的模塊程序結構。在編寫完每個模塊的程序后進行調試，只有通過調試才能查找和修改代碼，起到矯正作用。選用目前較受歡迎的Keil軟件進行程序的編寫和調試，生成.hex文件，通過串口燒錄進單片機后上電即可運行。

5 結 語

本文設計了一種以單片機為核心部件的室內人數監控系統，實現了紅外信息采集、溫濕度檢測、人數統計、時鐘顯示等功能。該系統可用于車站、學校、餐館、城市公園等場所的人數統計和溫濕度提示，也可用于極端社會環境下的人員流動安全監控與體溫檢測。