基于人流量統計的災害救援系統研究＊

千承輝，王松，李映萱，魏慶麗

（吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，長春 130026）

引 言

改革開放以來，中國的城市化步伐逐步加快。城市人口不斷增多，樓層的高度越來越高。近幾年發(fā)生了多次重大高層火災，造成了嚴重的人員傷亡和財產損失。高層建筑火災具有蔓延途徑多、煙火擴散快，可燃物質多、火災荷載大，受困人員多、救援難度大等特點。由于上述特征，必然導致高層建筑火災多發(fā)、火災發(fā)生后火勢迅猛蔓延、人員大量被困以及消防官兵到場后火災撲救異常艱難的局面[1]。對于高層的救援行動，準確地了解樓宇內人員的分布情況非常重要，可以使救援更加具有針對性，為救援爭得最寶貴的時間。

目前的人流量統計系統采用的大多是單一的探測手段[2]，誤差較大。有一些復雜的系統，例如基于圖像傳感器（Charge－Coupled Device，CCD）的圖像采 集系統[3－4]，操作復雜、獲取信息困難、數據量大、成本較高，不適合大面積的使用和推廣。開發(fā)一套成本低、應用范圍廣、操作簡便的系統顯得十分必要。因此，針對目前現有系統的不足，設計了一套基于人流量統計的災害救援系統。該系統采用多傳感器的探測方式，使采集的數據更加準確；數據傳送采用無線傳輸模式，節(jié)約成本、減少布線；供電系統采用直接供電和蓄電池供電雙路供電的方式，保證系統在突發(fā)事件導致主電源被切斷的情況下仍然可以繼續(xù)工作，當災害來臨的時候數據傳輸不會中斷。

1 總體設計方案

為了準確、實時、可靠地測量人流量，系統采用多傳感器、無線傳輸、雙路供電的方式，系統框圖如圖1所示。人流量統計系統由數據采集模塊、無線傳輸模塊、主機及顯示模塊、電源管理模塊組成。數據采集模塊采用光電傳感器和超聲傳感器相結合的方式，通過光電傳感器的脈沖信號來確定人員進出的方向，通過超聲傳感器來判斷通過人員的數量。從機控制器將兩個傳感器的數據進行前期的初步處理，把處理好的數據通過無線傳輸發(fā)射端，按照無線通信協議發(fā)送數據。主機在無線傳輸接收端接收數據，將數據進一步處理后送給顯示模塊進行顯示。

整個系統采用雙路供電的方式，主電源為交流電轉化直流電，副電源為蓄電池輸出直流電。正常情況時采用主電源供電，當突發(fā)災害來臨時可能導致交流電供應故障，此時系統通過電源檢測自動切換到蓄電池供電模式。由于系統的能耗較低，蓄電池的電能可以確保完成救災任務。雙路供電和無線傳輸的配合使用，保證了系統在火災的時候仍然可以正常工作，能夠有效地支持救援行動。

圖1 系統框圖

2 硬件電路設計

系統以AT89S52單片機為控制核心，超聲模塊和紅外模塊將信號以脈沖的形式送給從機，再通過無線傳輸與主機進行數據通信，主機處理數據后顯示其結果。

2.1 數據采集模塊

該模塊的主要部分采用的是紅外傳感器和超聲傳感器，紅外傳感器由發(fā)射端和接收端組成。脈沖的時序如圖2所示。當沒有人員通過時，輸出的信號為低電平；當有人員通過時，產生一個上升沿，計一次脈沖[5]。將兩個相同的傳感器前后并排放置，通過判斷接收到脈沖的先后順序，判斷人員的進出方向[6]。

圖2 紅外傳感器產生的脈沖

超聲波測距的原理一般采用渡越時間法（Time Of Flight，TOF）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經歷的時間，再乘以超聲波的速度，就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離[7]。利用超聲傳感器的測距功能，將發(fā)射端和接收端置于一側，通過探測超聲波到達物體后反射回來的信號，來獲得一側的距離La。在另一端，裝一個同樣的超聲傳感器，獲得另一側的距離數據Lb。將這兩個傳感器置于相同的適當高度，用兩個超聲傳感器之間的距離Lc，減去兩個傳感器獲得的距離和（La＋Lb），最終得到通過人員的寬度X，X＝Lc－（La＋Lb）。超聲模塊檢測原理如圖3所示。當X小于1.5m時，計為1人；超過1.5m時，計為2個人（3個人同時并排通過的幾率很小，可以忽略）。通過紅外傳感器和超聲傳感器聯合使用的方式可以大大地減少單一傳感器造成的計數誤差。

