基于紅外技術的公交車載人數統計系統的設計

　　引言

　　隨著社會的發展，城市公共交通的作用越來越重要，如何合理有效的安排公交車次以及制定公交車運營計劃，是每個公交公司的頭等大事。客流量的大小是公交公司制定所有運營計劃的基礎，但是以往的客流量統計只限于人工記錄、公交自動刷卡記錄，記錄數據與實際數據之間存在較大的誤差，對公交公司的車輛運營計劃的制定造成了很大的影響。基于紅外技術的公交車載人數統計系統可以全天候工作，真實可靠地記錄客流量，從而可以避免以上人為誤差和刷卡統計誤差。

　　車載人數統計系統的功能

　　為了有效記錄公交線路各站點的真實客流量，為公交公司提供合理的車輛調度規劃依據，公交車載人數統計系統的功能如下：

　　1）人數采集統計功能

　　公交車在各個停靠站點上下車的人數都能精確無誤地被系統記錄。

　　2）數據存儲功能

　　每個公交車停靠站點以及該站點的客流量為一對一記錄保存，以便公交公司工作人員分析各站點的客流量，合理的制定相應的運營計劃。

　　3）數據傳輸功能

　　車載人數統計系統可以將各個公交停靠站點的客流量數據通過有線或者無線方式傳輸給計算機。

　　系統硬件設計

　　系統以單片機MSP430F149為核心控制器，集成紅外發射模塊、紅外接收模塊、串行存儲器模塊、RS232接口模塊和電源管理模塊。系統框圖見圖1。

圖1系統框圖

　　2.1單片機單元

　　系統采用TI公司的MSP430F149單片機作為核心控制器，此款單片機具有16位的CPU集成寄存器和常數發生器，可使單片機實現最大化的代碼效率；集成JTAG，支持在線編程；兩個通用全雙工串行同步/異步通信接口；PWM控制輸出；外部中斷輸入接口。單片機負責采樣公交車輛開關門信號，開啟或者關閉紅外計數模塊，記錄各個公交站點的上下車人數，存儲各個站點上下車人數數據并將存儲的數據傳輸給計算機。

　　2.2紅外發射模塊

　　紅外發射二極管LF5038作為發射模塊的紅外信號發射器件,其電氣參數如下：峰值波長為940nm；正向工作電壓VF為1.2V，正向驅動電流IF最大值100mA，一般來說，IF越大，發射距離越遠。

　　由于紅外接收模塊可以接收的載波頻率為38kHz，所以紅外發射模塊需要以38kHz的載波發射信號[1]。單片機MSP430F149內部包含PWM輸出控制，很容易實現載波信號的設置。單片機管腳的輸出驅動能力有限，為提高發射模塊的發射距離，采用外接三極管驅動電路以提高發射模塊的正向電流IF，來提高發射模塊的發射距離[2]。紅外發射驅動電路如圖2a。

　　2.3紅外接收模塊

　　紅外接收模塊采用LF0038F，其性能參數為：可接收的載波頻率典型值是38kHz；當紅外發射模塊的正向電流為300mA時，LF0038F接收的最小距離為15m；接收角度的典型值為±45º。

　　紅外接收模塊對供電電源的要求比較嚴格，為防止誤輸出信號的發生，對其輸入電源進行多級抗干擾以及濾波處理，紅外接收模塊電路圖如圖2b。

圖2紅外發射接收模塊原理圖

　　單片機PWM輸出驅動紅外發射模塊向外發射38kHz的脈沖信號，LF0038F接收到有效信號時OUT端輸出低電平信號，當LF0038F接收不到有效信號時OUT端輸出高電平信號，期間由低電平到高電平會產生一個上升沿信號。LF0038F輸出信號的波形如圖3a。

系統軟件設計

　　3.1數據傳輸程序設計

　　系統可以將各站點相對應的上下車的乘客數量進行存儲，并且可以通過有線或者無線方式傳輸給上位機。有線方式采用RS232接口電路進行數據傳輸，無線方式采用紅外通信方式。由于RS232通信技術比較成熟，容易實現，這里不再介紹，主要詳細介紹紅外通信方式傳輸數據。

　　紅外通信的難點和重點在于紅外信號的編碼格式定義。在系統中編碼格式定義如下：系統采用兩種周期格式分別為1.125mS和2.25mS，其中以脈沖寬度560uS、間隔565uS、周期為1.125mS表示二進制的“0”，以脈沖寬度560uS、間隔1685uS、周期為2.25mS表示二進制的“1”。信號周期波形如圖3b。

　　紅外數據編碼包括9部分：引導碼、車輛識別原碼、車輛識別反碼、站點原碼、站點反碼、上車乘客數原碼、上車乘客數反碼、下車乘客數原碼和下車乘客數反碼，共74位數據組成。引導碼由9ms的低電平和4.5ms的高電平構成，車輛識別碼由13位原碼數據和13位反碼數據構成，站點碼由8位站點原碼和8位站點反碼構成，上車乘客碼由8位上車乘客數原碼和8位上車乘客數反碼構成，下車乘客碼由8位下車乘客數原碼和8位下車乘客數反碼構成。為防止通信過程中出現錯誤，用各個反碼驗證前面接收的原碼數據是否正確。紅外數據編碼結構如表1。數據發射編碼圖見圖3c。

表1紅外數據編碼結構表

　當需要將車載系統記錄的數據傳輸到上位機時，操作人員按下數據傳輸控制按鍵，系統進入數據傳輸程序，由程序控制紅外發射模塊按數據編碼格式輸出相應的數據信號。上位機接收到數據后，判斷數據是否有效，然后通過紅外發射模塊向車載系統發回數據有效或者無效應答。數據傳輸完畢后，車載系統自動進入待機模式，等待新的數據記錄的開始。數據傳輸流程圖見圖4a。

　　3.2主程序功能

　　主程序負責初始化、開中斷、檢測車門開關、指導系統進入各種相應的工作狀態。主程序流程圖見圖4b。

　　3.3上下車人數統計程序

　　公交車到站后，系統檢測到開門信號時，程序開啟PWM輸出，驅動紅外模塊發射頻率為38kHz的脈沖信號，LF0038F接收到信號OUT端輸出低電平信號。當乘客上下車時，紅外模塊發射的脈沖信號被人體遮擋住[3]，接收模塊沒有信號輸入，LF0038F輸出信號由低電平跳變為高電平，上升沿觸發單片機中斷，程序進入乘客上下車檢測判斷，單片機通過程序處理后確認有乘客上下車時，系統便進行相應的上下車人數記錄。系統檢測到車門關閉公交車離站時，保存相應站點序號以及在該站上下車人數，并且清零相應寄存器。客流統計程序見圖4c。

圖4程序流程圖

　　結論

　　紅外技術是一門新興而且發展迅速的學科，各種紅外器件應運而生，品種繁多，其應用涉及到民用、軍用各個行業。系統硬件以及軟件均采用模塊化設計，易于升級與維護。經過在線實際運行，采集數據準確可靠，為公交公司的車輛調度以及排班安排提供了第一手資料。避免了以往人工記錄存在較大誤差的缺點，該系統具有良好的推廣價值和應用前景。