智能人流量檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃勤陸，喻興隆，冉　煦

(成都紡織高等?？茖W(xué)校電氣信息工程學(xué)院，四川 成都 611731)

0　引言

近年來，因夜間使用ATM機(jī)而引起的安全事故頻頻發(fā)生。由于搶劫等惡性事件通常發(fā)生在夜間，因此，設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控夜間ATM區(qū)域等特殊場(chǎng)所人流量、及時(shí)作出流量統(tǒng)計(jì)、若發(fā)現(xiàn)滯留等異?，F(xiàn)象及時(shí)示警的系統(tǒng)變得十分有意義。

現(xiàn)階段常用的人流量檢測(cè)系統(tǒng)一般有以下兩種。第一種是由微處理器及光電、聲電傳感器模塊為主的人流量檢測(cè)系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)具有成本低廉、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，但是對(duì)于人流量較大的情況，計(jì)數(shù)準(zhǔn)確性欠佳。第二種是基于圖像處理技術(shù)的人流量檢測(cè)系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)能夠?qū)\(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，并通過分析目標(biāo)特點(diǎn)進(jìn)行人流量統(tǒng)計(jì)，較大程度地避免人員遮擋[3]。盡管這類型系統(tǒng)能夠檢測(cè)動(dòng)態(tài)目標(biāo)并且計(jì)數(shù)準(zhǔn)確，但是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及技術(shù)、高昂的成本制約了其推廣及應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一種基于以太網(wǎng)的智能人流量檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有成本低、安裝方便、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，尤其適用于夜間ATM區(qū)域監(jiān)測(cè)。

1　系統(tǒng)組成

智能人流量檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警控制器和服務(wù)器兩部分組成，通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

報(bào)警控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控范圍內(nèi)的人流量，并將流量數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器；若發(fā)現(xiàn)人員滯留等可疑現(xiàn)象，向服務(wù)器發(fā)出警示。報(bào)警控制器主要由以太網(wǎng)通信模塊、人流量檢測(cè)模塊、報(bào)警輸出模塊和Web Server參數(shù)設(shè)置模塊組成。

服務(wù)器對(duì)在線的報(bào)警控制器進(jìn)行設(shè)備注冊(cè)，并根據(jù)流量數(shù)據(jù)對(duì)報(bào)警控制器發(fā)出觸發(fā)報(bào)警或重置報(bào)警操作。服務(wù)器主要由設(shè)備注冊(cè)模塊、觸發(fā)報(bào)警模塊、重置報(bào)警模塊和心跳機(jī)制模塊組成。

報(bào)警控制器上電后，首先進(jìn)行初始化，再向服務(wù)器發(fā)送注冊(cè)信息。注冊(cè)成功后，報(bào)警控制器將自動(dòng)監(jiān)控流量數(shù)據(jù)。一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，其立即向服務(wù)器提交報(bào)警數(shù)據(jù)，并由服務(wù)器決定是否啟動(dòng)本地報(bào)警。如果啟動(dòng)本地報(bào)警，服務(wù)器向報(bào)警控制器發(fā)出報(bào)警指令，報(bào)警控制器報(bào)警輸出端口有效。報(bào)警信息包括報(bào)警設(shè)備類型DevType、報(bào)警時(shí)間AlarmTime、報(bào)警次數(shù)AlarmNum、報(bào)警人數(shù)AlarmPeople等。服務(wù)器收到報(bào)警信息后，向報(bào)警控制器返回確認(rèn)信息。

報(bào)警控制器報(bào)警或異常后需要復(fù)位，復(fù)位后首先向服務(wù)器發(fā)起注冊(cè)。如果注冊(cè)不成功，間隔一定時(shí)間繼續(xù)注冊(cè)，直至注冊(cè)成功。注冊(cè)成功后，報(bào)警控制器應(yīng)定時(shí)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送心跳信息；一旦心跳信息發(fā)送失敗，報(bào)警控制器應(yīng)重新注冊(cè)。注冊(cè)完成后，報(bào)警控制器保存注冊(cè)信息，以免掉電丟失。注冊(cè)信息協(xié)議包括版本信息Version、ID信息BoxDeviceID、IP地址、控制器端口號(hào)Port、銀行名BankName、網(wǎng)點(diǎn)名Store Name等。

心跳機(jī)制用于維持報(bào)警控制器在線。注冊(cè)完成后，報(bào)警控制器應(yīng)根據(jù)注冊(cè)后反饋心跳周期，定時(shí)向服務(wù)器發(fā)送心跳信息。服務(wù)器根據(jù)心跳信息確認(rèn)報(bào)警控制器的在線狀態(tài)。心跳信息如果一次發(fā)送不成功，則在設(shè)置的20 s間隔周期后再次發(fā)送。如果仍不成功，即認(rèn)為報(bào)警控制器離線，應(yīng)重新向服務(wù)器注冊(cè)。

