基于TCP的公交车客流量统计系统设计

张雪飞，胡晓君，张鲁殷，杨东东

（山东科技大学电子通信与物理学院，山东 青岛 266590）

0 引言

随着机动车数量与日俱增，交通基础设施的发展速度越来越不能满足我国经济的提升速度，传统的公交车客流量统计极大地落后于现在交通的智能化发展。目前，我国城市公共交通系统中，公共汽车和电车所占比例最大，城市80%以上的客运量由此承担[1]。在经济发展过程中，公共交通的运营状况极为重要，它是科技水平和现代化水平的重要基础，而客流量统计水平在公交系统中尤为重要，并对其提出更高的要求。我国在客流量的精确统计方面存在很多不足，这就需要我们通过引进高科技技术和现代化管理理念，使公交车客流量统计变得更为智能化与人性化，根据客流量分析结果，制定相

应营运作业计划，将会提高市场客流对公交线路的要求[1]，从而实现对公交车动态和静态管理。

1 系统整体结构及功能

图1 .1 系统设计流程图

该系统将数据存储、数据传输、光电对管、单片机等技术巧妙的结合，并以TCP传输协议作为系统的神经网络，保证各部分与整体系统的联系和有序运行。各个部分协调工作，共同完成公交车客流量统计装置的整体性。设计一款具备数据采集、数据传输、数据存储以MSP430单片机为主控的公交车客流量统计系统。综合利用光电对管、单片机、TCP传输控制协议以及EEPROM存储器等技术。

公交车客流量统计系统主要由人数统计模块、数据存储模块、数据传输模块和核心控制模块四大模块组成。

如图1.1所示：

整个公交车客流量统计系统有以下几个部分：数据采集、数据存储、数据传输以及核心控制部分，车门打开时，单片机发射指令，光电对管开始工作，进行人数统计。车门闭合后单片机发射指令，光电对管结束工作，采集到的数据存储在存储器中，数据传输模块开始工作，将数据传输进计算机，系统进入睡眠状态等待下一次车门的开启。在公交车前后门附近特定高度上安装光电对管，前门安装两对光电对管，分别编号1、2号，当有乘客上车时，光电对管开始工作，当被测物体进入受光器作用范围时，光电对管发射端的光线被阻挡，进行人数的统计，根据1、2号光电对管的受阻挡顺序确定人群是上车还是下车[2]。

后门创新性的采用了三对光电对管，分别编号3、4、5，其作用与前门的光电对管的作用并无二致，主要是在中间多加了一对光电对管，目的是分割人流，防止人群成群上下车造成统计失误。得到的数据保存在EEPROM存储芯片中，最后通过TCP传输控制协议将存储的数据传输到电脑上采用上位机软件进行显示并分析。由TCP传输协议进行数据的传输，此部分作为该系统的神经网络，保证各部分与整体系统的联系和有序运行。各个部分协调工作，共同完成公交车客流量统计装置的整体性能。

2 系统模块和上位机软件设计

2.1 客流量数据采集模块

本设计采用光电对管进行人数统计。当被测物体进入探测器的检测范围时，光电对管发射的红外线被检测物体遮挡，因此接收端无法接收到发射端发射的光线，光电对管利用放大器的放大作用和同步选通的整形作用，然后用数字积分或RC积分方法将干扰排除，最后光电对管将控制信号输出。光电对管回差特性较好，因此公交车上当在小范围内人体触碰到时，输出状态会继续保持稳定，不会受到极大影响。

2.2 数据存储模块

采用EEPROM数据存储器进行数据存储，EEPROM存储单元的工作原理如下[2]：

EEPROM的操作主要有三种：擦除；写入；读取。表2.1介绍了这几种操作。擦除：擦除时，在WL端上加高压，约为16V，同时在VCG端上也加高压，约为13V，BL端和VS端都接地，电压为0V。WL端和VCG端为存储管的栅极，BL端和VS端分别为漏极和源极。在读取时，存储管处于关闭状态，不需打开，此时无电流流过。

写入：写入时，在WL端上加高压，约为16V，而在VCG端上加0电位，此时VS端处于悬空状态。BL的电位根据写入数据的不同也不同：写“0”时，BL悬空；写“1”时，BL上加约13V～16V的高压VPPL。

