基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)物體計(jì)數(shù)算法

屈明月，趙涓涓

（太原理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 太原030024）

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)WSN（wireless sensor network）是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，具體定義參見(jiàn)文獻(xiàn)［1－3］。

目前，對(duì)移動(dòng)物體計(jì)數(shù)的方法很多。對(duì)于人流計(jì)數(shù)中采用的傳感器主要有紅外、激光和攝像機(jī)等。其中，基于視頻的方法［5－7］信息豐富，但比較復(fù)雜，且一般準(zhǔn)確性不高；在門(mén)（或通道口）上安裝刷卡機(jī)或者指紋機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人數(shù)統(tǒng)計(jì)，這種方法投資大，而且容易出現(xiàn)替刷或漏刷現(xiàn)象，不易進(jìn)行管理，再者此方法只針對(duì)人，對(duì)別的移動(dòng)物體（如汽車）不生效；基于紅外傳感器計(jì)數(shù)方法主要是利用人通過(guò)紅外掃描時(shí)的阻斷特性來(lái)實(shí)現(xiàn)，方法簡(jiǎn)單而且準(zhǔn)確性較高。但是，目前市場(chǎng)上普通的紅外計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的是單向計(jì)數(shù)，即它只能單一的實(shí)現(xiàn)加或減，當(dāng)物體在紅外傳感器附近徘徊，實(shí)際并沒(méi)有通過(guò)時(shí)，無(wú)法對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)出進(jìn)行很好的統(tǒng)計(jì)，實(shí)用性不強(qiáng)；文獻(xiàn)［8］描述了一種基于無(wú)線傳感器的移動(dòng)目標(biāo)（車輛）計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)，它采用產(chǎn)生中斷的順序來(lái)判斷目標(biāo)進(jìn)出方向，但是對(duì)非正常進(jìn)出沒(méi)有做更好的處理；文獻(xiàn)［9］雖然對(duì)一些非正常進(jìn)出做了處理，但是這些處理要求兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器水平安放距離較大，即要求物體的寬度小于兩對(duì)紅外對(duì)管水平安放距離，這樣使得該算法有局限性。

本文所采用的算法很好的解決了以上方法中存在的不足，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向計(jì)數(shù)，較好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)物體的出入統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)。對(duì)與非正常的出入做了較好的處理，解決了由于非正常出入導(dǎo)致的計(jì)數(shù)錯(cuò)誤問(wèn)題。本文所采用的方案中兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器水平安放距離較小，實(shí)用性較強(qiáng)，有利于實(shí)際安放，有效的解決了物體寬度不同對(duì)計(jì)數(shù)問(wèn)題帶來(lái)的影響。

1 系統(tǒng)整體框架

為了更好的解決停車場(chǎng)、會(huì)議室、自習(xí)室等公共場(chǎng)所人員和車輛等的計(jì)數(shù)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體框架圖如圖1 所示。本系統(tǒng)采用星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［10，11］，其中的設(shè)備主要有嵌入式網(wǎng)關(guān)、協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器的作用是建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)、向嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)、向下面的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的所有的終端設(shè)備中間不經(jīng)過(guò)任何設(shè)備，直接與協(xié)調(diào)器通信。

圖1 系統(tǒng)整體框架

本系統(tǒng)實(shí)時(shí)地對(duì)兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器上的電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)有移動(dòng)物體經(jīng)過(guò)紅外光電對(duì)射傳感器時(shí)，紅外設(shè)備的電壓發(fā)生變化，并由無(wú)線電壓采集模塊采集。無(wú)線電壓采集模塊與協(xié)調(diào)器通信，將電壓變化信息發(fā)給協(xié)調(diào)器，經(jīng)協(xié)調(diào)器與嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，向嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送電壓變化數(shù)據(jù)，在嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 解決方案

2.1 常用計(jì)數(shù)方法

2.2.1 單向計(jì)數(shù)方法

在統(tǒng)計(jì)移動(dòng)物體通過(guò)通道（如門(mén)）的個(gè)數(shù)時(shí)，單向計(jì)數(shù)采用是否有物體擋住紅外光電對(duì)射傳感器的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。但是，單向計(jì)數(shù)方法只能實(shí)現(xiàn)單一的加或減，無(wú)法識(shí)別移動(dòng)物體的進(jìn)出方向。

