0 引言

      隨著現(xiàn)代社會信息化的飛速發(fā)展，公共場所人數(shù)自動識別在交通、商業(yè)、公共安全等領(lǐng)域有著非常重要的實用價值和廣闊的前景。通過對某一區(qū)域的人數(shù)進行統(tǒng)計，可以方便地對資源進行分配和調(diào)度，實現(xiàn)資源的高效利用。例如，對高層建筑電梯外候車人數(shù)的檢測，可以根據(jù)候車人數(shù)與時間的差異，改變電梯的調(diào)度策略。統(tǒng)計在公共交通車站等候巴士的人數(shù)，調(diào)整工作車輛的數(shù)目，并監(jiān)察交通情況。統(tǒng)計公共車輛和其他交通工具上的人數(shù)，檢測進出固定區(qū)域的人數(shù)。

      目前，人群人數(shù)檢測系統(tǒng)主要包括:采用圖像識別原理的人數(shù)檢測系統(tǒng)、采用紅外體感器的人數(shù)檢測系統(tǒng)、采用光電開關(guān)檢測的人數(shù)檢測系統(tǒng)。圖像識別的人數(shù)檢測系統(tǒng)選取大量含有人體特征的圖片，利用圖像處理分離器對樣本進行分析，檢測出固定區(qū)域圖像中的人數(shù)。紅外人體傳感器檢測系統(tǒng)受環(huán)境陰影噪聲影響明顯，誤差較大。由于重疊人群的限制和檢測面積小，采用光電開關(guān)檢測方式的系統(tǒng)檢測誤差也較大。

      超聲波在空氣中傳播不易受到周圍環(huán)境的干擾，且衰減速度慢，傳播距離長，還具有易于實現(xiàn)、成本低、可靠性好等優(yōu)點。目前，超聲波傳感器陣列廣泛應(yīng)用于障礙物定位、車輛避碰系統(tǒng)和機器人避障系統(tǒng)中。

這些系統(tǒng)不具備測量人數(shù)的功能，其結(jié)構(gòu)、測量原理和安裝方式與本系統(tǒng)不同。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

      超聲波傳感器陣號自動檢測系統(tǒng)是基于超聲波測距原理研制的。

      該系統(tǒng)主要由微處理器、電源模塊、輸出通信接口模塊、輸出數(shù)字接口模塊、按鍵盤模塊、顯示驅(qū)動模塊、顯示模塊、超聲波信號放大電路模塊、超聲波發(fā)射陣列、超聲波接收陣列、超聲波信號接收與切換陣列、超聲波接收信號處理電路陣列等組成。

2 系統(tǒng)工作原理

      超聲波發(fā)射陣列組和超聲波接收陣列組安裝在人群上方的區(qū)域，超聲波發(fā)射陣列組和超聲波接收陣列組與人群所在區(qū)域的支撐平面之間的距離為2 ~ 5m。人群上方的區(qū)域根據(jù)蜂巢劃分為六邊形。六角形區(qū)域的中心安裝超聲波發(fā)射器和超聲波接收器，兩個超聲波發(fā)射器和兩個超聲波接收器之間的間距為200 ~ 400nlm。選擇發(fā)散角較小的超聲波傳感器。傳感器離地面越高，就越需要對傳感器進行擴展設(shè)備之間的距離。

      蜂窩六邊形劃分的意義示意圖如圖2所示。在圖2中，每個六邊形按排列順序編號。按行號將超聲波傳感器陣列分為四組:奇數(shù)行奇數(shù)列組、偶數(shù)行偶數(shù)列組、奇數(shù)行偶數(shù)列組、偶數(shù)行奇數(shù)列組。系統(tǒng)使用40kh、50kh、60kh或70kh的超聲波接收器和超聲波發(fā)射器。

圖2超聲波傳感器劃分示意圖

      系統(tǒng)工作時，由微處理器單元產(chǎn)生超聲波電壓信號，超聲波電壓信號持續(xù)時間為1雉。超聲波驅(qū)動電壓信號經(jīng)超聲波信號放大電路模塊放大后，再驅(qū)動超聲波發(fā)射陣列。安裝在上方的超聲波發(fā)射陣列發(fā)出超聲波信號，超聲波傳感器采用直接反射的檢測方式。超聲波在空氣中傳播，遇到地面或地面上的人，超聲波會被反射。反射的超聲波被超聲波接收器陣列接收并轉(zhuǎn)換成電信號。不同超聲波接收器陣列中每個超聲波接收器發(fā)出的電信號由超聲波開關(guān)電路選擇，傳送到超聲波接收信號處理模塊進行信號處理。處理后的超聲波電信號傳送到微處理器單元，微處理器單元自動測量從超聲波發(fā)射機傳來的超聲波，使超聲波被超聲波接收器反射和接收。通過軟件計算某一超聲波發(fā)射器和超聲波接收器與地面或人在超聲波發(fā)射器和超聲波接收器下的距離。

