基于集成技术的公交客流计数系统设计

张舒茜　武慧荣　王科杰　许泽新　张倩

摘  要：公交客流的获取是保障城市公交线路有效规划、合理调度以及良好运营的重要依据。文章设计了一套集成光电效应和压电效应的公交客流统计系统，该系统由客流数据采集系统、处理系统、传输系统及显示系统构成，用以实现公交运行线路各站点、各时间段客流数据采集、统计及传输，便于精确获取公交线路乘客出行数据，可满足行业管理部门、公交企业等临时或长期的客流统计需求，为公交线路规划、调度以及合理分配城市公共资源提供有效的数据支撑。

关键词：城市公交；集成化；客流计数；Arduino；智能交通

中图分类号：TP391.4；U121 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）13-0022-04

Design of Bus Passenger Flow Counting System Based on Integrated Technology

ZHANG Shuxi， WU Huirong， WANG Kejie， XU Zexin， ZHANG Qian

（School of Traffic， Northeast Forestry University， Harbin  150040， China）

Abstract： The acquisition of bus passenger flow is an important basis for ensuring effective planning， reasonable scheduling， and good operation of urban bus routes. This paper designs a set of public transport passenger flow statistics system integrating the Photoelectric effect and Piezoelectricity. The system is composed of a passenger flow data acquisition system， a processing system， a transmission system and a display system， which is used to realize the collection， count and transmission of passenger flow data at each stop and in different time segments of the public transport line， facilitate the accurate acquisition of passenger travel data on public transport lines， and meet the temporary or long-term passenger flow count needs of industry management departments， public transport enterprises. Provide effective data support for bus line planning， scheduling， and rational allocation of urban public resources.

Keywords： urban public transportation; integration; bus passenger flow counting; Arduino; intelligent transportation

0  引  言

公共交通是城市居民出行的主要方式之一，能夠满足人民群众基本出行需求，也是有效缓解城市交通拥堵的重要手段。2020年，交通运输部强调“加快构建以公共交通为主体的城市出行服务体系，提高公交服务的运行速度和准点率，持续改善城市公交服务品质，不断提高城市公共交通吸引力。”由于客流量实时数据不够精确，致使现有的公交线路规划存在时间、空间上分配不均的问题。精确获取不同时段的公交线路客流数据，以此为依据科学规划城市公交线路网、高效利用城市公共交通资源，合理编制公交车作业计划、提升城市公交的运营调度水平是改善城市公交服务质量、提升公交吸引力的基础，也是行业管理部门和城市公交企业亟需解决的问题。

目前，客流检测技术研究主要有红外客流检测技术[1]、公交IC卡客流调查[2]、图像识别客流检测技术[3，4]、压力传感器客流检测[5]、RFID网络技术[6]、机器视觉技术[7]等。红外客流技术法的核心是红外传感器，易受干扰物的影响，导致统计精度不高[1]。公交IC卡客流调查法操作简单，但只能获取使用IC卡出行的乘客的数量，造成大量客流数据未能有效及时获取[2]。图像识别公交客流调查方法对图像采集质量要求较高，易受到车体振动引起的视频抖动问题和摄像头角度引起的图像梯形失真，产生计量不准确的情况[4]。压力传感器客流检测方法，仅依靠压力数据判断客流，拥挤时易出行重复计数情况，影响检测数据结果的精度等[5]。基于RFID网络技术所获取的客流数据准确率较高，但其具有较高的使用成本，无法广泛应用[6]。基于机器视觉技术的客流检测系统，能够很大程度上对传统检测方法的不足进行补充，但需要投入昂贵的前期成本及运营使用成本，性价比较低。基于此，本文设计了一种基于光电效应与压电效应的集成化技术的公交客流统计系统，该系统主要由单片机、光电传感器、压力传感器等装置组成，通过集成化光电传感器与压力传感器配合使用，提高公交车在营运过程中客流量数据采集的准确性。

1  集成系统构成

基于集成技术的公交客流计数系统由客流数据的采集系统、数据的处理系统以及数据的传输与显示系统三个部分组成。客流数据采集系统基于光电效应与压电效应进行集成化设计，两者相互配合，保障客流数据的准确性。光电感应模块安装在车门顶部，基于光电效应的工作原理，利用乘客通过车门时所引起光照强度的变化，将光信号转换成电信号，对上下车门客流数据进行初步采集；压电效应模块安装在车门底部黄色区域，将乘客的重量通过压力传感器转换为电信号，对客流数据进一步采集确认。光电感应模块与压电效应模块相互配合，可以确保客流数据的准确性。数据处理系统采用Arduino UNO R3单片机作为整个系统的核心，对系统采集到的数据进行汇总与统计。数据传输及显示系统主要以HC-05芯片为核心，可与移动设备相连接实现客流统计数据的实时传输与显示。三个分系统配合使用，共同保障客流数据统计的准确性与实时性。集成化的公交客流统计系统构成如图1所示。