圖3 超聲模塊檢測原理

2.2 無線傳輸模塊

無線通信方式具有降低布線難度、減少故障發(fā)生率、節(jié)約原材料等優(yōu)點。無線傳輸采用CC1101模塊，該模塊使用的通信頻段為433MHz（免費ISM頻段免許可證），抗干擾能力較好，以串口通信方式提供多達256個通道，功耗低，傳輸距離可達200m以上，可以基本滿足要求。以51單片機為主機控制核心模塊[8]，下位機與上位機之間采用多機通信模式，多機通信原理框圖如圖4所示。

圖4 多機通信原理框圖

首先主機通過無線模塊發(fā)出地址，從機收到地址之后與自己的地址相比較，如果地址匹配則主機接收對應從機的數據；如果地址不匹配，繼續(xù)與下一個從機進行握手。這種方法使主機在很短的時間內可以將所有的從機掃描一遍，進行軟件的地址登記。當從機有數據傳送時，主機可以及時地接收到數據[9]。通過主機的分時復用，減小了硬件的投入成本。由于主機對從機的掃描頻率較高，對于數據可以近似的看作實時接收，產生的誤差極小，可以忽略。

2.3 主機及顯示模塊

主機采用AT89S52單片機進行控制。通過無線模塊的接收端和各個檢測點進行主從機之間的通信，把接收到的數據輸出到顯示模塊，完成各個監(jiān)測點的實時顯示。顯示模塊可以根據使用地點的不同采取不同的方式：在學校等場所可以使用LED點陣的方式公開顯示；在寫字樓等場合可以采用微機的顯示方式，在保衛(wèi)處等地進行監(jiān)測。

2.4 電源管理模塊

系統采用雙路供電方式，主電源為交流電，副電源為蓄電池。各個下位機之間供電系統相互獨立，下位機與上位機之間的供電系統也相互獨立，確保在故障出現時可以及時排查，電源管理模塊框圖如圖5所示。LTC4412是Linear公司的一款用于電源管理的集成芯片，7805是三端正電源穩(wěn)壓電路，AP432是手調式精密并聯穩(wěn)壓器。LTC4412通過控制一個外部P溝道 MOSFET，實現一種用于電源切換或負載均分的近理想型二極管功能。當輔助電源接入時，負載將自動地與電池斷接。當檢測到一個輔助電源時，可采用STAT引腳來使能一個輔助P溝道MOSFET電源開關。AC／DC適配器電壓允許的范圍是3～28V，電池電壓允許的范圍是2.5～28V。

圖5 電源管理模塊框圖

當交流電正常供電時，通過適配器將交流電轉化為直流電對系統進行供電，并且對直流蓄電池進行充電。由電源管理模塊對交流電進行檢測，當交流電提供的電壓低于某個閾值時（即斷電時），自動切換到蓄電池供電。當交流電供電和蓄電池供電同時出現異常時，主機無法對其進行握手，此時主機會產生對應從機的報警信號，可以及時對故障進行排查和處理，使系統維護更加方便。

3 軟件設計

由于51內核的單片機支持C語言程序設計，故采用C語言進行軟件開發(fā)，使軟件具有可讀性強、可移植強等特點[10]。整個系統的程序采用模塊化的設計方式，各個模塊獨立進行程序設計，便于后期的調整。主要的程序模塊包括數據采集模塊、無線發(fā)射端的從機模塊、無線接收端的主機模塊和顯示模塊。程序的流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

從機部分的紅外傳感器采用外部中斷0和外部中斷1處理[11]。根據兩個傳感器的位置決定兩個中斷的嵌套關系。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。超聲測距的部分和顯示的部分在主程序中。要保證紅外傳感器和超聲傳感器測量的同步性，否則會帶來很大的誤差。傳感器獲取的數據處理之后以串口通信的方式傳給無線發(fā)射模塊。

主機部分初始化之后，通過無線信號與從機握手，握手成功即進行數據接收。將接收到的數據傳送給顯示模塊，進行實時顯示。

4 測試結果

基于人流量統計的災害救援系統由于采用了多傳感器結合的數據采集方式，對于兩人同時通過的測量更加準確，測量精度比傳統單一傳感器方式有所提高。對半小時內固定地點人流量的統計結果如表1所列。

表1 半小時內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，多傳感器測量的相對誤差較小，而單一傳感器測量相對誤差較大。說明在測量中多傳感器聯合使用的性能要高于單一傳感器。

結 語

基于人流量統計災害救援系統最大的特點就是采用了多種傳感器進行數據采集，利用無線方式傳輸數據，使用雙電源對系統供電。整個系統采用模塊化的設計思想，雖然各個模塊在功能上相互聯系，但是在軟件和硬件上相對獨立，當一個模塊發(fā)生故障的時候，不影響其他模塊正常工作，有利于故障的查詢。整體系統采用雙路供電方式，災害來臨的時候系統可以正常工作。而且系統的各個組件價格低廉、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。由于無線傳輸模塊的引入，使系統有了更大功能擴展的可能性，可以增加一些相應的控制元件完成更復雜、更智能的工作。

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