基于集成技術的公交客流計數系統設計

張舒茜　武慧榮　王科杰　許澤新　張倩

摘? 要：公交客流的獲取是保障城市公交線路有效規劃、合理調度以及良好運營的重要依據。文章設計了一套集成光電效應和壓電效應的公交客流統計系統，該系統由客流數據采集系統、處理系統、傳輸系統及顯示系統構成，用以實現公交運行線路各站點、各時間段客流數據采集、統計及傳輸，便于精確獲取公交線路乘客出行數據，可滿足行業管理部門、公交企業等臨時或長期的客流統計需求，為公交線路規劃、調度以及合理分配城市公共資源提供有效的數據支撐。

關鍵詞：城市公交；集成化；客流計數；Arduino；智能交通

中圖分類號：TP391.4；U121 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）13-0022-04

Design of Bus Passenger Flow Counting System Based on Integrated Technology

ZHANG Shuxi， WU Huirong， WANG Kejie， XU Zexin， ZHANG Qian

（School of Traffic， Northeast Forestry University， Harbin? 150040， China）

Abstract： The acquisition of bus passenger flow is an important basis for ensuring effective planning， reasonable scheduling， and good operation of urban bus routes. This paper designs a set of public transport passenger flow statistics system integrating the Photoelectric effect and Piezoelectricity. The system is composed of a passenger flow data acquisition system， a processing system， a transmission system and a display system， which is used to realize the collection， count and transmission of passenger flow data at each stop and in different time segments of the public transport line， facilitate the accurate acquisition of passenger travel data on public transport lines， and meet the temporary or long-term passenger flow count needs of industry management departments， public transport enterprises. Provide effective data support for bus line planning， scheduling， and rational allocation of urban public resources.

Keywords： urban public transportation; integration; bus passenger flow counting; Arduino; intelligent transportation

0? 引? 言

公共交通是城市居民出行的主要方式之一，能夠滿足人民群眾基本出行需求，也是有效緩解城市交通擁堵的重要手段。2020年，交通運輸部強調“加快構建以公共交通為主體的城市出行服務體系，提高公交服務的運行速度和準點率，持續改善城市公交服務品質，不斷提高城市公共交通吸引力。”由于客流量實時數據不夠精確，致使現有的公交線路規劃存在時間、空間上分配不均的問題。精確獲取不同時段的公交線路客流數據，以此為依據科學規劃城市公交線路網、高效利用城市公共交通資源，合理編制公交車作業計劃、提升城市公交的運營調度水平是改善城市公交服務質量、提升公交吸引力的基礎，也是行業管理部門和城市公交企業亟需解決的問題。

目前，客流檢測技術研究主要有紅外客流檢測技術[1]、公交IC卡客流調查[2]、圖像識別客流檢測技術[3，4]、壓力傳感器客流檢測[5]、RFID網絡技術[6]、機器視覺技術[7]等。紅外客流技術法的核心是紅外傳感器，易受干擾物的影響，導致統計精度不高[1]。公交IC卡客流調查法操作簡單，但只能獲取使用IC卡出行的乘客的數量，造成大量客流數據未能有效及時獲取[2]。圖像識別公交客流調查方法對圖像采集質量要求較高，易受到車體振動引起的視頻抖動問題和攝像頭角度引起的圖像梯形失真，產生計量不準確的情況[4]。壓力傳感器客流檢測方法，僅依靠壓力數據判斷客流，擁擠時易出行重復計數情況，影響檢測數據結果的精度等[5]。基于RFID網絡技術所獲取的客流數據準確率較高，但其具有較高的使用成本，無法廣泛應用[6]。基于機器視覺技術的客流檢測系統，能夠很大程度上對傳統檢測方法的不足進行補充，但需要投入昂貴的前期成本及運營使用成本，性價比較低。基于此，本文設計了一種基于光電效應與壓電效應的集成化技術的公交客流統計系統，該系統主要由單片機、光電傳感器、壓力傳感器等裝置組成，通過集成化光電傳感器與壓力傳感器配合使用，提高公交車在營運過程中客流量數據采集的準確性。

