基于压力传感器的出租车客流检测系统

王连震,王 晖,罗孟德

(1.东北林业大学 交通学院,黑龙江 哈尔滨 150040；2.东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

随着城市机动化的高速增长，由此带来的道路资源紧张、城市交通拥诸等问题日益凸显，而优先发展城市公共交通系统，是提高交通资源利用效率、缓解交通拥堵的有效措施[1]。出租车作为城市客运交通系统的重要组成部分，是城市常规公共交通的重要补充。如何科学准确地确定出租车和公交车的合理投放规模，一直是城市交通运输管理部门亟需解决的重要问题[2]。因此，获取精确的出租车方式的居民出行数据，从而为管理部门科学决策提供数据支撑尤为重要。目前，在客流检测方面，国内外学者的研究对象主要集中在公交车、地铁等客流量较大的交通方式[3]中，并对交通量进行采集和处理[4]，但专门针对出租车客流的检测方法还鲜见报道。

在客流检测技术研究方面，常用的检测装置包括红外检测装置、视频图像分析及压力检测装置三种[5]。其中，基于红外检测装置的客流检测方法对客流密集的场景易出现误检和漏检情况[6]，基于视频图像分析的检测方法其检测算法较为复杂，且算法效率直接影响客流检测的精度[7]，而基于压力传感装置的检测方法原理较为简单，但系统设备容易损坏，且对多人同时踩踏情况不能有效检测[8]。

通过分析上述三种检测方法的特点，结合出租车客流的特点，本文设计了一种基于压力传感器的出租车客流检测系统。该系统由主控制器、压力传感器、位置传感器等装置组成，通过系统整合，可实现对出租车在营运过程中客流的实时检测，包括单次营运任务客流数量、乘客出行起终点数据，并能实现对数据的汇总和上传，可为分析出租车的营运情况提供数据支持[9]。

1 系统构成

本文提出的基于压力传感器的出租车客流检测系统由客流采集与计数、乘客位置确定以及数据显示与统计三个部分组成，选用STM32F103RCT6微控制器作为系统的主控制器，实现系统的数据汇总与统计，选用均匀分布于汽车座椅下的压力传感器实现客流采集与计数，选用ATK-S1216F8-BD高性能 GPS/北斗模块实现乘客位置定位。系统的构成框架如图1所示。

图1 出租车客流检测系统框架

2 系统设计

2.1 系统主控制器的设计

微控制器作为整个出租车客流检测系统的大脑，负责管理、监测、存储并显示数据，必须保证微控制器能够稳定可靠地感知放置在汽车座椅下的压力传感器的受力情况，并根据受力情况进行数据采集与统计。考虑到本系统要求体积小、稳定程度高的特点，本文选取了ARM公司基于Cortex-M3内核的STM32F103系列STM32F103RCT6作为主控芯片。该芯片是一种嵌入式微控制器集成IC，程序存储器容量为256K，数据存储器为48K，并具有封装小、引脚少、成本低、运算速度快、稳定性高等特点，非常符合本系统的功能需求。

2.2 压力传感器的设计

针对该系统选择了一种均匀分布于汽车座椅下的压力传感器，用以可靠地感知是否有乘客在出租车座椅上。针对选取的传感器，本文做了相应的试验来测试该压力传感器的输出特性，压力传感器的输出特性如图2所示。当放置在压力传感器上的重物小于30 kg时，传感器自身的电阻值非常大，趋近无穷，可视为开路。一旦重物重量大于30 kg，压力传感器收到的压力突破一个阈值，传感器自身阻值立即突变为5 Ω。这种阶跃响应的特性为采集压力传感器的信息提供了很好依据。

图2 压力传感器输出特性

针对压力传感器的输出特性，本文设计了如图3所示的压力监测电路。在本设计中，将压力传感器化为电阻R2接入到电路中。当压力传感器阻值为无穷大时，将微控制器的IO口经上拉电阻接到电源，IO口可读取到高电平；当压力传感器阻值为5 Ω时，5 V电源经R1与R2最终接到GND，微控制器的IO口此时采集到的为低电平。根据定时读取微控制器IO口的电平状态，可以得到压力传感器状态，进而确定该座椅上是否有乘客。

图3 压力检测电路

2.3 位置传感器的设计

在该系统中，每当系统判定汽车座椅上有乘客时，需要得到乘客上车时的位置信息，为得到该位置信息，本文选取了ALIENTEK公司的ATK-S1216F8-BD高性能 GPS/北斗模块作为本系统的位置传感器。ATK-S1216F8-BD GPS/北斗模块是一款高性能 GPS/北斗双模定位模块，该模块采用先进的全球导航卫星系统接收器S1216F8-BD模组，跟踪能力非常优越；模块与主控芯片采用串口通讯方式进行数据交流，并可以通过串口对模块进行各种参数配置，自带IPX接口，可以连接各种有源天线；模块可使用5 V供电，直接用系统电源为模块供电，无需另外的电平转换电路；模块自带后备电池，掉电可保持星历数据，下次启动时可快速定位[10]。该模块性能优异，很好地满足了系统对位置信息采集的要求。

2.4 电源电路设计

出租车上蓄电池的电平为12 V，在本系统中所使用的均为5 V电平，需要设计一个电平转换电路将蓄电池的电平转化为系统能够使用的5 V电平[11]，设计的电源电路如图4所示。在本设计中，为了简化电路，使用了三端稳压集成电源芯片LM7805。LM7805的使用非常简单，只需要在输入与输出端各加一个大小合适的滤波电容就可以构成一个稳定可靠的直流稳压电源电路。

图4 电源电路

3 系统软件控制流程

出租车客流检测系统主程序的工作流程由上电开始，整个系统进行一系列初始化，打开时钟功能、配置各IO管脚、配置各定时器参数，紧接着打开定时器。此时微控制器开始循环往复地在定时器中断函数里检测压力传感器的参数状态。一旦检测到压力传感器对应的座椅上有乘客，立即通过位置传感器GPS读取当前出租车所在的位置，并将该位置所对应区间内乘客的计数值再加1，紧接着将乘客人数的变动刷新到LCD液晶显示器上。在整个流程中，压力传感器参数的检测一直在往复地进行，以保证可靠地检测。系统软件流程如图5所示。

图5 系统软件控制流程

4 结 语

本文设计了一款基于压力传感器的出租车客流检测系统，利用相应的技术和硬件实现对出租车乘客数量及出行起终点(OD)数据的采集和查询，可为城市交通运输管理部门分析出租车运营状况，为出租车运力规模提供数据支持。如何将本系统与基于GPS的出租车管理平台进行有效融合是今后需要解决的关键问题。