基于人流量统计的灾害救援系统研究＊

千承辉，王松，李映萱，魏庆丽

（吉林大学 仪器科学与电气工程学院，长春 130026）

引 言

改革开放以来，中国的城市化步伐逐步加快。城市人口不断增多，楼层的高度越来越高。近几年发生了多次重大高层火灾，造成了严重的人员伤亡和财产损失。高层建筑火灾具有蔓延途径多、烟火扩散快，可燃物质多、火灾荷载大，受困人员多、救援难度大等特点。由于上述特征，必然导致高层建筑火灾多发、火灾发生后火势迅猛蔓延、人员大量被困以及消防官兵到场后火灾扑救异常艰难的局面[1]。对于高层的救援行动，准确地了解楼宇内人员的分布情况非常重要，可以使救援更加具有针对性，为救援争得最宝贵的时间。

目前的人流量统计系统采用的大多是单一的探测手段[2]，误差较大。有一些复杂的系统，例如基于图像传感器（Charge－Coupled Device，CCD）的图像采 集系统[3－4]，操作复杂、获取信息困难、数据量大、成本较高，不适合大面积的使用和推广。开发一套成本低、应用范围广、操作简便的系统显得十分必要。因此，针对目前现有系统的不足，设计了一套基于人流量统计的灾害救援系统。该系统采用多传感器的探测方式，使采集的数据更加准确；数据传送采用无线传输模式，节约成本、减少布线；供电系统采用直接供电和蓄电池供电双路供电的方式，保证系统在突发事件导致主电源被切断的情况下仍然可以继续工作，当灾害来临的时候数据传输不会中断。

1 总体设计方案

为了准确、实时、可靠地测量人流量，系统采用多传感器、无线传输、双路供电的方式，系统框图如图1所示。人流量统计系统由数据采集模块、无线传输模块、主机及显示模块、电源管理模块组成。数据采集模块采用光电传感器和超声传感器相结合的方式，通过光电传感器的脉冲信号来确定人员进出的方向，通过超声传感器来判断通过人员的数量。从机控制器将两个传感器的数据进行前期的初步处理，把处理好的数据通过无线传输发射端，按照无线通信协议发送数据。主机在无线传输接收端接收数据，将数据进一步处理后送给显示模块进行显示。

整个系统采用双路供电的方式，主电源为交流电转化直流电，副电源为蓄电池输出直流电。正常情况时采用主电源供电，当突发灾害来临时可能导致交流电供应故障，此时系统通过电源检测自动切换到蓄电池供电模式。由于系统的能耗较低，蓄电池的电能可以确保完成救灾任务。双路供电和无线传输的配合使用，保证了系统在火灾的时候仍然可以正常工作，能够有效地支持救援行动。

图1 系统框图

2 硬件电路设计

系统以AT89S52单片机为控制核心，超声模块和红外模块将信号以脉冲的形式送给从机，再通过无线传输与主机进行数据通信，主机处理数据后显示其结果。

2.1 数据采集模块

该模块的主要部分采用的是红外传感器和超声传感器，红外传感器由发射端和接收端组成。脉冲的时序如图2所示。当没有人员通过时，输出的信号为低电平；当有人员通过时，产生一个上升沿，计一次脉冲[5]。将两个相同的传感器前后并排放置，通过判断接收到脉冲的先后顺序，判断人员的进出方向[6]。

图2 红外传感器产生的脉冲

超声波测距的原理一般采用渡越时间法（Time Of Flight，TOF）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度，就得到二倍的声源与障碍物之间的距离[7]。利用超声传感器的测距功能，将发射端和接收端置于一侧，通过探测超声波到达物体后反射回来的信号，来获得一侧的距离La。在另一端，装一个同样的超声传感器，获得另一侧的距离数据Lb。将这两个传感器置于相同的适当高度，用两个超声传感器之间的距离Lc，减去两个传感器获得的距离和（La＋Lb），最终得到通过人员的宽度X，X＝Lc－（La＋Lb）。超声模块检测原理如图3所示。当X小于1.5m时，计为1人；超过1.5m时，计为2个人（3个人同时并排通过的几率很小，可以忽略）。通过红外传感器和超声传感器联合使用的方式可以大大地减少单一传感器造成的计数误差。

图3 超声模块检测原理

2.2 无线传输模块

无线通信方式具有降低布线难度、减少故障发生率、节约原材料等优点。无线传输采用CC1101模块，该模块使用的通信频段为433MHz（免费ISM频段免许可证），抗干扰能力较好，以串口通信方式提供多达256个通道，功耗低，传输距离可达200m以上，可以基本满足要求。以51单片机为主机控制核心模块[8]，下位机与上位机之间采用多机通信模式，多机通信原理框图如图4所示。