2　報(bào)警控制器設(shè)計(jì)

報(bào)警控制器由人流量檢測(cè)模塊、報(bào)警輸出模塊、以太網(wǎng)通信模塊、參數(shù)設(shè)置模塊組成。報(bào)警控制器采用STM32F207芯片作為中央處理器，接收傳感器的輸入數(shù)據(jù)，并通過Web Server模塊將信息實(shí)時(shí)傳至服務(wù)器。服務(wù)器通過對(duì)數(shù)據(jù)的判斷，決定是否發(fā)出警報(bào)。

2.1　人流量檢測(cè)模塊

人流量檢測(cè)模塊包括人流量計(jì)數(shù)模塊和人員有無檢測(cè)模塊，通過兩個(gè)紅外開關(guān)和一個(gè)紅外熱釋電傳感器，判斷人員進(jìn)入/離開房間情況，統(tǒng)計(jì)人數(shù)以及監(jiān)測(cè)特殊滯留情況。

人流量檢測(cè)模塊采用紅外漫反射傳感器進(jìn)行信息采集。該傳感器集發(fā)射器和接收器于一體，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過檢測(cè)頭時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的紅外光線將被反射器接收，并產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)[4]。采用一對(duì)紅外線漫反射開關(guān)檢測(cè)人員流量，工作電壓為12 VDC，感應(yīng)范圍為5～100 cm可調(diào)。在工作過程中，若沒有人員經(jīng)過時(shí)，開關(guān)輸出低電平；當(dāng)開關(guān)探測(cè)到有人員經(jīng)過時(shí)，開關(guān)輸出躍變?yōu)楦唠娖?，產(chǎn)生一個(gè)上升沿。 人員檢測(cè)示意圖如圖2所示。

圖2　人員檢測(cè)示意圖

圖2中：兩個(gè)紅外漫反射開關(guān)探測(cè)點(diǎn)A1與A2的距離S為50 cm。假設(shè)人員的前進(jìn)速度v為2 m/s，若忽略開關(guān)的延時(shí)(小于1 ms)，根據(jù)式(1)，則兩個(gè)開關(guān)輸出的上升沿之間的時(shí)間差t為250 ms。

(1)

紅外漫反射開關(guān)電平變化如圖3所示。

圖3　紅外漫反射開關(guān)電平變化圖

如圖3所示，上、下兩個(gè)時(shí)序圖分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)紅外漫反射開關(guān)探測(cè)點(diǎn)A1與A2的電平變化。若系統(tǒng)先接收到A1的上升沿信號(hào)、再接收到A2的上升沿信號(hào)、則判斷為有人員進(jìn)入，計(jì)數(shù)器加1；相反，若系統(tǒng)先接收到A2的上升沿信號(hào)，再接收到A1的上升沿信號(hào)，則判斷為有人員離開，計(jì)數(shù)器減1。

人員有無檢測(cè)模塊使用紅外熱釋電傳感器實(shí)現(xiàn)。人體的恒定體溫約37 ℃，根據(jù)紅外輻射基本原理[5]可知，人體將會(huì)輻射出波長(zhǎng)約為10 μm的紅外線。壓電材料，如鉭酸鋰、鈦酸鋇等，隨溫度的升高會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，從而釋放一部分電荷[6]，這種現(xiàn)象被稱為熱釋電效應(yīng)。

將這類材料制成薄片并在其上下表面設(shè)置電極。當(dāng)紅外線照射到材料表面引起溫度改變?chǔ)時(shí)，極化電荷為ΔP。假設(shè)元件的等效電容為C，則該薄片上下表面電極將產(chǎn)生的極化電壓ΔV為：

(2)

紅外熱釋電傳感器的波長(zhǎng)靈敏度范圍一般為0.2～20 μm，使用時(shí)需要加濾光片[7]，確保波長(zhǎng)為10 μm左右的紅外線能夠通過，從而檢測(cè)出人體發(fā)出的紅外波長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在夜間使用一次ATM取款機(jī)的正常平均時(shí)間為5 min。因此，若系統(tǒng)持續(xù)收到超過5 min的高電平信號(hào)，將向服務(wù)器發(fā)出警示，提醒值班人員使用監(jiān)控設(shè)備觀察潛在的危險(xiǎn)情況。

人流量檢測(cè)模塊接口電路如圖4所示。圖4中：IN1～I(xiàn)N4接外部報(bào)警開關(guān)輸出；U2為四路光耦；R3～R6為光耦輸入側(cè)限流電阻；C1～C4為硬件濾波電容；INPUT1～I(xiàn)NPUT4為經(jīng)過光耦隔離后的檢測(cè)信號(hào)，與STM32的輸入端口連接[8]。

