屈明月，趙涓涓

（太原理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 太原030024）

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)WSN（wireless sensor network）是大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，具體定義參見文獻(xiàn)［1－3］。

目前，對(duì)移動(dòng)物體計(jì)數(shù)的方法很多。對(duì)于人流計(jì)數(shù)中采用的傳感器主要有紅外、激光和攝像機(jī)等。其中，基于視頻的方法［5－7］信息豐富，但比較復(fù)雜，且一般準(zhǔn)確性不高；在門（或通道口）上安裝刷卡機(jī)或者指紋機(jī)來實(shí)現(xiàn)人數(shù)統(tǒng)計(jì)，這種方法投資大，而且容易出現(xiàn)替刷或漏刷現(xiàn)象，不易進(jìn)行管理，再者此方法只針對(duì)人，對(duì)別的移動(dòng)物體（如汽車）不生效；基于紅外傳感器計(jì)數(shù)方法主要是利用人通過紅外掃描時(shí)的阻斷特性來實(shí)現(xiàn)，方法簡(jiǎn)單而且準(zhǔn)確性較高。但是，目前市場(chǎng)上普通的紅外計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)的是單向計(jì)數(shù)，即它只能單一的實(shí)現(xiàn)加或減，當(dāng)物體在紅外傳感器附近徘徊，實(shí)際并沒有通過時(shí)，無法對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)出進(jìn)行很好的統(tǒng)計(jì)，實(shí)用性不強(qiáng)；文獻(xiàn)［8］描述了一種基于無線傳感器的移動(dòng)目標(biāo)（車輛）計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)，它采用產(chǎn)生中斷的順序來判斷目標(biāo)進(jìn)出方向，但是對(duì)非正常進(jìn)出沒有做更好的處理；文獻(xiàn)［9］雖然對(duì)一些非正常進(jìn)出做了處理，但是這些處理要求兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器水平安放距離較大，即要求物體的寬度小于兩對(duì)紅外對(duì)管水平安放距離，這樣使得該算法有局限性。

本文所采用的算法很好的解決了以上方法中存在的不足，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向計(jì)數(shù)，較好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)物體的出入統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)。對(duì)與非正常的出入做了較好的處理，解決了由于非正常出入導(dǎo)致的計(jì)數(shù)錯(cuò)誤問題。本文所采用的方案中兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器水平安放距離較小，實(shí)用性較強(qiáng)，有利于實(shí)際安放，有效的解決了物體寬度不同對(duì)計(jì)數(shù)問題帶來的影響。

1 系統(tǒng)整體框架

為了更好的解決停車場(chǎng)、會(huì)議室、自習(xí)室等公共場(chǎng)所人員和車輛等的計(jì)數(shù)問題，本文設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體框架圖如圖1 所示。本系統(tǒng)采用星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［10，11］，其中的設(shè)備主要有嵌入式網(wǎng)關(guān)、協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器的作用是建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)、向嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送和接受數(shù)據(jù)、向下面的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的所有的終端設(shè)備中間不經(jīng)過任何設(shè)備，直接與協(xié)調(diào)器通信。

圖1 系統(tǒng)整體框架

本系統(tǒng)實(shí)時(shí)地對(duì)兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器上的電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)有移動(dòng)物體經(jīng)過紅外光電對(duì)射傳感器時(shí)，紅外設(shè)備的電壓發(fā)生變化，并由無線電壓采集模塊采集。無線電壓采集模塊與協(xié)調(diào)器通信，將電壓變化信息發(fā)給協(xié)調(diào)器，經(jīng)協(xié)調(diào)器與嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，向嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送電壓變化數(shù)據(jù)，在嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 解決方案

2.1 常用計(jì)數(shù)方法

2.2.1 單向計(jì)數(shù)方法

在統(tǒng)計(jì)移動(dòng)物體通過通道（如門）的個(gè)數(shù)時(shí)，單向計(jì)數(shù)采用是否有物體擋住紅外光電對(duì)射傳感器的方法來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。但是，單向計(jì)數(shù)方法只能實(shí)現(xiàn)單一的加或減，無法識(shí)別移動(dòng)物體的進(jìn)出方向。