2  系统设计

2.1  数据处理系统设计

数据处理系统以Arduino UNO R3为核心控制单片机。单片机是集成化公交客流计数系统的大脑，主要负责记录、处理、传输与统计数据，必须保证能够稳定可靠地集成黄色踏板上的产生压电效应信号以及光电传感器所产生的电信号，同时系统设计要求具有体积小、稳定性高、方便安装的特点，因此选用Arduino UNO R3开发板作为系统的核心控制单片机，Arduino UNO R3是一款基于微控制器ATmega328P的开发板，它有14个数字输入/输出引脚（其中6个引脚可以作为PWM输出引脚）、6个模拟输入引脚、16 MHz石英晶振、USB接口、电源接口，支持在线串行编程以及复位按键，具有便捷灵活、成本低、稳定性好、低功耗以及高集成度等特点，可实现对公交客流数据的实时处理。

2.2  光电感应模块设计

光电感应模块是基于光电效应的基本工作原理，以灵敏型光敏电阻传感器为核心，将乘客通过所引发的光照强度变化转换为可用的输出电信号[4]。为确保数据采集的准确性，基于多次实验，本系统拟将光电传感安装在车门顶部，方便安装且便于乘客上下车。无人上下车时，外界环境光线亮度超过设定阈值，DO端输出低电平，当乘客经过车门时，外界环境光线亮度达不到设定阈值，DO端输出高电平，内部灵敏型光敏电阻传感器产生相应的高电平信号，驱动数据处理系统核心单片机Arduino UNO R3，进行关于是否计数的第一次判定处理。灵敏型光敏电阻传感器具有非接触、性能可靠、驱动能力强、响应时间短、分辨率高等特点，可以较准确地获取实时数据，在工业自动化、汽车智能等领域具有广泛应用，同时因其是一种小型电子设备，小封装，低功耗，高集成和简单易用，能够较好地满足本系统的需求。具体接线如图2所示。

2.3  压电效应模块设计

压电效应模块以压力传感器为核心感受压力信号，并按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出电信号[7，8]。为了保证数据采集的准确性，本系统将4个压力传感器以十字对称式的相对位置安装于公交车门底部的黄色区域，通过压力信号的变化来检测是否有乘客上车或下车。当乘客踏上黄色区域，压力传感器将乘客的重量产生的压力信号转化成电信号，产生一个高电平并将信号发送给Arduino UNO R3，数据处理系统二次判定是否进行计数处理。本系统结合一次判定与二次判定的结果，决定是否进行计数处理，保证了客流量实时数据的准确性。在本系统中，4个压力传感器串联在一起，每个传感器中采用的是双联片，相当于是2个压力传感器组成的半桥电路，两个半桥组成一个全桥电路，每个传感器中中间的线路为公共出线，作为整个全桥电路的供电和输出线，具体接线如图3所示。

2.4  数据传输系统设计

基于公交客流数据采集位置的特殊性，需要对数据采集提供无线传输系统的支持。数据传输系统是指集成蓝牙功能的芯片基本电路集合，用于无线网络通信，大致可分为3大类型：数据传输模块、远程控制模块和数据采集模块。其中数据传输是低功耗蓝牙中最重要的功能。系统选用HC05蓝牙芯片便于与移动设备相连接，也可以实现两个模块间的数据互通，避免繁琐的线缆连接，能直接代替串口线，方便简洁，体积小巧，不易破损，符合本系统的功能需求。其工作过程主要是与移动设备终端进行配合，对经过单片机处理过的数据进行无线传输的实时记录与储存。试验中将其与手机自带的蓝牙进行配合，在通电之后首先打开手机蓝牙与电路板上的蓝牙进行配对，当检测到单片机通过蓝牙发送给移动设备终端指令时，移动设备终端会根据所发送的数据进行储存与展示。

2.5  数据显示模块设计

数据显示模块主要目的为实时显示当前车次的上、下车人数以及车载人数。为了更好地实现这一功能，本系统选用LCDLM016L液晶字符显示屏幕，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。该显示屏幕可以同时清晰显示两行，每行16个字符，符合本系统的设计需求。该LCD液晶显示块可以显示16×2个字符，把显示的内容分为2行，第1行为当前乘车人数显示，第2行为当前车次上车人数显示。Arduino通过D2-D5数字输入引脚与LCDLM016L的D7-D4数据线相连，一般情况下使用10 kΩ的电位器对比度进行调节，LCDLM016L的VEE、RW脚接开发板GND，LCDLM016L的VDD脚接开发板5 V，LCDLM016L的RS、E分别连接开发板数字引脚12、11，接线如图4所示。

