基于反射式紅外傳感器的apcs設(shè)計(jì)

基于反射式紅外傳感器的apcs設(shè)計(jì)

公共交通工具的所有者和管理者應(yīng)實(shí)時(shí)、清晰、正確的客運(yùn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為線路規(guī)劃、車輛規(guī)劃和運(yùn)營管理的基礎(chǔ)。因此，有必要為特定的客流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和運(yùn)營分析系統(tǒng)的硬件設(shè)備提供支持。城市客車客流統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)APCS能夠自動(dòng)、智能、準(zhǔn)確地采集上下車的客流量。同時(shí),APCS是客流量統(tǒng)計(jì)、評(píng)估的有效方法,能夠用于檢測公交線路各個(gè)站點(diǎn)上下客人數(shù),分析特定時(shí)段車廂內(nèi)乘客及上下車人數(shù),得出客流方向、數(shù)量規(guī)律,提高公共交通的運(yùn)營管理效率。目前國內(nèi)外從事客流統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品研發(fā)的公司主要有:加拿大Infodev公司、德國Dilax公司、浙江億緯公司、杭州圖易公司、石家莊勞恪公司、納百信公司等。其中Dilax的系統(tǒng)已成功應(yīng)用于5000多輛城市客車,浙江億緯公司的產(chǎn)品已經(jīng)在上海巴士集團(tuán)及深圳巴士集團(tuán)的一些公交線路投入使用。此外,在客流的采集方法上主要有壓力傳感器、紅外傳感器以及圖像識(shí)別的方法,其中利用紅外傳感器進(jìn)行測量的方法在精度、成本等方面具有綜合的優(yōu)勢。本系統(tǒng)采用紅外傳感器并利用熱釋電傳感器進(jìn)行乘客與貨物的區(qū)分,彌補(bǔ)單一傳感器的缺陷,從而得到比較理想的測量效果。1系統(tǒng)組成1.1車輛空間的分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本公交客流統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)采用紅外光電傳感器+熱釋紅外傳感器相結(jié)合的方式采集基礎(chǔ)公交客流數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)在車輛空間上采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式,即前后門數(shù)據(jù)獨(dú)立處理完后再匯總到一個(gè)數(shù)據(jù)集中處理單元對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行總的分析處理。采用該方式可以有效避免傳感器信號(hào)經(jīng)過較長的線路而受到干擾,提高數(shù)據(jù)的可靠性。另外,由于系統(tǒng)傳感器信號(hào)線較多,采用此方式也可以減小布線的復(fù)雜度。APCS系統(tǒng)的總框圖如圖1所示。1.2紅外傳感器的布置為了能夠甄別乘客的上、下車狀態(tài)以及避免由于乘客攜帶貨物導(dǎo)致紅外傳感器誤判,傳感器單元組需要經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)客流傳感器采用的是反射式紅外光電傳感器陣列+熱釋電紅外傳感器陣列的組合方式。當(dāng)乘客或貨物經(jīng)過車門時(shí),反射式紅外光電傳感器陣列便能采集到數(shù)據(jù),而通過熱釋紅外傳感器陣列便能區(qū)分另一路信號(hào)是其他乘客或者是乘客攜帶的貨物,每個(gè)傳感器單元組中傳感器的位置如圖2所示。圖2中反射式紅外傳感器之間的間距通過試驗(yàn)確定為10cm,以區(qū)別相鄰上下車的乘客。通過熱釋電紅外傳感器可以判斷是否有人經(jīng)過車門,而判斷兩組紅外傳感器采集到的數(shù)據(jù)的先后順序,即可判斷乘客是上車還是下車。反射式紅外光電傳感器由發(fā)射模塊與接收模塊組成。為提高紅外傳感器的發(fā)射效率,對紅外發(fā)射管進(jìn)行數(shù)字脈沖調(diào)制,接收部分采用紅外接收一體頭。熱釋紅外傳感器模塊則由熱釋紅外傳感器和信號(hào)放大處理電路組成。圖3給出了傳感器單元組的工作原理示意圖。當(dāng)有乘客經(jīng)過紅外光電感應(yīng)區(qū)時(shí),紅外線經(jīng)人體反射,被紅外接收處理電路接收處理,輸出高電平;當(dāng)沒有乘客經(jīng)過感應(yīng)區(qū)時(shí),紅外接收處理電路保持低電平。另外,當(dāng)乘客經(jīng)過熱釋電紅外感應(yīng)區(qū)時(shí),熱釋電紅外信號(hào)調(diào)理電路對信號(hào)進(jìn)行放大等處理后,輸出高電平信號(hào);當(dāng)沒有乘客經(jīng)過感應(yīng)區(qū)時(shí),熱釋電紅外信號(hào)調(diào)理電路的輸出為低電平。