      在系統(tǒng)正式運行之前，需要在地面空的情況下保存測量距離。如果在系統(tǒng)運行過程中測量到的距離小于保存的距離，并且超出了設(shè)定的范圍，則判斷超聲波發(fā)射器和超聲波接收器下面有人。根據(jù)測得的每組超聲波發(fā)射器和超聲波接收器之間的距離，判斷其下方是否有人，然后將所有超聲波發(fā)射器和超聲波接收器下方的人數(shù)相加。這個數(shù)字乘以一個人口聚集系數(shù)，得到該地區(qū)的人口總數(shù)。人數(shù)組合系數(shù)一般在系統(tǒng)安裝現(xiàn)場通過實驗標定。實驗表明，根據(jù)傳感器離地面高度的不同，人數(shù)的綜合系數(shù)一般為0。2 - 0。5人的房間。根據(jù)超聲波發(fā)射器和超聲波接收器的位置確定該地區(qū)人口的分布位置。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1微處理器

      系統(tǒng)的微處理器采用ST公司生產(chǎn)的ST C89C52單片機，并采用最小系統(tǒng)的單片機作為電源模塊。STC 89C52在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片上資源方面與標準8052單片機完全兼容，DIP40封裝系列與8051引腳兼容。stc89系列單片機速度快(時鐘頻率最高90m H z)，功耗低。在單片機最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，主要對代碼顯示電路、超聲波發(fā)射接收電路和通信接口電路進行了擴展。

3.2信號處理電路

      采用集成電路芯片cx20106作為信號處理的主電路。電路如圖3 U S-R所示。對于超聲波接收頭，UT-INT在接收到超聲波時會產(chǎn)生下降沿，該下降沿與單片機的外部中斷連接。由微處理器計算下降沿產(chǎn)生的發(fā)射信號與接收信號之間的時間長度，然后通過數(shù)學(xué)計算轉(zhuǎn)換成距離，再顯示在顯示器上。

圖3信號處理電路

3.3超聲波信號接收開關(guān)陣列

      為了避免相鄰的超聲波接收器與超聲波發(fā)射器或超聲波收發(fā)器之間的相互干擾，系統(tǒng)設(shè)置了分時測量模式和分頻測量模式兩種工作模式。當(dāng)采用分時測量方法時，超聲波接收器和超聲波發(fā)射器選擇一個頻率裝置。超聲波信號接收與開關(guān)電路如圖4所示。

圖4 超聲波信號接收切換 電路

      由微處理器發(fā)送 的邏輯 電平 控制 74／_5 126 選 通超聲波接收器陣列組中的奇數(shù)行 奇數(shù)列組 、偶數(shù)行偶數(shù)列組 、奇數(shù)行偶數(shù)列組 、偶數(shù)行奇數(shù)列組依次工作 ，分 4 次測量得到整個 區(qū)域 的人數(shù) 。 系統(tǒng)工作采 用分頻測 量方式時 ，超聲波接收器和超聲波發(fā)送器或超聲波收發(fā)器選用 4 種不 同頻率 的器件 ，奇數(shù)行奇 數(shù)列組 、偶數(shù) 行偶 數(shù)列組 、奇數(shù)行偶數(shù)列 組 、偶 數(shù)行奇數(shù)列組 的器件 的每組之間 的頻率各 不相 同 ，組 內(nèi)所有器件 的頻率相 同。

3.4 顯示驅(qū)動模塊

      顯示驅(qū)動包括一個顯示驅(qū)動芯片MAX7219電路和4個數(shù)碼管顯示器，其與單片機的連接只需要3條線：LOAD ( CS ) 片選引腳、 CLK串行時鐘引腳、DIN串行數(shù)據(jù)引腳。顯示驅(qū)動模塊電路如圖5。