3  系统软件控制流程

集成化的公交客流统计系统软件部分程序的编写采用C语言，控制工作流程如图5所示。当程序开始工作时，首先程序初始化，显示板上显示数值為0，考虑乘客上/下车的步骤，首先通过光电感应模块判读是否有人经过车门，若此时无人触发光电感应模块则系统不做反应，若检测到有物体经过传感器时，启动压电感应模块对其进行二次检测。根据统计数据，占用单独客位的公交车乘客的体重数值大部分大于20 kg[4]，因此本文以20 kg为基准进行客流数据的二次判定，当检测该数值大于20 kg时，数据处理系统将进行公交客流量的记录与累加，否则系统不做反应。然后将系统所产生的客流量及统计数量变动信息即时更新到LCD液晶显示屏幕上，并同时将系统记录及统计数据通过蓝牙模块传输至移动设备，实现公交客流统计数据的实时无线传输与储存[9]。

4  实验与结果分析

基于集成技术的公交客流计数系统，在完成软件与硬件的设计之后，通过多次实验对系统参数进行不断完善，根据公交车在人流量大的站点停靠时间约为2 min，在人流量較少的站点停靠时间约为1 min的情况，设置试验时间分别为60 s和120 s。为检验本系统统计数据的准确性与时效性，通过在规定时间改变实验人数进行多次实验的方式，对系统进行了测试，并对测试数据进行统计分析。基于集成技术的公交客流计数系统的测试结果如表1所示。

由表1的测试结果可知，相同时间内当测试样本（人数）较少时，计数系统的准确率较高，随着测试人数的增加，计数系统在测试过程中存在一定程度的漏检现象，但检测率均达到90%，此结果验证了系统的可行性，并通过实验得出基于集成技术的公交客流计数系统具有低延时、高精度的特点，能够及时做出反应，能够较为准确地获取客流数据，实现了设计目标。

5  结  论

本文设计了一套基于集成技术的公交客流计数系统，提高了客流数据采集及处理的准确度与实时性。无线数据传输功能实现与移动设备连接，提升了系统使用的方便性，扩大了系统的使用范围，可解决目前公交客流计数系统统计数据精度较低、装置安装困难、影响乘客正常通行、生产成本高等缺点。同时能够实现对采用公交车出行的乘客在每个站点、每个时间段的客流信息进行数据的采集、传输、储存与统计，为公共交通智能调度提供数据支持，提高运输效率及居民乘车的舒适性，为城市公交客流量调查研究人员提供更方便的调查方式，为城市交通运输管理部门及公交企业等提供更有效的客流数据支持，促进城市公交系统快速发展，便利城市居民的出行，创造良性循环的经济效益与社会效益。如何将本系统采集到的数据与手机终端的APP相结合，使乘客能够更加便捷地获取出行的公交信息，让公共交通的客流信息趋于可视化、透明化，方便城市居民合理选择适合自己的出行方式，将是今后需要解决的重要问题。

参考文献：

[1] 郁琦晖，杨海红，李傲松.基于多源监测数据融合的城市轨道交通客流监测系统研究 [J].交通与港航，2021，8（3）：68-72.

[2] 张丰焰，王晓娟，贺中娣.基于智能化技术的公交分担率计算方法研究 [J].黑龙江工程学院学报，2017，31（5）：6-9+20.

[3] 张开生，刘泽新，郭碧筱，等.基于CNN公交客流检测系统的设计 [J].石河子大学学报：自然科学版，2019，37（5）：654-660.

[4] 郑凯，王娟娟，谢国坤，等.基于机器视觉的地铁站点客流检测系统设计 [J].机械制造与自动化，2021，50（4）：156-158+186.

[5] 王连震，王晖，罗孟德.基于压力传感器的出租车客流检测系统 [J].交通科技与经济，2018，20（5）：29-31.

[6] 唐云建，吴江洲，胡晓力，等.基于RFID网络的公交客流信息采集系统设计 [J].自动化与仪器仪表，2014（1）：45-47+49.

[7] 张夕蕊，姚夏元.基于单片机的LiFi计数装置 [J].软件，2020，41（9）：65-68+87.

[8] 周玉昆，李向天，祝本明.压电引信瞬发度测量研究及实现 [J].电子设计工程，2017，25（9）：83-86.

[9] 李明.基于朴素贝叶斯的重力感应电子秤定载荷点选择 [J].机械与电子，2020，38（10）：43-47.

作者简介：张舒茜（2001—），女，汉族，福建龙

岩人，本科在读，研究方向：交通工程；武慧荣（1980—），女，汉族，山西夏县人，副教授，博士研究生，研究方向：交通运输规划与管理；王科杰（2002—），男，汉族，山东日照人，本科在读，研究方向：车辆工程；许泽新（1998—），男，汉族，河北井陉人，硕士研究生在读，研究方向：交通运输；张倩（2001—），女，汉族，黑龙江绥化人，本科在读，研究方向：车辆工程。

收稿日期：2023-02-13