1.3兩人同時(shí)經(jīng)過車門考慮到城市客車車門寬度有限,本系統(tǒng)采用三個(gè)傳感器單元組成一個(gè)車門的傳感器單元組,分別固定于車門上方基本均等的位置。由于傳感器單元組之間有一定的距離,同時(shí)乘客身體寬度在一定的范圍內(nèi),當(dāng)只有一個(gè)或兩個(gè)傳感器單元采集到數(shù)據(jù),可判斷為一人經(jīng)過車門;當(dāng)三個(gè)傳感器單元都采集到有效的信號(hào)時(shí),則可判斷為兩人同時(shí)經(jīng)過車門。單個(gè)車門傳感器單元組合安裝及走線示意圖如圖4所示。每個(gè)傳感器單元傳感器輸出信號(hào)分別連接到傳感器數(shù)據(jù)處理單元。當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)處理單元將數(shù)據(jù)處理后通過RS-485總線將每次開關(guān)門得到的上下客數(shù)量送往數(shù)據(jù)集中處理單元進(jìn)行匯總處理?？紤]到目前中國城市客車的實(shí)際情況,在前門、后門都會(huì)同時(shí)存在上下客的現(xiàn)象,也就是必須實(shí)現(xiàn)當(dāng)α在0~180°之間變化,同時(shí)d1、d2在不同間隔情況下對兩名乘客的判別。對于d1的約束條件是當(dāng)d2的間隔使得兩名乘客落在不同的傳感器探測空間內(nèi),d1距離任意,而如果d2的間隔使得兩名乘客處于交叉重疊的情況時(shí),考慮到傳感器的實(shí)際情況,d1必須大于20cm傳感器才能夠識(shí)別出來。2硬件設(shè)計(jì)2.1紅外接收處理為了提高紅外傳感器電路效率,紅外信號(hào)發(fā)射采用載波調(diào)制。由555芯片產(chǎn)生38kHz的調(diào)制信號(hào)經(jīng)過三極管放大后,利用串聯(lián)的兩路發(fā)光二極管輸出調(diào)制信號(hào),如圖6所示。紅外接收處理部分采用紅外接收一體頭IR3638,其對38kHz信號(hào)進(jìn)行解調(diào)還原和放大處理。紅外一體頭輸出的信號(hào)經(jīng)過三極管輸出,輸出的信號(hào)可接入傳感器數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行處理。見圖7。2.2紅外信號(hào)芯片熱釋電傳感器處理電路由熱釋紅外傳感器和專用的熱釋紅外信號(hào)處理芯片組成。本系統(tǒng)選用的熱釋紅外信號(hào)處理芯片為BISS0001,該芯片只需配合簡單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)濾波和放大處理。考慮到信號(hào)的發(fā)散性,在熱釋電傳感器外面套上菲涅爾透鏡,以增強(qiáng)熱釋電信號(hào)采集的效果。見圖8。3實(shí)際研究方法考慮到客流統(tǒng)計(jì)的應(yīng)用實(shí)際和使用場合,依據(jù)以下的統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算客流統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的精度:1)相對誤差:指實(shí)際上/下車人數(shù)全程累計(jì)與客流統(tǒng)計(jì)全程累計(jì)之比。得出:上車相對誤差=(∑前門上車+∑后門上車)客流統(tǒng)計(jì)合計(jì)/(∑前門上車+∑后門上車)實(shí)際上車合計(jì)人數(shù)×%。下車相對誤差=(∑前門下車+∑后門下車)客流統(tǒng)計(jì)合計(jì)/(∑前門下車+∑后門下車)實(shí)際下車合計(jì)人數(shù)×%。2)絕對誤差:指實(shí)際上/下車人數(shù)與客流統(tǒng)計(jì)人數(shù)每站之差的全程累計(jì)之比。得出:上車絕對誤差=(∑每站前門上車+∑每站后門上車)絕對誤差/(∑前門上車+∑后門上車)實(shí)際上車合計(jì)人數(shù)×%。下車絕對誤差=(∑前門下車統(tǒng)計(jì)+∑后門下車統(tǒng)計(jì))絕對誤差/(∑前門下車+∑后門下車)實(shí)際下車合計(jì)人數(shù)×%。按照上述方法在某一線路上進(jìn)行多次調(diào)試與測試,測量的平均精度維持在85%左右,能夠滿足城市客車調(diào)度的需求。在實(shí)際的調(diào)試過程中,導(dǎo)致測量誤差的主要因素有以下兩點(diǎn):1)紅外傳感器測量方法最大的問題是其反射原理,當(dāng)乘客穿著反射率低的衣服通過客流傳感器時(shí),傳感器可能無法檢測出該乘客;頭發(fā)的反射率也很低,傳感器對頭發(fā)密集或長發(fā)披肩的乘客可能也無法檢測到。2)由于紅外光具有一定的發(fā)散性,人體對光線的反射也屬于漫反射,這使得紅外發(fā)射及感應(yīng)區(qū)都比較大,兩個(gè)乘客距離太近時(shí)將可能會(huì)出現(xiàn)識(shí)別為一名乘客的漏計(jì)數(shù)情況。為了在一定程度上解決客流高峰時(shí)期測量誤差較大的問題,引入擁堵評(píng)價(jià)系數(shù)。該系數(shù)依據(jù)當(dāng)前統(tǒng)計(jì)的車上人數(shù)、相鄰兩個(gè)傳感器獲