图4 多机通信原理框图

首先主机通过无线模块发出地址，从机收到地址之后与自己的地址相比较，如果地址匹配则主机接收对应从机的数据；如果地址不匹配，继续与下一个从机进行握手。这种方法使主机在很短的时间内可以将所有的从机扫描一遍，进行软件的地址登记。当从机有数据传送时，主机可以及时地接收到数据[9]。通过主机的分时复用，减小了硬件的投入成本。由于主机对从机的扫描频率较高，对于数据可以近似的看作实时接收，产生的误差极小，可以忽略。

2.3 主机及显示模块

主机采用AT89S52单片机进行控制。通过无线模块的接收端和各个检测点进行主从机之间的通信，把接收到的数据输出到显示模块，完成各个监测点的实时显示。显示模块可以根据使用地点的不同采取不同的方式：在学校等场所可以使用LED点阵的方式公开显示；在写字楼等场合可以采用微机的显示方式，在保卫处等地进行监测。

2.4 电源管理模块

系统采用双路供电方式，主电源为交流电，副电源为蓄电池。各个下位机之间供电系统相互独立，下位机与上位机之间的供电系统也相互独立，确保在故障出现时可以及时排查，电源管理模块框图如图5所示。LTC4412是Linear公司的一款用于电源管理的集成芯片，7805是三端正电源稳压电路，AP432是手调式精密并联稳压器。LTC4412通过控制一个外部P沟道 MOSFET，实现一种用于电源切换或负载均分的近理想型二极管功能。当辅助电源接入时，负载将自动地与电池断接。当检测到一个辅助电源时，可采用STAT引脚来使能一个辅助P沟道MOSFET电源开关。AC／DC适配器电压允许的范围是3～28V，电池电压允许的范围是2.5～28V。

图5 电源管理模块框图

当交流电正常供电时，通过适配器将交流电转化为直流电对系统进行供电，并且对直流蓄电池进行充电。由电源管理模块对交流电进行检测，当交流电提供的电压低于某个阈值时（即断电时），自动切换到蓄电池供电。当交流电供电和蓄电池供电同时出现异常时，主机无法对其进行握手，此时主机会产生对应从机的报警信号，可以及时对故障进行排查和处理，使系统维护更加方便。

3 软件设计

由于51内核的单片机支持C语言程序设计，故采用C语言进行软件开发，使软件具有可读性强、可移植强等特点[10]。整个系统的程序采用模块化的设计方式，各个模块独立进行程序设计，便于后期的调整。主要的程序模块包括数据采集模块、无线发射端的从机模块、无线接收端的主机模块和显示模块。程序的流程如图6所示。

图6 程序流程图

从机部分的红外传感器采用外部中断0和外部中断1处理[11]。根据两个传感器的位置决定两个中断的嵌套关系。当红外传感器接收到外部信号时，进入中断服务子程序，中断服务子程序处理结束后返回主程序。超声测距的部分和显示的部分在主程序中。要保证红外传感器和超声传感器测量的同步性，否则会带来很大的误差。传感器获取的数据处理之后以串口通信的方式传给无线发射模块。

主机部分初始化之后，通过无线信号与从机握手，握手成功即进行数据接收。将接收到的数据传送给显示模块，进行实时显示。

4 测试结果

基于人流量统计的灾害救援系统由于采用了多传感器结合的数据采集方式，对于两人同时通过的测量更加准确，测量精度比传统单一传感器方式有所提高。对半小时内固定地点人流量的统计结果如表1所列。

表1 半小时内单一传感器和多传感器测量结果的比较

从测试结果可以看出，多传感器测量的相对误差较小，而单一传感器测量相对误差较大。说明在测量中多传感器联合使用的性能要高于单一传感器。

结 语

基于人流量统计灾害救援系统最大的特点就是采用了多种传感器进行数据采集，利用无线方式传输数据，使用双电源对系统供电。整个系统采用模块化的设计思想，虽然各个模块在功能上相互联系，但是在软件和硬件上相对独立，当一个模块发生故障的时候，不影响其他模块正常工作，有利于故障的查询。整体系统采用双路供电方式，灾害来临的时候系统可以正常工作。而且系统的各个组件价格低廉、易于获得，降低了使用成本和后期维护成本，使其应用范围更加广泛。由于无线传输模块的引入，使系统有了更大功能扩展的可能性，可以增加一些相应的控制元件完成更复杂、更智能的工作。

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