2.2.2 通過(guò)中斷控制進(jìn)出方向的計(jì)數(shù)方法

在統(tǒng)計(jì)移動(dòng)物體通過(guò)通道（如門(mén)）的個(gè)數(shù)時(shí)，安放在通道的兩側(cè)兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器，通過(guò)中斷來(lái)控制進(jìn)出方向從而來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)物體的計(jì)數(shù)。為兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器設(shè)置對(duì)應(yīng)的單片機(jī)中斷引腳（設(shè)通道外傳感器對(duì)應(yīng)單片機(jī)中斷引腳為INT0，通道內(nèi)傳感器對(duì)應(yīng)單片機(jī)中斷引腳為INT1）。如果檢測(cè)到INT0有信號(hào)，關(guān)閉所有中斷計(jì)數(shù)加1。反之，如果先檢測(cè)到INT1 有信號(hào)，關(guān)閉所有中斷計(jì)數(shù)減1。這種計(jì)數(shù)方法通過(guò)判斷INT0和INT1引腳產(chǎn)生中斷的順序來(lái)判斷物體的進(jìn)出方向。但是，當(dāng)移動(dòng)物體非正常進(jìn)出時(shí)（在通道中徘徊），它便不能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。如：移動(dòng)物體通過(guò)了通道外傳感器，而此時(shí)移動(dòng)物體又退回來(lái)。這種非正常進(jìn)入方式理應(yīng)是不應(yīng)該計(jì)數(shù)的，但是這種計(jì)數(shù)方法卻對(duì)其進(jìn)行了計(jì)數(shù)，導(dǎo)致計(jì)數(shù)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

針對(duì)上述部分非正常進(jìn)出，文獻(xiàn)［7］給出了一種解決方法：通過(guò)檢測(cè)到兩個(gè)中斷信號(hào)的先后順序來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。但是，該方法要求物體的寬度小于對(duì)紅外對(duì)管水平安放距離。如果物體的寬度大于紅外對(duì)管水平安放距離，物體進(jìn)出時(shí)總有一個(gè)過(guò)程物體擋住了兩對(duì)紅外對(duì)管，而此時(shí)如果物體又退回來(lái)，將會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。

以上的常見(jiàn)計(jì)數(shù)方法存在許多的弊端，因此設(shè)計(jì)一個(gè)更高性能的移動(dòng)物體計(jì)數(shù)算法十分必要，為此我們提出了優(yōu)化的類位運(yùn)算計(jì)數(shù)算法。

2.2 類位運(yùn)算計(jì)數(shù)

2.2.1 類位運(yùn)算計(jì)數(shù)算法

本系統(tǒng)通過(guò)安裝兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器來(lái)統(tǒng)計(jì)通過(guò)門(mén)的移動(dòng)物體的個(gè)數(shù)，和上節(jié)中斷計(jì)數(shù)方法的區(qū)別是，本算法通過(guò)控制位的變化來(lái)記錄移動(dòng)物體進(jìn)門(mén)和出門(mén)的情況。如圖2所示，通過(guò)使用兩個(gè)位來(lái)存儲(chǔ)兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器的狀態(tài)，當(dāng)紅外光電對(duì)射傳感器被遮擋住時(shí)，設(shè)置為1，否則設(shè)置為0。

圖2 紅外光電對(duì)射傳感器安裝

本算法模擬成功進(jìn)門(mén)和出門(mén)的情況如下：

（1）進(jìn)門(mén)：兩個(gè)位的變化序列中總有00、10、11、01、00的順序（不一定連續(xù)），允許在門(mén)間徘徊的情況發(fā)生，經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，進(jìn)門(mén)的最后一個(gè)狀態(tài)一定是01。

（2）出門(mén)：兩個(gè)位的變化序列中總有00、01、11、10、00的順序（不一定連續(xù)），允許在門(mén)間徘徊的情況發(fā)生，同樣經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，出門(mén)的最后一個(gè)狀態(tài)一定是10。

通過(guò)模擬演示進(jìn)門(mén)和出門(mén)的位變化情況，本算法決定使用兩個(gè)位來(lái)控制進(jìn)門(mén)和出門(mén)的情況，但經(jīng)過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)有非正常進(jìn)出情況，進(jìn)門(mén)沒(méi)進(jìn)去，出門(mén)沒(méi)出來(lái)，如下演示。

（1）進(jìn)門(mén)沒(méi)進(jìn)去：允許在門(mén)間徘徊了一下又退回來(lái)，兩個(gè)位的變化序列中總有下列3種順序（不一定連續(xù)）之一：

00、10、00；

00、10、11、10、00；

00、10、11、10、11、10、00；

經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，進(jìn)門(mén)沒(méi)進(jìn)去的最后一個(gè)狀態(tài)一定是10。

（2）出門(mén)沒(méi)出來(lái)：允許在門(mén)間徘徊了一下又退回來(lái)，兩個(gè)位的變化序列中總有下列3種順序（不一定連續(xù)）之一：

00、01、00；

00、01、11、01、00；

00、01、11、10、11、01、00；

同樣經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，出門(mén)沒(méi)出來(lái)的最后一個(gè)狀態(tài)一定是01。

這種情況的最后一個(gè)狀態(tài)和正常進(jìn)出門(mén)的最后一個(gè)狀態(tài)相反，顯然不符合要求。因此，本算法加入了一個(gè)標(biāo)志變量，通過(guò)記錄第一次觸碰到的是哪一個(gè)紅外光電對(duì)射傳感器，來(lái)判斷正在進(jìn)行的是進(jìn)門(mén)過(guò)程還是出門(mén)過(guò)程，這樣就能很好的解決這種情況的計(jì)數(shù)問(wèn)題。

