基于52單片機的景區人流檢測及智能提示系統設計

高卓爾 嚴金煒 趙樂妍 孫士棋 江宇柔

摘 要：為了對熱門景區人流量進行很好的統計和預測，我們設計了一款基于52單片機，輔之以紅外、超聲傳感技術的人流檢測及智能提示系統。整個系統首先通過多傳感器組來收集人流數據，將數據傳到從機上。主從機之間通過433M無線模塊傳輸數據，主機通過調用前期實地調研及搜索資料所得的人口預測擬合函數，對景區在未來一段時間內的人流密度及其變化做出預估，并將反饋結果公示到LCD顯示屏上，用以提醒顧客合理選擇觀賞區域，規避人群高度密集，提高旅游的舒適度的同時且增強了安全保障。

關鍵詞：52單片機;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，許多著名景點常常會發生因為游覽人數眾多造成的擁堵現象。所幸的是，當前互聯網、通信、紅外監測技術的迅速發展讓這一切得以解決。基于這些技術，許多景區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。而獲得景點每一個時間點人流量的實時數據則更方便地服務了景區的人流量管理。實時景區人流檢測及智能提示系統便應運而生。同時，這樣的人流量統計不僅可以廣泛運用于商場，博物館，餐廳等一切人流密集的地方，還能在救援安防領域起到關鍵性作用。[3]

本文采用紅外和超聲傳感器采集人流信息的傳感數據，通過433M無線模塊將其輸送到52單片機進行處理，并對下一時段的人流量進行預測，最后通過LCD顯示屏顯示所需數據，展示當前人數，實現等待時間的預報功能。與前人的工作相比，我們的產品制作成本低，容易推廣，同時能夠準確計數兩人同排并行進出的情況，很好的實現了預報功能。并且順利通過仿真實驗。

1.設計原理

基于STC89C52單片機的景區人流統計及預測系統主要由主機模塊部分和從機模塊部分組成。主機部分由主控制器，無線傳輸模塊和顯示模塊組成，安裝在游覽景區的公示處。從機模塊由主控制器，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內部或入口外排隊路徑上的適宜位置，紅外與超聲波檢測模塊均分別安裝在游覽景區的入口和出口處，通過接線與從機的主控制器相連。假設該游覽區域內現有人數為M1，當有游客進出該區域時，在入/出口處時，先經由紅外檢測模塊檢測到有人進入/退出，主控制器接收紅外檢測模塊的數據變化并檢驗是否為有效變化，確認為有效變化（即確認有人進入，排除外界因素引起的波動）后，再將超聲波模塊置于工作狀態，檢測并排情況，超聲波模塊反饋的檢測信息發送至從機控制器，從機控制器將接收到的超聲波檢測信息進行處理，得到該景區當前時刻進區人數 a 、退區人數 b 、該時刻景區內凈增人數 M2=a-b 與該時刻更新后的現有人數M3=M1+M2，通過從機無線傳輸模塊將以上四個實際數據傳送給主機模塊的無線傳輸模塊。主機無線傳輸模塊收到傳送信息后，把信息發送至主機模塊主控制器，在所得信息基礎上加以處理并進行預測，得到當前景區內人數、當前進區需等候時間與預測某一段時間后進區需等待時間三個信息數據，隨即在主機模塊顯示器公示。通過各模塊信息的實時更新與關聯，在公示處顯示器上即可準確獲取任何時候某區域內的現有人數及入區需等待時間，從而方便游客規劃游覽路線，也利于景區工作人員對景區進行管理維護并做好預防措施。

2.硬件設計

主機和從機分別進行智能計算與結果顯示、數據收集與傳輸兩部分工作。主機部分中，主控制器與多傳感器組通過串口連接，主機和從機之間通過433M無線傳輸模塊進行信息交互。串口連接高效穩定，433M無線傳輸模塊傳輸距離遠，為系統信息傳遞提供了可靠解決方式。

2.1 主控制器

主機和從機設備分別使用一臺STC89C52單片機作為主控制器。STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節系統可編程閃存，為本套系統的完成提供了高靈活性、高性價比的解決方案。STC89C52使用經典的51內核，指令代碼完全兼容傳統8051。但作為一款增強型8051單片機，定時器方面增設Timer2，使得6 時鐘/機器周期和12 時鐘/機器周期的三個定時器之間做到了任意選擇，這使得本系統中人流預測功能得以更可靠地實現。處理器工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機），IO口32個，ISP/IAP功能使得這款單片機無需專用編程器或仿真器，可通過串口連接USB轉換模塊直接下載用戶程序，數秒即可完成一片，為本系統的搭建提供了優秀的硬件保障。

