基于LabVIEW的人流量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

蔡俊，王松濤，甘旭東，王麗

公共場所人流量大、人員密集程度高，且不易疏散，給消防安全管理工作帶來諸多問題［1］.為進一步降低群體性安全風(fēng)險，眾多旅游景區(qū)、商場、辦公樓宇等場所開始限制人流量.

近年來，人流分析與決策技術(shù)發(fā)展迅速，冉涌［2］基于百度AI平臺提供的視覺識別API接口，實現(xiàn)了人流量的動態(tài)監(jiān)測.楊志勇等［3］提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)射頻信號接收強度的人流量檢測方法.王存娥等［4］以STC89C52單片機作為核心處理器，將E18-D50NK紅外傳感器應(yīng)用到室內(nèi)人流量實時監(jiān)測系統(tǒng)中.千承輝等［5］綜合利用對射式紅外傳感器、反射式超聲傳感器構(gòu)成的多傳感器技術(shù)設(shè)計了新型的人流量檢測系統(tǒng).郭榮慶等［6］采用運動目標(biāo)識別技術(shù)設(shè)計了一套適用于公交車的人流量統(tǒng)計系統(tǒng).本文基于紅外傳感器、單片機、虛擬儀器技術(shù)提出了一種適用于公共場所的人流量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，主要由微控制器模塊、傳感器模塊和上位機三部分組成.其中，系統(tǒng)以STC8G2K64S4為主控芯片；傳感器模塊由兩塊YL-62紅外傳感器構(gòu)成，分別安裝在入口和出口處；上位機設(shè)計采用NI Lab-VIEW軟件.

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

（1）MCU模塊.STC8G2K64S4單片機具有價格低、處理速度快、串口通信功能及GPIO資源豐富等優(yōu)勢，足以應(yīng)用于本系統(tǒng).MCU模塊負(fù)責(zé)分析傳感器采集的信號，并按照一定的幀結(jié)構(gòu)格式通過串口發(fā)送給上位機.硬件電路使用太原市學(xué)電科技有限公司51單片機學(xué)習(xí)機原理圖.系統(tǒng)硬件實物如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件實物圖

（2）傳感器模塊.系統(tǒng)中，選用YL-62紅外傳感器進行人流量計數(shù)，該模塊可實現(xiàn)2～80 cm距離范圍內(nèi)的障礙物探測，通過調(diào)節(jié)電位器旋鈕改變檢測距離［7］.在進口和出口位置分別安裝一塊YL-62紅外傳感器，當(dāng)有訪客進入或者離開時，YL-62檢測到障礙物，并輸出低電平信號，方便MCU模塊計數(shù)和進一步處理.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 MCU模塊人流量計數(shù)功能設(shè)計

以旅游景區(qū)為例，在入口位置安裝YL-62紅外傳感器A，在出口位置安裝YL-62紅外傳感器B.當(dāng)游客進入時，A輸出低電平，MCU計數(shù)值增1；當(dāng)游客離開時，B輸出低電平，MCU計數(shù)值減1.具體工作流程如圖3所示.

圖3 人流量計數(shù)功能程序流程圖

3.2 MCU模塊串口發(fā)送功能設(shè)計

MCU模塊與上位機LabVIEW之間采用串口通信功能，將YL-62紅外傳感器模塊的計數(shù)結(jié)果Data通過串口上傳給上位機.考慮到公共場所容量上限一般大于255，因此設(shè)計Data占16 bit，通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如表1所示.

表1 串口通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

3.3 上位機LabVIEW設(shè)計

虛擬儀器技術(shù)是目前儀器發(fā)展的一個重要方向，廣泛應(yīng)用于測試、測量及自動化領(lǐng)域.由美國NI公司研發(fā)的LabVIEW是當(dāng)今最流行的虛擬儀器語言之一，采用圖形化的編程方式，極大地降低了軟件開發(fā)難度.上位機LabVIEW界面主要包括系統(tǒng)操作區(qū)域、訪客數(shù)量文本顯示區(qū)域和“人流量實時統(tǒng)計”圖表顯示區(qū)域.

上位機前面板如圖4所示.其中，左下角為操作區(qū)域，完成通信串口選擇、連接及系統(tǒng)的退出操作；左上角為訪客數(shù)量文本顯示區(qū)域，可根據(jù)需要設(shè)置“上限訪客容量”，顯示“實時訪客人數(shù)”“累計訪客人數(shù)”“累計離開人數(shù)”具體數(shù)值；并以圖表的形式展示在右側(cè)“人流量實時統(tǒng)計”圖表顯示區(qū)域.

圖4 上位機前面板

上位機功能設(shè)計主要包含串口通信數(shù)據(jù)包解析、人流量實時統(tǒng)計、語音播報、歷史數(shù)據(jù)記錄與存儲四個步驟.假設(shè)C0為通過上位機界面手動設(shè)置的上限訪客容量；C1、C2分別表示通過串口解析的前一次和此次計數(shù)值；I、J、K分別用于記錄實時訪客人數(shù)、累計訪客人數(shù)和累計離開人數(shù).主要工作流程如圖5所示.