读取：读取时，WL上接电源电压，VS和VCG接0电位，BL上接大约为0.5V的电压。

表2 .1 各种操作模式下存储单元各节点点位

2.3 数据传输模块

在计算机网络中，为了实现各种不同网络的互连，国际标准化组织（International Standaedization Organization,ISO）采用了网络分层的方案，即OSI模型。OSI模型由七个有序的层组成，第一层至第七层依次为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层[3]。通信协议可实现在同一网络中不同应用程序和各种网络硬件的使用以及在不同操作系统中计算机之间的相互通信。发展至今的最成功的通信协议是TCP/IP协议族。

在Internet中，大多依赖TCP协议来管理网络上的信息流动。TCP传输控制协议（Transfer Control Protocol），属于传输层协议。OSI模型的每一层都和一个或一个以上的协议相联系，对等实体的虚对话由这些协议控制。TCP协议由四层组成：网络接口层、Internet层、传输层和应用层[3]。TCP模型的应用层是将OSI模型的应用层、表示层和会话层结合，网络接口层（也被称为链路层）是TCP模型将数据链路层和物理层结合形成。TCP协议中的前三层对应于OSI模型的前四层，提供物理标准、网络接口、网际互联以及传输功能[4]。

封装（Encapsulation）是数据从上层开始，每向下经过一层，在前面加上下一层报头的过程[4]。报头的格式是由进行封装的协议规定的。报头中记录传输信息，对等实体利用传输信息进行相互交流。如图2.1所示。

图2 .1 TCP协议

用户调用应用程序通过TCP访问相应的服务。TCP协议族中各层的工作原理及功能如下[4]：

应用层将应用程序信息转换成数据流后将该数据流交给传输层。传输层提供不同主机之间端到端的通信，负责系统的管理信息的流动，提供传输服务：在发送方，应用层提供的数据流被传输层分段并将数据段加注标识。这种标识称为传输层报文头。在接收方，传输层去掉传输层报文头检验数据在传输过程中是否正确，将数据段重组成数据流交给应用程序处理。

网络层负责处理不同主机之间的通信，数据包的交付：在发送方，数据段（网络层传输层提供）封装到数据报中并填入IP报头；在接收方，读取IP报头中的信息（网络层）并决定如何处理数据报。

数据链路层把网络层提供的数据报封装成帧，帧头中包含各种传输信息，把帧发送出去；在接收方，读取帧头中的信息（数据链路层）。根据发送对象决定拆开帧头或丢弃该帧。

物理层把帧转换成比特流的形式通过传输介质将信息传送出去。如图2.2所示TCP各层数据封装的示意图。

图2 .2 数据封装过程

当发送客流量数据文件时，对用户来说启动数据文件传输程序，这个程序使用文件传输协议FTP协议和对端的传输服务器进行通信，文件传输服务产生相应的传输请求，这个请求通过TCP传输协议与对方之间建立传输通道，经由IP协议，跨越不同的物理网络，送到对方的目的主机，从而实现客流量数据的传输。