1? 集成系統構成

基于集成技術的公交客流計數系統由客流數據的采集系統、數據的處理系統以及數據的傳輸與顯示系統三個部分組成。客流數據采集系統基于光電效應與壓電效應進行集成化設計，兩者相互配合，保障客流數據的準確性。光電感應模塊安裝在車門頂部，基于光電效應的工作原理，利用乘客通過車門時所引起光照強度的變化，將光信號轉換成電信號，對上下車門客流數據進行初步采集；壓電效應模塊安裝在車門底部黃色區域，將乘客的重量通過壓力傳感器轉換為電信號，對客流數據進一步采集確認。光電感應模塊與壓電效應模塊相互配合，可以確保客流數據的準確性。數據處理系統采用Arduino UNO R3單片機作為整個系統的核心，對系統采集到的數據進行匯總與統計。數據傳輸及顯示系統主要以HC-05芯片為核心，可與移動設備相連接實現客流統計數據的實時傳輸與顯示。三個分系統配合使用，共同保障客流數據統計的準確性與實時性。集成化的公交客流統計系統構成如圖1所示。

2? 系統設計

2.1? 數據處理系統設計

數據處理系統以Arduino UNO R3為核心控制單片機。單片機是集成化公交客流計數系統的大腦，主要負責記錄、處理、傳輸與統計數據，必須保證能夠穩定可靠地集成黃色踏板上的產生壓電效應信號以及光電傳感器所產生的電信號，同時系統設計要求具有體積小、穩定性高、方便安裝的特點，因此選用Arduino UNO R3開發板作為系統的核心控制單片機，Arduino UNO R3是一款基于微控制器ATmega328P的開發板，它有14個數字輸入/輸出引腳（其中6個引腳可以作為PWM輸出引腳）、6個模擬輸入引腳、16 MHz石英晶振、USB接口、電源接口，支持在線串行編程以及復位按鍵，具有便捷靈活、成本低、穩定性好、低功耗以及高集成度等特點，可實現對公交客流數據的實時處理。

2.2? 光電感應模塊設計

光電感應模塊是基于光電效應的基本工作原理，以靈敏型光敏電阻傳感器為核心，將乘客通過所引發的光照強度變化轉換為可用的輸出電信號[4]。為確保數據采集的準確性，基于多次實驗，本系統擬將光電傳感安裝在車門頂部，方便安裝且便于乘客上下車。無人上下車時，外界環境光線亮度超過設定閾值，DO端輸出低電平，當乘客經過車門時，外界環境光線亮度達不到設定閾值，DO端輸出高電平，內部靈敏型光敏電阻傳感器產生相應的高電平信號，驅動數據處理系統核心單片機Arduino UNO R3，進行關于是否計數的第一次判定處理。靈敏型光敏電阻傳感器具有非接觸、性能可靠、驅動能力強、響應時間短、分辨率高等特點，可以較準確地獲取實時數據，在工業自動化、汽車智能等領域具有廣泛應用，同時因其是一種小型電子設備，小封裝，低功耗，高集成和簡單易用，能夠較好地滿足本系統的需求。具體接線如圖2所示。

2.3? 壓電效應模塊設計

壓電效應模塊以壓力傳感器為核心感受壓力信號，并按照一定的規律將壓力信號轉換成可用的輸出電信號[7，8]。為了保證數據采集的準確性，本系統將4個壓力傳感器以十字對稱式的相對位置安裝于公交車門底部的黃色區域，通過壓力信號的變化來檢測是否有乘客上車或下車。當乘客踏上黃色區域，壓力傳感器將乘客的重量產生的壓力信號轉化成電信號，產生一個高電平并將信號發送給Arduino UNO R3，數據處理系統二次判定是否進行計數處理。本系統結合一次判定與二次判定的結果，決定是否進行計數處理，保證了客流量實時數據的準確性。在本系統中，4個壓力傳感器串聯在一起，每個傳感器中采用的是雙聯片，相當于是2個壓力傳感器組成的半橋電路，兩個半橋組成一個全橋電路，每個傳感器中中間的線路為公共出線，作為整個全橋電路的供電和輸出線，具體接線如圖3所示。

2.4? 數據傳輸系統設計

基于公交客流數據采集位置的特殊性，需要對數據采集提供無線傳輸系統的支持。數據傳輸系統是指集成藍牙功能的芯片基本電路集合，用于無線網絡通信，大致可分為3大類型：數據傳輸模塊、遠程控制模塊和數據采集模塊。其中數據傳輸是低功耗藍牙中最重要的功能。系統選用HC05藍牙芯片便于與移動設備相連接，也可以實現兩個模塊間的數據互通，避免繁瑣的線纜連接，能直接代替串口線，方便簡潔，體積小巧，不易破損，符合本系統的功能需求。其工作過程主要是與移動設備終端進行配合，對經過單片機處理過的數據進行無線傳輸的實時記錄與儲存。試驗中將其與手機自帶的藍牙進行配合，在通電之后首先打開手機藍牙與電路板上的藍牙進行配對，當檢測到單片機通過藍牙發送給移動設備終端指令時，移動設備終端會根據所發送的數據進行儲存與展示。

