多傳感器數據處理的人流量監測系統

千承輝， 王 超， 曹曦元， 凌振寶， 萬云霞

（吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林長春 130026）

0 引言

隨著人類社會的進步，人口的不斷增多，商場、辦公樓和學校等場所的人流量逐年增加［1］，當發生火災、地震等意外災害時人們很難逃生，而有限的救援力量將使得災后的救援任務愈發艱難［2］，如何合理分配救援資源是亟待解決的重要問題。針對這種情況，實時了解商場、辦公樓、學校等場所的人口分布情況，是合理分配救援資源的必要手段和有效措施［3］。

目前，常用的的人流量計數系統主要有：①嵌入式微處理器和內、外紅外探測模塊構成的人流量監測系統［4］，此系統對單人進出的情況處理較為準確，但無法解決多人并排進出的問題;②基于圖像處理技術的人流量監測系統，采用并聯的多類分類器對當前圖像進行人頭檢測，確定當前圖像中的各人頭，對確定出的各人頭進行跟蹤，形成人頭目標運動軌跡，在人頭目標運動軌跡方向進行人流量計數［5］。此方法計數較為精確，但是成本過高，結構復雜，不利于推廣。

本文采用由兩對對射式紅外傳感器、兩對反射式超聲傳感器組成的多傳感器數據處理方式，將其輸出的信號送入AT89S52單片機進行綜合處理，得出人流量數據之后送予液晶屏顯示。與現有的人流量監測系統相比較，多傳感器數據處理方式在成本低廉、布線簡單的基礎上，實現了2人并排進出時的準確計數，提高了系統的精度和增強了系統的實用性。

1 測量原理

1.1 對射式紅外傳感器工作原理

系統采用PIH-T12NO/NC3MD（M12）NPN型對射式紅外傳感器，這是一種三線NPN常開型紅外感應開關，由于使用的是紅外光，可靠性高和抗干擾能力強，一般外界光都不會干擾其正常工作［6］。該傳感器工作電壓為直流10～30 V，輸出電流為200 mA，檢測距離最遠可達6 m，響應時間小于5 ms［7］。在工作過程中，當發射管和接收管之間沒有物體阻擋時，傳感器輸出高電平信號，一旦有物體通過即對傳感器進行遮擋，則其輸出電平立即發生跳變，產生一個下降沿。傳感器電平跳變過程如圖1所示。

圖1 對射式紅外傳感器輸出信號

1.2 反射式超聲傳感器工作原理

系統選用HC-SR04超聲波測距模塊，模塊采用的是壓電式超聲波傳感器，主要由超聲波發射器和超聲波接收器兩部分組成，它們都是利用壓電材料（如石英、壓電陶瓷等）的壓電效應進行工作［8］。該模塊為直流+5 V電壓供電，測量角度15°，可提供2～400 cm的非接觸式測距感應功能，測距精度可以高達3 mm［9］。超聲傳感器測距的原理是計算發射和接收聲波信號的時間差，根據超聲波在空氣中傳播的速度來計算障礙物的距離［10］。模塊采用I/O口TRIG（工作觸發）觸發測距，當IO口TRIG接收到一個至少10 μs的高電平信號時，模塊自動向外發送8個40 kHz的方波，并且自動檢測是否有信號返回，有信號返回時，通過I/O口ECHO（回聲檢測）輸出一個高電平，高電平持續的時間T就是超聲波從發射到返回的時間。超聲模塊工作時序圖如圖2所示。

圖2 超聲模塊工作時序圖

測試距離

式中：S是測試距離（m）;t是高電平時間（s）;340是聲速（m/s）。利用式（1）計算出通過物體分別與門框左右兩邊的距離S，為主控制器判斷并排通過人數提供判斷依據。

2 硬件設計

系統由多傳感器組、主控制器、人機接口模塊組成。多傳感器組和控制器模塊之間通過串口連接［11］，主控制器和人機接口模塊之間通過并口連接［12］。兩種連接方式配合使用使系統連接簡便，數據傳送不易出錯。系統的整體框圖如圖3所示。

