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

　　引言

　　隨著社會(huì)的發(fā)展，城市公共交通的作用越來(lái)越重要，如何合理有效的安排公交車次以及制定公交車運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，是每個(gè)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(yùn)營(yíng)計(jì)劃的基礎(chǔ)，但是以往的客流量統(tǒng)計(jì)只限于人工記錄、公交自動(dòng)刷卡記錄，記錄數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間存在較大的誤差，對(duì)公交公司的車輛運(yùn)營(yíng)計(jì)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(jì)系統(tǒng)可以全天候工作，真實(shí)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(jì)誤差。

　　車載人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的功能

　　為了有效記錄公交線路各站點(diǎn)的真實(shí)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(jì)系統(tǒng)的功能如下：

　　1）人數(shù)采集統(tǒng)計(jì)功能

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

　　2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

　　每個(gè)公交車停靠站點(diǎn)以及該站點(diǎn)的客流量為一對(duì)一記錄保存，以便公交公司工作人員分析各站點(diǎn)的客流量，合理的制定相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)計(jì)劃。

　　3）數(shù)據(jù)傳輸功能

　　車載人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)可以將各個(gè)公交停靠站點(diǎn)的客流量數(shù)據(jù)通過(guò)有線或者無(wú)線方式傳輸給計(jì)算機(jī)。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　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(chǔ)器模塊、RS232接口模塊和電源管理模塊。系統(tǒng)框圖見(jiàn)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(shí)現(xiàn)最大化的代碼效率；集成JTAG，支持在線編程；兩個(gè)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(kāi)關(guān)門信號(hào)，開(kāi)啟或者關(guān)閉紅外計(jì)數(shù)模塊，記錄各個(gè)公交站點(diǎn)的上下車人數(shù)，存儲(chǔ)各個(gè)站點(diǎn)上下車人數(shù)數(shù)據(jù)并將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)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(hào)發(fā)射器件,其電氣參數(shù)如下：峰值波長(zhǎng)為940nm；正向工作電壓VF為1.2V，正向驅(qū)動(dòng)電流IF最大值100mA，一般來(lái)說(shuō)，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(hào)[1]。單片機(jī)MSP430F149內(nèi)部包含PWM輸出控制，很容易實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)的設(shè)置。單片機(jī)管腳的輸出驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路以提高發(fā)射模塊的正向電流IF，來(lái)提高發(fā)射模塊的發(fā)射距離[2]。紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(duì)供電電源的要求比較嚴(yán)格，為防止誤輸出信號(hào)的發(fā)生，對(duì)其輸入電源進(jìn)行多級(jí)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(dòng)紅外發(fā)射模塊向外發(fā)射38kHz的脈沖信號(hào)，LF0038F接收到有效信號(hào)時(shí)OUT端輸出低電平信號(hào)，當(dāng)LF0038F接收不到有效信號(hào)時(shí)OUT端輸出高電平信號(hào)，期間由低電平到高電平會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿信號(hào)。LF0038F輸出信號(hào)的波形如圖3a。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)可以將各站點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的上下車的乘客數(shù)量進(jìn)行存儲(chǔ)，并且可以通過(guò)有線或者無(wú)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(wú)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(shí)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(diǎn)和重點(diǎn)在于紅外信號(hào)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(hào)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(shí)別原碼、車輛識(shí)別反碼、站點(diǎn)原碼、站點(diǎn)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(shí)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(diǎn)碼由8位站點(diǎn)原碼和8位站點(diǎn)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(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，用各個(gè)反碼驗(yàn)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(jiàn)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(shí)，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(hào)。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(guò)紅外發(fā)射模塊向車載系統(tǒng)發(fā)回?cái)?shù)據(jù)有效或者無(wú)效應(yīng)答。數(shù)據(jù)傳輸完畢后，車載系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式，等待新的數(shù)據(jù)記錄的開(kāi)始。數(shù)據(jù)傳輸流程圖見(jiàn)圖4a。

　　3.2主程序功能

　　主程序負(fù)責(zé)初始化、開(kāi)中斷、檢測(cè)車門開(kāi)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(jiàn)圖4b。

　　3.3上下車人數(shù)統(tǒng)計(jì)程序

　　公交車到站后，系統(tǒng)檢測(cè)到開(kāi)門信號(hào)時(shí)，程序開(kāi)啟PWM輸出，驅(qū)動(dòng)紅外模塊發(fā)射頻率為38kHz的脈沖信號(hào)，LF0038F接收到信號(hào)OUT端輸出低電平信號(hào)。當(dāng)乘客上下車時(shí)，紅外模塊發(fā)射的脈沖信號(hào)被人體遮擋住[3]，接收模塊沒(méi)有信號(hào)輸入，LF0038F輸出信號(hào)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(cè)判斷，單片機(jī)通過(guò)程序處理后確認(rèn)有乘客上下車時(shí)，系統(tǒng)便進(jìn)行相應(yīng)的上下車人數(shù)記錄。系統(tǒng)檢測(cè)到車門關(guān)閉公交車離站時(shí)，保存相應(yīng)站點(diǎn)序號(hào)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(jì)程序見(jiàn)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(yùn)而生，品種繁多，其應(yīng)用涉及到民用、軍用各個(gè)行業(yè)。系統(tǒng)硬件以及軟件均采用模塊化設(shè)計(jì)，易于升級(jí)與維護(hù)。經(jīng)過(guò)在線實(shí)際運(yùn)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(diǎn)，該系統(tǒng)具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。