基于LabVIEW的人流量监测系统设计与实现

蔡俊，王松涛，甘旭东，王丽

公共场所人流量大、人员密集程度高，且不易疏散，给消防安全管理工作带来诸多问题［1］.为进一步降低群体性安全风险，众多旅游景区、商场、办公楼宇等场所开始限制人流量.

近年来，人流分析与决策技术发展迅速，冉涌［2］基于百度AI平台提供的视觉识别API接口，实现了人流量的动态监测.杨志勇等［3］提出一种基于无线传感器网络射频信号接收强度的人流量检测方法.王存娥等［4］以STC89C52单片机作为核心处理器，将E18-D50NK红外传感器应用到室内人流量实时监测系统中.千承辉等［5］综合利用对射式红外传感器、反射式超声传感器构成的多传感器技术设计了新型的人流量检测系统.郭荣庆等［6］采用运动目标识别技术设计了一套适用于公交车的人流量统计系统.本文基于红外传感器、单片机、虚拟仪器技术提出了一种适用于公共场所的人流量监测系统设计方案.

1 系统总体设计

系统整体架构如图1所示，主要由微控制器模块、传感器模块和上位机三部分组成.其中，系统以STC8G2K64S4为主控芯片；传感器模块由两块YL-62红外传感器构成，分别安装在入口和出口处；上位机设计采用NI Lab-VIEW软件.

图1 系统整体架构框图

2 系统硬件结构

（1）MCU模块.STC8G2K64S4单片机具有价格低、处理速度快、串口通信功能及GPIO资源丰富等优势，足以应用于本系统.MCU模块负责分析传感器采集的信号，并按照一定的帧结构格式通过串口发送给上位机.硬件电路使用太原市学电科技有限公司51单片机学习机原理图.系统硬件实物如图2所示.

图2 系统硬件实物图

（2）传感器模块.系统中，选用YL-62红外传感器进行人流量计数，该模块可实现2～80 cm距离范围内的障碍物探测，通过调节电位器旋钮改变检测距离［7］.在进口和出口位置分别安装一块YL-62红外传感器，当有访客进入或者离开时，YL-62检测到障碍物，并输出低电平信号，方便MCU模块计数和进一步处理.

3 系统软件设计

3.1 MCU模块人流量计数功能设计

以旅游景区为例，在入口位置安装YL-62红外传感器A，在出口位置安装YL-62红外传感器B.当游客进入时，A输出低电平，MCU计数值增1；当游客离开时，B输出低电平，MCU计数值减1.具体工作流程如图3所示.

图3 人流量计数功能程序流程图

3.2 MCU模块串口发送功能设计

MCU模块与上位机LabVIEW之间采用串口通信功能，将YL-62红外传感器模块的计数结果Data通过串口上传给上位机.考虑到公共场所容量上限一般大于255，因此设计Data占16 bit，通信协议帧结构如表1所示.

表1 串口通信协议帧结构

3.3 上位机LabVIEW设计

虚拟仪器技术是目前仪器发展的一个重要方向，广泛应用于测试、测量及自动化领域.由美国NI公司研发的LabVIEW是当今最流行的虚拟仪器语言之一，采用图形化的编程方式，极大地降低了软件开发难度.上位机LabVIEW界面主要包括系统操作区域、访客数量文本显示区域和“人流量实时统计”图表显示区域.

上位机前面板如图4所示.其中，左下角为操作区域，完成通信串口选择、连接及系统的退出操作；左上角为访客数量文本显示区域，可根据需要设置“上限访客容量”，显示“实时访客人数”“累计访客人数”“累计离开人数”具体数值；并以图表的形式展示在右侧“人流量实时统计”图表显示区域.

图4 上位机前面板

上位机功能设计主要包含串口通信数据包解析、人流量实时统计、语音播报、历史数据记录与存储四个步骤.假设C0为通过上位机界面手动设置的上限访客容量；C1、C2分别表示通过串口解析的前一次和此次计数值；I、J、K分别用于记录实时访客人数、累计访客人数和累计离开人数.主要工作流程如图5所示.

图5 上位机核心功能流程图

（1）串口通信数据包解析.为保证MCU模块与上位机间的正常通信，首先配置合理的串口通信参数，再通过VISA读取函数读取串口接收的数据，依据表1协议帧结构解析有效数据Data.从串口接收的数据流中，通过搜索0X5A定位数据包包头，再截取距离包头偏移量2、长度为4的数据段为Data值，即为MCU模块上传的计数结果.串口解析程序框图如图6所示.

图6 串口解析程序框图

（2）人流量实时统计与语音播报功能.依据图4功能流程图，功能实现过程中主要使用条件结构达到不同前提对应不同处理分支的目的.调用比较函数，用比较结果作为分支选择器的输入；调用属性节点、局部变量以实现数值和字符串的更新.相关核心程序如图7所示.

图7 人流量实时统计与语音播报程序框图

（3）历史数据记录与存储.为方便管理人员查阅和保存访客记录，上位机增设了历史数据显示与存储功能.主要用到“波形图表”控件和“写入带分隔符电子表格”函数，将I、J、K捆绑成簇以不同颜色、插值及点样式的波形输出到波形图表窗口中，方便查阅；将当前时间、I、J、K组合成1D数组作为电子表格的输入内容.相关核心程序如图8所示.

图8 历史数据记录与存储程序框图

4 系统测试及数据分析

系统测试内容主要包含YL-62红外传感器模块计数功能、上位机人流量实时统计、语音播报、文本提示状态及电子表格数据记录的准确性和一致性.

4.1 系统功能测试

（1）当C1小于C2且I小于C0时，景区未满员，此时允许访客进入，I、J更新，界面文本框温馨提示1，语音播报1，表示欢迎访客进入.当C1大于C2时，此时有访客离开，I、K更新，界面文本框温馨提示2，语音播报2.当C1小于C2且I等于C0时，景区已经满员，此时不允许访客进入，界面文本框温馨提示3，语音播报3.系统界面分别如图9所示.

图9 系统上位机界面功能测试

特别地，当I小于C0时，景区未满员，此时文本框提示不满员、指示灯绿色表示允许通行；否则，文本框提示满员、指示灯红色表示不再允许进入.

（2）系统运行过程中，自动将“当前时间”“实时访客人数”“累计访客人数”“累计离开人数”历史数据存储至当前应用程序路径下result.xls表格中.测试结果如图10所示.

图10 历史数据记录与存储功能测试

4.2 数据分析

为验证系统有效性，在当地一公园门口分别选取8：00—9：00、9：00—10：00、10：00—11：00、14：00—15：00、15：00—16：00五个时间段进行功能验证测试.本系统人流量数据与人工统计结果对比如表2所示.其中，默认人工统计结果为准确数据，相对误差计算方法如下式：

表2 测试结果对比

测试结果表明：系统准确率基本能维持在92.6%以上，引起统计误差的原因主要是访客并行进出、怀抱婴幼儿通行，以及通行速度过快或者过慢几类情况.

5 结论

文中提出一种基于YL-62红外传感器、LabVIEW图形化开发环境的人流量监测方法.经测试，系统具有开发成本低、界面友好、操作简单易维护、监测准确率较高、实时性好等优势.而不足之处在于，对于并行、怀抱婴幼儿，以及通行速度过快或过慢等情况仍存在漏检或者多检问题，有待进一步完善.