基于紅外技術(shù)的公交車載人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)的設(shè)計

　　引言

　　隨著社會的發(fā)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(chǔ)，但是以往的客流量統(tǒng)計只限于人工記錄、公交自動刷卡記錄，記錄數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)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(shù)的公交車載人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)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(tǒng)計誤差。

　　車載人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)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(diào)度規(guī)劃依據(jù)，公交車載人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)的功能如下：

　　1）人數(shù)采集統(tǒng)計功能

　　公交車在各個停靠站點上下車的人數(shù)都能精確無誤地被系統(tǒng)記錄。

　　2）數(shù)據(jù)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(yīng)的運營計劃。

　　3）數(shù)據(jù)傳輸功能

　　車載人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)可以將各個公交停靠站點的客流量數(shù)據(jù)通過有線或者無線方式傳輸給計算機(jī)。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F149為核心控制器，集成紅外發(fā)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(tǒng)框圖見圖1。

圖1系統(tǒng)框圖

　　2.1單片機(jī)單元

　　系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)作為核心控制器，此款單片機(jī)具有16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可使單片機(jī)實現(xiàn)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(jī)負(fù)責(zé)采樣公交車輛開關(guān)門信號，開啟或者關(guān)閉紅外計數(shù)模塊，記錄各個公交站點的上下車人數(shù)，存儲各個站點上下車人數(shù)數(shù)據(jù)并將存儲的數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)。

　　2.2紅外發(fā)射模塊

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

　　由于紅外接收模塊可以接收的載波頻率為38kHz，所以紅外發(fā)射模塊需要以38kHz的載波發(fā)射信號[1]。單片機(jī)MSP430F149內(nèi)部包含PWM輸出控制，很容易實現(xiàn)載波信號的設(shè)置。單片機(jī)管腳的輸出驅(qū)動能力有限，為提高發(fā)射模塊的發(fā)射距離，采用外接三極管驅(qū)動電路以提高發(fā)射模塊的正向電流IF，來提高發(fā)射模塊的發(fā)射距離[2]。紅外發(fā)射驅(qū)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(shù)為：可接收的載波頻率典型值是38kHz；當(dāng)紅外發(fā)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(yán)格，為防止誤輸出信號的發(fā)生，對其輸入電源進(jìn)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(fā)射接收模塊原理圖

　　單片機(jī)PWM輸出驅(qū)動紅外發(fā)射模塊向外發(fā)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(dāng)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(chǎn)生一個上升沿信號。LF0038F輸出信號的波形如圖3a。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

　　系統(tǒng)可以將各站點相對應(yīng)的上下車的乘客數(shù)量進(jìn)行存儲，并且可以通過有線或者無線方式傳輸給上位機(jī)。有線方式采用RS232接口電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無線方式采用紅外通信方式。由于RS232通信技術(shù)比較成熟，容易實現(xiàn)，這里不再介紹，主要詳細(xì)介紹紅外通信方式傳輸數(shù)據(jù)。

　　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(tǒng)中編碼格式定義如下：系統(tǒng)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(jìn)制的“0”，以脈沖寬度560uS、間隔1685uS、周期為2.25mS表示二進(jìn)制的“1”。信號周期波形如圖3b。

　　紅外數(shù)據(jù)編碼包括9部分：引導(dǎo)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(shù)原碼、上車乘客數(shù)反碼、下車乘客數(shù)原碼和下車乘客數(shù)反碼，共74位數(shù)據(jù)組成。引導(dǎo)碼由9ms的低電平和4.5ms的高電平構(gòu)成，車輛識別碼由13位原碼數(shù)據(jù)和13位反碼數(shù)據(jù)構(gòu)成，站點碼由8位站點原碼和8位站點反碼構(gòu)成，上車乘客碼由8位上車乘客數(shù)原碼和8位上車乘客數(shù)反碼構(gòu)成，下車乘客碼由8位下車乘客數(shù)原碼和8位下車乘客數(shù)反碼構(gòu)成。為防止通信過程中出現(xiàn)錯誤，用各個反碼驗證前面接收的原碼數(shù)據(jù)是否正確。紅外數(shù)據(jù)編碼結(jié)構(gòu)如表1。數(shù)據(jù)發(fā)射編碼圖見圖3c。

表1紅外數(shù)據(jù)編碼結(jié)構(gòu)表

　當(dāng)需要將車載系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)時，操作人員按下數(shù)據(jù)傳輸控制按鍵，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸程序，由程序控制紅外發(fā)射模塊按數(shù)據(jù)編碼格式輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號。上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)是否有效，然后通過紅外發(fā)射模塊向車載系統(tǒng)發(fā)回數(shù)據(jù)有效或者無效應(yīng)答。數(shù)據(jù)傳輸完畢后，車載系統(tǒng)自動進(jìn)入待機(jī)模式，等待新的數(shù)據(jù)記錄的開始。數(shù)據(jù)傳輸流程圖見圖4a。

　　3.2主程序功能

　　主程序負(fù)責(zé)初始化、開中斷、檢測車門開關(guān)、指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入各種相應(yīng)的工作狀態(tài)。主程序流程圖見圖4b。

　　3.3上下車人數(shù)統(tǒng)計程序

　　公交車到站后，系統(tǒng)檢測到開門信號時，程序開啟PWM輸出，驅(qū)動紅外模塊發(fā)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(dāng)乘客上下車時，紅外模塊發(fā)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?yōu)楦唠娖剑仙赜|發(fā)單片機(jī)中斷，程序進(jìn)入乘客上下車檢測判斷，單片機(jī)通過程序處理后確認(rèn)有乘客上下車時，系統(tǒng)便進(jìn)行相應(yīng)的上下車人數(shù)記錄。系統(tǒng)檢測到車門關(guān)閉公交車離站時，保存相應(yīng)站點序號以及在該站上下車人數(shù)，并且清零相應(yīng)寄存器。客流統(tǒng)計程序見圖4c。

圖4程序流程圖

　　結(jié)論

　　紅外技術(shù)是一門新興而且發(fā)展迅速的學(xué)科，各種紅外器件應(yīng)運而生，品種繁多，其應(yīng)用涉及到民用、軍用各個行業(yè)。系統(tǒng)硬件以及軟件均采用模塊化設(shè)計，易于升級與維護(hù)。經(jīng)過在線實際運行，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為公交公司的車輛調(diào)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(tǒng)具有良好的推廣價值和應(yīng)用前景。