圖5 顯示驅(qū)動模塊電路

4 軟件設(shè)計

      系統(tǒng)軟件包括主程序、超聲波收發(fā)子程序、數(shù)字顯示子程序和輸出結(jié)果子程序。初始化主程序并調(diào)用子程序。

      系統(tǒng)啟動程序后，首先對程序進行初始化，然后用相應(yīng)的計時器設(shè)置參數(shù)。之后，單片機產(chǎn)生一系列40 KKH z的超聲波，同時啟動定時器。由于超聲波發(fā)射和接收的反射結(jié)構(gòu)，它們在同一條線上，兩個探頭彼此相對較近。為了避免發(fā)射探頭在接收探頭上的陰影，有必要延遲啟動超聲波接收檢測程序。微處理器開關(guān)陣列選擇相應(yīng)通道準備接收超聲波信號。如果有多個接收信號，則選擇循環(huán)掃描的方式。計算完距離后，取不定范圍內(nèi)的數(shù)字之和，直到逐個開關(guān)開關(guān)。結(jié)果數(shù)據(jù)通過數(shù)字顯示管顯示。

5 結(jié)束語

      本文介紹的數(shù)字自動檢測系統(tǒng)是基于超聲波傳感器陣列，具有安裝簡單、測量精度高、穩(wěn)定性好等特點。適用于公交車、電梯等需要按人數(shù)調(diào)度的場所，使車輛或電梯調(diào)度最優(yōu)化。避免資源消耗。該系統(tǒng)設(shè)計已獲得專利。

      系統(tǒng)統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)人數(shù)的時間間隔為0.5s。根據(jù)后續(xù)處理前后兩次測量的人的位置數(shù)據(jù)的變化，可以得到該區(qū)域內(nèi)的人的移動情況，以及人進入和離開該區(qū)域的情況。

      目前，超聲波已應(yīng)用于倒車雷達、盲導(dǎo)系統(tǒng)、自動駕駛汽車等多個領(lǐng)域。該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容性有待進一步研究。

參考文獻

[1] 張春華 ，謝永軍 ，周政 毅 ，等． 公共 場所人 數(shù)檢測 統(tǒng)計 系統(tǒng) 的設(shè)計 [J] ，廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報 ，20 12 ，29 (3 ) ：63 —67．

[2] 趙炯 ，林 旺城 ， 賈 培源 ， 等． 公共 娛 樂場 所 人數(shù) 統(tǒng) 計 系統(tǒng) 研 究[J] ． 自動化儀表 ，2009 ，30 (6 ) ：62 —65．

[3] 劉子源 ，蔣承志． 基于 O penCV 和 H aar 特征分 類器 的圖像人 數(shù)檢測 [J] ． 遼寧科技大學(xué)學(xué)報 ，20 11，34 (4 ) ：384 —388．

[4] 李妹穎 ，尹軍 ，菠飛 霸 ，等． 基 于超 聲波傳 感器陣 列的 導(dǎo)盲 系統(tǒng)設(shè)計 [J] ． 中國醫(yī)療設(shè)備 ，20 14 ，29 (10 ) ：28 —31．

[5] 劉欽 ，張風(fēng)生，劉大維． 基于超聲波傳感器陣列的障礙物位置計算方法研究[J]． 青島大學(xué)學(xué)報 ：工程技術(shù)版 ，20O5 ，20 (2 ) ：75 —79．

[6] 潘仲明 ，賀漢根． 超聲 陣列 障礙探測技 術(shù)及其 在無人 車輛 中的應(yīng)用 [J] ． 國防科技大學(xué)學(xué)報 ，2009 ，31 (2 ) ：12 1 —125．

[7] 秦偉 ，顏文俊 ，基 于 CX 20 106A 的超 聲波 倒車雷 達設(shè) 計 [J] ．電與聲光 ，20 11 ，33 ( 1) ：16 1 —164 ．

[8] 郭清． 基 于 STC 89C 52 的超聲波測距 防撞 系統(tǒng)設(shè) 計[ J] ． 儀 表技術(shù) 與傳感器 ，2011 (6 ) ：74 —77 ．

[9] 卜英勇 ，王紀嬋 ， 趙海鳴 ，等． 基于單 片機 的高 精度超 聲波 測距系統(tǒng) [J] ． 儀表技術(shù)與傳感器 ，2007 (3 ) ：66 —68 ．

[10] 王喜軍 ，姜軍 ，孫福東 ，等． 顯示驅(qū)動 芯片 M A X 72 19 在單片集 中的應(yīng)用 [J] ． 自動化技術(shù)與應(yīng)用 ，2009 ，28 (1O ) ：12 1 —123．

[11] 馬殷元 ，廖理 ．超聲 波傳感 器陣列式 人數(shù) 自動檢 測系 統(tǒng) ： 中國 ，20 14 2 0 0 7 3 6 00 ． 6 『P ] ． 2 0 14 —0 5 —1 1 ．

班寧產(chǎn)品匯總