圖5 上位機核心功能流程圖

（1）串口通信數(shù)據(jù)包解析.為保證MCU模塊與上位機間的正常通信，首先配置合理的串口通信參數(shù)，再通過VISA讀取函數(shù)讀取串口接收的數(shù)據(jù)，依據(jù)表1協(xié)議幀結(jié)構(gòu)解析有效數(shù)據(jù)Data.從串口接收的數(shù)據(jù)流中，通過搜索0X5A定位數(shù)據(jù)包包頭，再截取距離包頭偏移量2、長度為4的數(shù)據(jù)段為Data值，即為MCU模塊上傳的計數(shù)結(jié)果.串口解析程序框圖如圖6所示.

圖6 串口解析程序框圖

（2）人流量實時統(tǒng)計與語音播報功能.依據(jù)圖4功能流程圖，功能實現(xiàn)過程中主要使用條件結(jié)構(gòu)達到不同前提對應(yīng)不同處理分支的目的.調(diào)用比較函數(shù)，用比較結(jié)果作為分支選擇器的輸入；調(diào)用屬性節(jié)點、局部變量以實現(xiàn)數(shù)值和字符串的更新.相關(guān)核心程序如圖7所示.

圖7 人流量實時統(tǒng)計與語音播報程序框圖

（3）歷史數(shù)據(jù)記錄與存儲.為方便管理人員查閱和保存訪客記錄，上位機增設(shè)了歷史數(shù)據(jù)顯示與存儲功能.主要用到“波形圖表”控件和“寫入帶分隔符電子表格”函數(shù)，將I、J、K捆綁成簇以不同顏色、插值及點樣式的波形輸出到波形圖表窗口中，方便查閱；將當(dāng)前時間、I、J、K組合成1D數(shù)組作為電子表格的輸入內(nèi)容.相關(guān)核心程序如圖8所示.

圖8 歷史數(shù)據(jù)記錄與存儲程序框圖

4 系統(tǒng)測試及數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)測試內(nèi)容主要包含YL-62紅外傳感器模塊計數(shù)功能、上位機人流量實時統(tǒng)計、語音播報、文本提示狀態(tài)及電子表格數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性和一致性.

4.1 系統(tǒng)功能測試

（1）當(dāng)C1小于C2且I小于C0時，景區(qū)未滿員，此時允許訪客進入，I、J更新，界面文本框溫馨提示1，語音播報1，表示歡迎訪客進入.當(dāng)C1大于C2時，此時有訪客離開，I、K更新，界面文本框溫馨提示2，語音播報2.當(dāng)C1小于C2且I等于C0時，景區(qū)已經(jīng)滿員，此時不允許訪客進入，界面文本框溫馨提示3，語音播報3.系統(tǒng)界面分別如圖9所示.

圖9 系統(tǒng)上位機界面功能測試

特別地，當(dāng)I小于C0時，景區(qū)未滿員，此時文本框提示不滿員、指示燈綠色表示允許通行；否則，文本框提示滿員、指示燈紅色表示不再允許進入.

（2）系統(tǒng)運行過程中，自動將“當(dāng)前時間”“實時訪客人數(shù)”“累計訪客人數(shù)”“累計離開人數(shù)”歷史數(shù)據(jù)存儲至當(dāng)前應(yīng)用程序路徑下result.xls表格中.測試結(jié)果如圖10所示.

圖10 歷史數(shù)據(jù)記錄與存儲功能測試

4.2 數(shù)據(jù)分析

為驗證系統(tǒng)有效性，在當(dāng)?shù)匾还珗@門口分別選取8：00—9：00、9：00—10：00、10：00—11：00、14：00—15：00、15：00—16：00五個時間段進行功能驗證測試.本系統(tǒng)人流量數(shù)據(jù)與人工統(tǒng)計結(jié)果對比如表2所示.其中，默認(rèn)人工統(tǒng)計結(jié)果為準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，相對誤差計算方法如下式：

表2 測試結(jié)果對比

測試結(jié)果表明：系統(tǒng)準(zhǔn)確率基本能維持在92.6%以上，引起統(tǒng)計誤差的原因主要是訪客并行進出、懷抱嬰幼兒通行，以及通行速度過快或者過慢幾類情況.

5 結(jié)論

文中提出一種基于YL-62紅外傳感器、LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境的人流量監(jiān)測方法.經(jīng)測試，系統(tǒng)具有開發(fā)成本低、界面友好、操作簡單易維護、監(jiān)測準(zhǔn)確率較高、實時性好等優(yōu)勢.而不足之處在于，對于并行、懷抱嬰幼兒，以及通行速度過快或過慢等情況仍存在漏檢或者多檢問題，有待進一步完善.