2.2多傳感器組

多傳感器組包括兩個熱釋紅外傳感器、四個反射式超聲傳感器（兩兩一組）構成。

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。本系統中紅外模塊選用的D203B紅外傳感器可以根據人體向外輻射紅外熱的波長特點，將特定波長的的紅外信號轉化為電信號。當感應范圍內無人經過時，傳感器只感應背景溫度，而有人經過時，加裝菲涅爾透鏡的探頭感應到人體溫度與背景溫度之間的信號差異，把這種轉化為電信號，通過BISS0001芯片進行比較，最終拉低輸出端電平。Timer1進行計時工作，并觸發復位。

2.2.2 超聲檢測模塊

本系統采用HY-SRF05超聲波測距模塊，該傳感器依靠壓電效應進行工作，包含發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。當提供一定長度的脈沖信號時，模塊內部將發出8個40kHz脈沖并檢測回波。當回波被檢測到時，輸出端電平被拉高。以入口處為例，設兩側傳感器P、Q測得距離為S1和S2，聲速為v，高電平時間為t，根據

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]

本系統中所選用的是TI公司的CC1020芯片，這款低成本無線級芯片在低功率傳輸中性能卓越。該芯片內含一個功率放大器、單穩態電路、一個內部電壓控制的振蕩器和一個循環過濾的鎖相環。該芯片自動待機狀態下較為省電，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協議棧，通過433MHz頻段的單端傳輸天線來實現。分別通過使芯片的DIO管腳電平發生改變來切換信號的發送和接收模式。

2.4 LCD顯示屏模塊

在初代實物搭建時，采取了較為簡易的LCD1602模塊進行有關信息的顯示，后因需要顯示的數據較多，開發滾動顯示功能。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，可通過串口將數據傳輸至PC終端帶動大功率液晶屏顯示。

3.軟件設計

系統選用 STC89C52 單片機為數據處理器，采用C 語言編寫，在Keil 環境下開發， 使軟件具有可讀性好、可移植性好等特點。[5]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。

從機模塊中的紅外檢測模塊與超聲波檢測模塊作為數據采集的基礎模塊，兩者的程序關系與系統整體設計保持一致，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為例，流程如圖6所示。程序中紅外傳感器的信號采用外部中斷下降延觸發方式，當紅外傳感器接收到外部信號時，而后先經過delay檢驗信號是否有效（避免外界因素干擾產生的誤差），確認有效后進入中斷服務子程序，處理完中斷服務子程序后返回主程序。超聲波檢測完成后將信息發送至從機主控制器，從機主控制器對信息進行處理并得到得到該景區當前時刻進區人數、退區人數 、該時刻景區內凈增人數與該時刻更新后的現有人數四個數據。紅外檢測和超聲波檢測的子程序均調用在從機主程序中，較好地保證了多傳感器工作的同步性。

主機模塊的無線傳輸模塊始終工作在接收狀態，從機模塊的無線傳輸模塊始終工作在發送狀態。設定全局變量數組R（ R[0] 、 R[1] ，初始化值為 0）用來存儲當前某區域當中的現有人數（R[0]）與下一時刻更新后的人數（R[1]），從機模塊主控制器每更新一次當前人數，先判斷與原現有人數是否有變化，若兩個數據不一致則令 R[0] = R[1]，R[1] = 0，并隨即通過無線傳輸將更新后的現有人數信息發送給主機模塊（若兩數據相等則不執行傳輸并等待下一次更新）。

主機無線模塊每接收一次從機發送的更新信息，反饋到主機模塊主控制器，進行信息數據處理與預測。將大量前期調研采集到的數據，進行線性回歸擬合后得到以下關系式：

利用現有人數R[0]求出當下入區需等待時間t1。設一數組W（W[0]、W[1]、…、W[59]）讀入初始60個凈增人數數據，之后利用計時器每隔時間t0（1s）將整體數據后移一個地址（舍棄原W[59]），并讀入一個新W[0]，把數組W實時60個數據求和得到w，并計算人數凈增長的速率v。預測10min之后凈增加人數y與 10分鐘后入區需等待時間t3。故得到主機模塊主控制器中的處理與預測相關公式如下：

最后通過主機模塊的顯示模塊的顯示器把現有人數（更新后）、當下入區需等待時間t1與預測10分鐘后入區需等待時間t3進行公示，流程如圖 3 所示。

4.結束語：

這套基于52單片機的景區人流檢測及智能提示系統設計，不僅前期有著大量的實地勘測以及資料文獻的積累，也結合了紅外、超聲傳感、擬合預測等多種技術，實現了對熱門景區人口密集程度反饋、人口未來流動趨勢等多方面的構想。由于其材料價格低廉、應用范圍廣，一定程度上節約了景區的成本。另外其人性化的設計，以及易操作性，極大地提高了旅客的出游質量。目前我們小組的設計系統已經通過了仿真實驗，相信通過后期的進一步完善和修正，將會有著更加廣闊的應用前景。

參考文獻：

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[3]李艷，葛年明，陳杰.基于ZigBee的多傳感器物聯網無線監測系統設計[J].自動化技術與應用，2015，34（01）：47-51.

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[6]顏丙洋. 基于433MHz模塊的遠程抄表安全系統設計與實現[D].山東師范大學，2014.