TCP的连接建立与终止过程如下[6]：

(1)连接建立

TCP要使用三次握手协议才能发完成连接的建立。当主动方发出SYN连接请求后，等待对方回答SYN+ACK，并最后对对方的 SYN 执行 进行ACK 确认。

TCP三次握手的过程如下：

(1)客户端发送SYN（SEQ=x）报文传送到服务器端，之后进入SYN_SEND状态。

(2)服务器端接收到SYN报文后，会立即发出一个SYN（SEQ=y）ACK(ACK=x+1）报文回复，完成此过程之后会进入SYN_RECV状态。

(3)服务器端发出的SYN报文被客户端接收到之后，回应一个ACK(ACK=y+1）报文，之后进入Established状态。

TCP客户端和服务器端之间的连接经过三次握手之后就可建立，三次握手结束之后，此时就可以进行数据传输。

(2)连接终止

由于TCP是半关闭状态，三次握手可建立一个连接，四次握手可终止一个连接，具体过程如下图所示。

(1)首先需要调用close命令，该应用程序执行此命令时称该端执行的是“主动关闭”命令。数据发送完成时，该端的TCP就会发送一个FIN分节。

(2)接收到由TCP确认的FIN的对端执行 “被动关闭”命令。

(3)一段时间之后，应用程序将调用close命令，此时它的套接字关闭，这使得

它的TCP也发送一个FIN。

(4)接收到最终FIN执行主动关闭的原发送端发送的命令后，TCP就会确认此FIN。

图2 .3 TCP的三次握手

图2 .4 TCP的四次握手

2.4 核心控制模块

本设计采用MSP430单片机作为主控部分。MSP430单片机具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等优点，综合分析各种性能指标，本系统决定选用MSP430单片机[7]。

2.5 上位机软件设计

在上位机软件的主画面中，对各个站点的上车人数、下车人数以及车上载人数进行显示。利用上位机的强大功能，可以方便查看实时客流量数据和历史客流量数据，方便对客流量的数据的调查和对不同公交车的调度。

3 结论

本文详细阐述了公交车客流量统计系统的研究内容及设计原理，以光电对管、单片机、EEPROM存储器、TCP传输协议等作为技术支持，设计了一套统计精确度高、功能较为完善的智能公交车客流量统计系统。此系统实现了人数统计、数据存储、数据传输等功能需求。此外，采用TCP传输协议进行数据传输和上位机进行客流量数据实时显示，摒弃了传统客流量统计的方式，采用了智能化统计方式，使系统更加合理化。

本文需要做进一步的研究[8-10]。

1.在高人流密度下的统计不够精确。当在人流密度比较大的时候使用光电对管进行人数统计时，精确率会受到影响，没有达到最高。因此系统下一步的改进方向是改善高人流密度下的客流量统计。

2.本文对客流量的实例仅分析了几条公交线路，应该大规模的分析其他公交线路客流量情况，增强数据的广泛性及正确性，以完善理论的不足之处。

[1] 姜伟.复杂背景下公交乘客流量统计研究[D].青岛：青岛大学，2010.JIANG Wei.Research on bus passenger flow statistics under complicated background[D].Qingdao：Qingdao University，2010.

[2] 陈瑞欣.0.18um低功耗串行EEPROM IP设计[D].上海：复旦大学，2008.CHEN Rui-xin.0.18um low power serial EEPROM IP design[D].Shanghai：Fudan University，2008.

[3] 罗军周.TCP/IP协议及网络编程技术[M].北京：清华大学出版社，2004.6-7.LUO Jun-zhou.TCP/IP protocol and network programming technology[M].Beijing：Tsinghua University Press，2004.6-7.

[4] 马争鸣.TCP/IP原理与应用[M].北京：冶金工业出版社，2006.2-12.MA Zheng-ming.TCP / IP principle and application[M].Beijing：Metallurgical Industry Press，2006.2-12.

[5] 王斌斌.基于时差法的超声波测速向仪设计与实现[J].大学物理实验，2013，26（4）：22-23.WANG Bin-bin.Design and realization of ultrasonic tachometer based on time difference method[J].University physics experiment，2013，26（4）：22-23.

[6] 刘雨杭. 基于宽带卫星网络的TCP传输性能的研究[D].吉林：吉林大学，2015.LIU Yu-hang.Research on TCP transmission performance based on broadband satellite network[D].Jilin：Jilin.

[7] 洪利，章扬，李世宝.MSP430单片机原理与应用实例详解[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010：52-53.

[8] Jabri S，Durie z，Wechsler，Hetal.Detection and location of People in video images using adaptive fusion of color and edge information.In：Pattern Recognition，Proceedings.15th International Conference on Sept.2000，4：627-630.

[9] Pelliconi R.，Iezzi D.，Baroni A.，Pasotti M.，Rolandi P.L.，Power effieient charge pump in deep submicron standard CMOS technology Solid-State Circuits Conference[J].Sept.2001：73-76.

[10] Chan Yi-C，Lin Chia-L.Quick-Vegas： Improving performance of TCP Vegas for high bandwidth-delay product networks[C]. Proceedings of IEICE Transactions.2008：987-996.