2.2.2 算法的優(yōu)化

考慮到算法的實(shí)用性和平臺(tái)性，本算法進(jìn)行一種新的類位運(yùn)算方法，即通過(guò)加法運(yùn)算來(lái)代替舊的類位運(yùn)算。本算法使用一個(gè)整型變量，設(shè)置器長(zhǎng)度為三位，百位固定為1，十位表示紅外光電對(duì)射傳感器1的狀態(tài)，個(gè)位表示紅外光電對(duì)射傳感器2 的狀態(tài)。初始值為100，光電門(mén)1 被擋住，狀態(tài)設(shè)為1，否則為0；光電門(mén)2被擋住，狀態(tài)設(shè)為1，否則為0，只要將兩個(gè)光電門(mén)的狀態(tài)相加，就可以計(jì)算出兩個(gè)光電門(mén)的狀態(tài)，模擬情況如下：

（1）進(jìn)門(mén)情況：兩個(gè)位的變化順序是100、110、111、101、100（不一定連續(xù)），經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，進(jìn)門(mén)的最后一個(gè)狀態(tài)一定是101。位變化圖如圖3（a）所示。

（2）出門(mén)情況：兩個(gè)位的變化順序是100、101、111、110、100（不一定連續(xù)），同樣進(jìn)過(guò)多次驗(yàn)證，出門(mén)的最后一個(gè)狀態(tài)一定是110。位變化圖如圖3（b）所示。

圖3 本文進(jìn)出門(mén)的位狀態(tài)變化

其它進(jìn)出門(mén)演示情況與前面講述的類似。這樣只要判斷最后一個(gè)狀態(tài)是101還是110，加上進(jìn)出門(mén)標(biāo)志，就可以進(jìn)行移動(dòng)物體個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)。

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1 算法流程圖

本文的算法流程如圖4所示。

3.2 代碼實(shí)現(xiàn)

／＊變量聲明，state＿old表示舊狀態(tài)；count是計(jì)數(shù)變量；紅外光電對(duì)射傳感器的狀態(tài)，1為擋住，0 為未擋?。籪irst是紅外光電對(duì)射傳感器1的狀態(tài)；second是紅外光電對(duì)射傳感器2的狀態(tài)；flag為標(biāo)志變量，0為進(jìn)門(mén)，1為出門(mén)。＊／

圖4 類位運(yùn)算算法流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了評(píng)估類位運(yùn)算計(jì)數(shù)算法的有效性，我們把該算法與通過(guò)中斷控制的計(jì)數(shù)算法，在兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器水平安放距離對(duì)算法的限制以及抗非正常進(jìn)出效果，兩個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比和分析。

設(shè)移動(dòng)物體沿通道（如門(mén)）方向的長(zhǎng)度用a表示，兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器水平安放距離用d表示。算法性能比較表格見(jiàn)表1。

表1 算法性能比較表格

表1表明，首先，類位運(yùn)算計(jì)數(shù)算法無(wú)法在d＞a的情況中運(yùn)行，但實(shí)際情況中，幾乎不存在d＞a的情況，例如生活中幾乎看不到比人還寬的門(mén)。d越小，則對(duì)計(jì)數(shù)對(duì)象的實(shí)際大小要求越小，適用范圍越廣，當(dāng)d無(wú)限逼近于0時(shí)，就可以對(duì)所有大小的物體進(jìn)行計(jì)數(shù)。其次，由于類位運(yùn)算計(jì)數(shù)算法是對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)出全過(guò)程的模擬分析，而中斷控制的計(jì)數(shù)算法只是在整個(gè)過(guò)程中選取了兩個(gè)特殊狀態(tài)進(jìn)行分析，所以中斷控制的計(jì)數(shù)算法無(wú)法分析移動(dòng)物體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)情況，抗非正常進(jìn)出能力明顯較差。

綜上，對(duì)于類位運(yùn)算計(jì)數(shù)算法，在保證算法抗非正常進(jìn)出效果良好的前提下，兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器水平安放距離d越小，移動(dòng)物體沿通道方向的長(zhǎng)度a的取值范圍（d，∞）越大；然而對(duì)于通過(guò)中斷控制的計(jì)數(shù)算法，在保證算法抗非正常進(jìn)出效果良好的前提下，兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器水平安放距離d越大，移動(dòng)物體沿通道方向的長(zhǎng)度a的取值范圍（0，d）越大?？紤]到對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器的實(shí)際安裝和移動(dòng)物體a取值的不確定性，類位運(yùn)算計(jì)數(shù)算法相對(duì)于通過(guò)中斷控制的計(jì)數(shù)算法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的類位運(yùn)算算法可以有效的解決硬件安裝中，紅外光電對(duì)射傳感器水平安放距離的限制，實(shí)現(xiàn)較精確的單通道的雙向計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)過(guò)程不受計(jì)數(shù)對(duì)象實(shí)際大小的限制，很好的消除了非正常進(jìn)出帶來(lái)的計(jì)數(shù)誤差。本算法的應(yīng)用前景廣泛，可以很好的應(yīng)用于停車場(chǎng)、自習(xí)室、候車室等地區(qū)的計(jì)數(shù)，方便管理，能有效的提高資源利用率。

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