圖3 系統的整體框圖

2.1 多傳感器工作原理

多傳感器由對射式紅外傳感器和反射式超聲傳感器構成。在檢測人數時，兩種傳感器同時工作。多傳感器的組成如圖4和表1所示。

圖4 綜合型傳感器組的組成

兩對對射式紅外傳感器可以判斷物體進出狀態［13］。將 A、A'，C、C'兩對對射式紅外傳感器平行安裝在場所的出入口內、外兩側，當A、A'先于C、C'檢測到屏蔽信號時，表明所測物體為離開;當C、C'先于A、A'檢測到屏蔽信號時物體為進入。同時，通過反射式超聲傳感器可以測量同一排進入或離開的人數。此時，超聲傳感器的工作原理如圖5所示。將B、D兩個反射式超聲傳感器模塊分別安裝在場所的出入口左、右兩側，測量進出物體到兩側的距離，用出入口處的總寬度L（L≤3 m）減去B、D所測距離，即為出入物體所占最大寬度（通過實際觀察可得出門寬不超過3 m時，一次并排出入的人數達到3人或3人以上時極為少見）。如所測出的最大寬度達到普通人身寬平均值的2倍或者達到2倍以上時，可認為此時一排同時通過2人;否則，可認為此時一排同時只通過1人（通過觀察，成年人的平均身寬一般在35～50 cm）。如果2人中1人進入1人離開，兩對對射式紅外傳感器信號記為先加1再減1，可視為人數不變。多傳感器計數工作情況如圖6所示。

表1 傳感器端口編號

圖5 綜合使用時超聲模塊工作原理

式中：L0是被測物體的寬度;L1是被測物體到左邊門框寬度;L2是被測物體到右邊門框寬度;L3是門的寬度。

式（2）在門框寬度L3和超聲模塊測得的被測物體與左右門框的距離L1、L2基礎上，計算得出了通過的物體的寬度L0，由此可以判斷出并排通過的人數。

2.2 多傳感器安裝

紅外發射管A、C分別且平行安裝在左邊門框的內、外兩側，紅外接收管A'、C'分別且平行安裝在右邊門框的內、外兩側，反射式超聲傳感器B、D安裝在門框左、右側。多傳感器安裝如表2和圖7所示。

表2 傳感器位置

圖6 多傳感器計數工作情況

圖7 多傳感器的安裝

3 軟件設計

系統選用AT89S52系列單片機為數據處理器，采用C語言對軟件部分進行開發，使軟件具有可讀性好、可移植性好等特點［14］。整個系統的程序采用子程序調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整。程序的流程如圖8所示。

程序中紅外傳感器的信號采用外部中斷0和外部中斷1的方式送入單片機。根據2個傳感器安裝的位置決定2個中斷被觸發的先后關系。當紅外傳感器接收到外部信號時，進入中斷服務子程序，中斷服務子程序處理結束后返回主程序。超聲測距和顯示的部分的子程序調用在主程序中。程序較好的保證了整個多傳感器工作的同步性，避免了產生不必要的誤差。

圖8 程序流程圖

4 測試與分析

通過測試，由于本系統采用了多傳感器的數據處理方式，對于人流量的測量比現有的一些系統要準確和簡單，測量精度比傳統單一的紅外傳感器方式有所提高。測試過程中對6 h內固定地點人流量進行了統計和測試［15］，并且利用絕對誤差和實際值之比計算出了現對誤差［16］，結果如表3所示（表中，X表示6 h內實際值，Y1表示單一傳感器測量值，Y2表示多傳感器測量值）。

表3 單一傳感器和多傳感器測量結果的比較

從測試結果可以看出，多傳感器的相對誤差較小，而單一傳感器測量相對誤差較大。特別是有2人并排進入的情況出現時，單一傳感器無法準確識別，只能記為一個數，而使用多傳感器可以較為準確的識別出此類情況，說明在測量中使用多傳感器的系統性能要高于使用單一傳感器的系統。

5 結語

基于多傳感器數據處理的人流量監測系統采用由兩對對射式紅外傳感器和兩對反射式超聲傳感器構成的多傳感器數據采集處理方式，對樓宇內人流量進行了有效地檢測，特別是較為準確地測量出了2人并排進出時的人數。系統在軟硬件上相對獨立，易于排查糾錯，且各個組件價格低廉、易于獲得，降低了使用成本和后期維護成本，使其應用范圍更加廣泛，具有較強的推廣性和實用性。

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