圖4　人流量檢測(cè)模塊接口電路

系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了八路輸入，分別為五路報(bào)警輸入、一路雙檢信號(hào)輸入和兩路流量計(jì)數(shù)輸入，其通道分配及開關(guān)類型通過參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)設(shè)定。

2.2　以太網(wǎng)通信模塊

以太網(wǎng)通信模塊接口電路采用帶SPI接口的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器ENC28J60作為從機(jī)，通過SPI接口與STM32主機(jī)連接。ENC28J60集成介質(zhì)訪問控制(media access control，MAC) 和10 BASE-T PHY，包含接收器和沖突抑制電路，支持一個(gè)帶自動(dòng)極性檢測(cè)和校正的10 BASE-T端口，可采用全雙工和半雙工模式工作，ENC28J60具有8 KB發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包雙端口SRAM。MAC支持單播、組播和廣播數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包通過編程進(jìn)行過濾，并在事件的邏輯“與”和“或”結(jié)果為真時(shí)，喚醒主機(jī)，以匹配64 B的可編程模式。

2.3　報(bào)警輸出模塊

報(bào)警輸出模塊用于驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警裝置，采用繼電器輸出。接口電路如圖5所示。

圖5　報(bào)警輸出模塊接口電路

圖5中，OUTPUT1端口為報(bào)警輸出通道1，與STM32的通用輸出端口連接，經(jīng)光耦TLP521進(jìn)行信號(hào)隔離后，由三極管Q1驅(qū)動(dòng)繼電器線圈。R2為三極管Q1的基極限流電阻，D1為繼電器線圈的續(xù)流二極管。OUT1_COM、OUT1_NO、OUT1_NC分別對(duì)應(yīng)報(bào)警輸出通道1的繼電器輸出公共端、常開輸出端和常閉輸出端。

3　服務(wù)器設(shè)計(jì)

服務(wù)器通過以太網(wǎng)與報(bào)警控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、參數(shù)設(shè)置、Web應(yīng)用服務(wù)。

基于Web Server的報(bào)警控制器參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)，可通過Web頁面完成功能設(shè)置。在瀏覽器中輸入報(bào)警控制器的IP地址，即可登錄Web設(shè)置界面。在進(jìn)入Web設(shè)置界面前，需輸入用戶名和密碼，校驗(yàn)通過后進(jìn)入設(shè)置頁面。頁面主要包含報(bào)警控制器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置、輸入端口設(shè)置、輸出端口設(shè)置、人員檢測(cè)設(shè)置、設(shè)備ID設(shè)置等功能。報(bào)警控制器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置用于配置報(bào)警控制器本地網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，主要包括IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)、DNS服務(wù)器、MAC地址等。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置子函數(shù)流程包括：讀寫IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、DNS服務(wù)器、MAC地址設(shè)置。這些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)保存在系統(tǒng)的Flash中。遠(yuǎn)程服務(wù)器參數(shù)設(shè)置用于配置服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，主要包括服務(wù)器IP地址、服務(wù)器端口號(hào)、單位名稱和網(wǎng)點(diǎn)名稱等。遠(yuǎn)程服務(wù)器參數(shù)設(shè)置子函數(shù)如下：

Static void html_ServerParmSet(char *data)

{

char tmp[100];

char c_tmp[33];

……

read_flash(HtmlSizeAddress+2*1024,(u16 *)htmlreadbuf,2048);

}

服務(wù)器的參數(shù)從Flash中讀取，服務(wù)器IP地址及網(wǎng)點(diǎn)名稱從數(shù)組data中提取和更新。另外，I/O端口參數(shù)設(shè)置用于配置輸入端口名稱、信號(hào)常開/常閉狀態(tài)、觸發(fā)時(shí)間設(shè)置、報(bào)警輸出端口號(hào)、聯(lián)動(dòng)模式等。

4　結(jié)束語

本文介紹了一種基于以太網(wǎng)的智能人流量檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控銀行網(wǎng)點(diǎn)等場(chǎng)所的人員出入情況，進(jìn)行人流量統(tǒng)計(jì)并在發(fā)現(xiàn)異常情況后及時(shí)報(bào)警。本文較詳細(xì)地介紹了報(bào)警控制器的工作原理及硬件設(shè)計(jì)、Web Server參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)、通信協(xié)議及工作流程。該系統(tǒng)樣機(jī)在四川某銀行網(wǎng)點(diǎn)與銀行現(xiàn)有數(shù)據(jù)管理應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無縫對(duì)接。測(cè)試表明，該產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，可在銀行等監(jiān)測(cè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

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