2.5? 數據顯示模塊設計

數據顯示模塊主要目的為實時顯示當前車次的上、下車人數以及車載人數。為了更好地實現這一功能，本系統選用LCDLM016L液晶字符顯示屏幕，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比。該顯示屏幕可以同時清晰顯示兩行，每行16個字符，符合本系統的設計需求。該LCD液晶顯示塊可以顯示16×2個字符，把顯示的內容分為2行，第1行為當前乘車人數顯示，第2行為當前車次上車人數顯示。Arduino通過D2-D5數字輸入引腳與LCDLM016L的D7-D4數據線相連，一般情況下使用10 kΩ的電位器對比度進行調節，LCDLM016L的VEE、RW腳接開發板GND，LCDLM016L的VDD腳接開發板5 V，LCDLM016L的RS、E分別連接開發板數字引腳12、11，接線如圖4所示。

3? 系統軟件控制流程

集成化的公交客流統計系統軟件部分程序的編寫采用C語言，控制工作流程如圖5所示。當程序開始工作時，首先程序初始化，顯示板上顯示數值為0，考慮乘客上/下車的步驟，首先通過光電感應模塊判讀是否有人經過車門，若此時無人觸發光電感應模塊則系統不做反應，若檢測到有物體經過傳感器時，啟動壓電感應模塊對其進行二次檢測。根據統計數據，占用單獨客位的公交車乘客的體重數值大部分大于20 kg[4]，因此本文以20 kg為基準進行客流數據的二次判定，當檢測該數值大于20 kg時，數據處理系統將進行公交客流量的記錄與累加，否則系統不做反應。然后將系統所產生的客流量及統計數量變動信息即時更新到LCD液晶顯示屏幕上，并同時將系統記錄及統計數據通過藍牙模塊傳輸至移動設備，實現公交客流統計數據的實時無線傳輸與儲存[9]。

4? 實驗與結果分析

基于集成技術的公交客流計數系統，在完成軟件與硬件的設計之后，通過多次實驗對系統參數進行不斷完善，根據公交車在人流量大的站點停靠時間約為2 min，在人流量較少的站點停靠時間約為1 min的情況，設置試驗時間分別為60 s和120 s。為檢驗本系統統計數據的準確性與時效性，通過在規定時間改變實驗人數進行多次實驗的方式，對系統進行了測試，并對測試數據進行統計分析。基于集成技術的公交客流計數系統的測試結果如表1所示。

由表1的測試結果可知，相同時間內當測試樣本（人數）較少時，計數系統的準確率較高，隨著測試人數的增加，計數系統在測試過程中存在一定程度的漏檢現象，但檢測率均達到90%，此結果驗證了系統的可行性，并通過實驗得出基于集成技術的公交客流計數系統具有低延時、高精度的特點，能夠及時做出反應，能夠較為準確地獲取客流數據，實現了設計目標。

5? 結? 論

本文設計了一套基于集成技術的公交客流計數系統，提高了客流數據采集及處理的準確度與實時性。無線數據傳輸功能實現與移動設備連接，提升了系統使用的方便性，擴大了系統的使用范圍，可解決目前公交客流計數系統統計數據精度較低、裝置安裝困難、影響乘客正常通行、生產成本高等缺點。同時能夠實現對采用公交車出行的乘客在每個站點、每個時間段的客流信息進行數據的采集、傳輸、儲存與統計，為公共交通智能調度提供數據支持，提高運輸效率及居民乘車的舒適性，為城市公交客流量調查研究人員提供更方便的調查方式，為城市交通運輸管理部門及公交企業等提供更有效的客流數據支持，促進城市公交系統快速發展，便利城市居民的出行，創造良性循環的經濟效益與社會效益。如何將本系統采集到的數據與手機終端的APP相結合，使乘客能夠更加便捷地獲取出行的公交信息，讓公共交通的客流信息趨于可視化、透明化，方便城市居民合理選擇適合自己的出行方式，將是今后需要解決的重要問題。

參考文獻：

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作者簡介：張舒茜（2001—），女，漢族，福建龍

巖人，本科在讀，研究方向：交通工程；武慧榮（1980—），女，漢族，山西夏縣人，副教授，博士研究生，研究方向：交通運輸規劃與管理；王科杰（2002—），男，漢族，山東日照人，本科在讀，研究方向：車輛工程；許澤新（1998—），男，漢族，河北井陘人，碩士研究生在讀，研究方向：交通運輸；張倩（2001—），女，漢族，黑龍江綏化人，本科在讀，研究方向：車輛工程。

收稿日期：2023-02-13