2.2.2 通過中斷控制進(jìn)出方向的計(jì)數(shù)方法

在統(tǒng)計(jì)移動(dòng)物體通過通道（如門）的個(gè)數(shù)時(shí)，安放在通道的兩側(cè)兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器，通過中斷來控制進(jìn)出方向從而來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)物體的計(jì)數(shù)。為兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器設(shè)置對(duì)應(yīng)的單片機(jī)中斷引腳（設(shè)通道外傳感器對(duì)應(yīng)單片機(jī)中斷引腳為INT0，通道內(nèi)傳感器對(duì)應(yīng)單片機(jī)中斷引腳為INT1）。如果檢測(cè)到INT0有信號(hào)，關(guān)閉所有中斷計(jì)數(shù)加1。反之，如果先檢測(cè)到INT1 有信號(hào)，關(guān)閉所有中斷計(jì)數(shù)減1。這種計(jì)數(shù)方法通過判斷INT0和INT1引腳產(chǎn)生中斷的順序來判斷物體的進(jìn)出方向。但是，當(dāng)移動(dòng)物體非正常進(jìn)出時(shí)（在通道中徘徊），它便不能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。如：移動(dòng)物體通過了通道外傳感器，而此時(shí)移動(dòng)物體又退回來。這種非正常進(jìn)入方式理應(yīng)是不應(yīng)該計(jì)數(shù)的，但是這種計(jì)數(shù)方法卻對(duì)其進(jìn)行了計(jì)數(shù)，導(dǎo)致計(jì)數(shù)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

針對(duì)上述部分非正常進(jìn)出，文獻(xiàn)［7］給出了一種解決方法：通過檢測(cè)到兩個(gè)中斷信號(hào)的先后順序來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。但是，該方法要求物體的寬度小于對(duì)紅外對(duì)管水平安放距離。如果物體的寬度大于紅外對(duì)管水平安放距離，物體進(jìn)出時(shí)總有一個(gè)過程物體擋住了兩對(duì)紅外對(duì)管，而此時(shí)如果物體又退回來，將會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)錯(cuò)誤。

以上的常見計(jì)數(shù)方法存在許多的弊端，因此設(shè)計(jì)一個(gè)更高性能的移動(dòng)物體計(jì)數(shù)算法十分必要，為此我們提出了優(yōu)化的類位運(yùn)算計(jì)數(shù)算法。

2.2 類位運(yùn)算計(jì)數(shù)

2.2.1 類位運(yùn)算計(jì)數(shù)算法

本系統(tǒng)通過安裝兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器來統(tǒng)計(jì)通過門的移動(dòng)物體的個(gè)數(shù)，和上節(jié)中斷計(jì)數(shù)方法的區(qū)別是，本算法通過控制位的變化來記錄移動(dòng)物體進(jìn)門和出門的情況。如圖2所示，通過使用兩個(gè)位來存儲(chǔ)兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器的狀態(tài)，當(dāng)紅外光電對(duì)射傳感器被遮擋住時(shí)，設(shè)置為1，否則設(shè)置為0。

圖2 紅外光電對(duì)射傳感器安裝

本算法模擬成功進(jìn)門和出門的情況如下：

（1）進(jìn)門：兩個(gè)位的變化序列中總有00、10、11、01、00的順序（不一定連續(xù)），允許在門間徘徊的情況發(fā)生，經(jīng)過多次驗(yàn)證，進(jìn)門的最后一個(gè)狀態(tài)一定是01。

（2）出門：兩個(gè)位的變化序列中總有00、01、11、10、00的順序（不一定連續(xù)），允許在門間徘徊的情況發(fā)生，同樣經(jīng)過多次驗(yàn)證，出門的最后一個(gè)狀態(tài)一定是10。

通過模擬演示進(jìn)門和出門的位變化情況，本算法決定使用兩個(gè)位來控制進(jìn)門和出門的情況，但經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)有非正常進(jìn)出情況，進(jìn)門沒進(jìn)去，出門沒出來，如下演示。

（1）進(jìn)門沒進(jìn)去：允許在門間徘徊了一下又退回來，兩個(gè)位的變化序列中總有下列3種順序（不一定連續(xù)）之一：

00、10、00；

00、10、11、10、00；

00、10、11、10、11、10、00；

經(jīng)過多次驗(yàn)證，進(jìn)門沒進(jìn)去的最后一個(gè)狀態(tài)一定是10。

（2）出門沒出來：允許在門間徘徊了一下又退回來，兩個(gè)位的變化序列中總有下列3種順序（不一定連續(xù)）之一：

00、01、00；

00、01、11、01、00；

00、01、11、10、11、01、00；

同樣經(jīng)過多次驗(yàn)證，出門沒出來的最后一個(gè)狀態(tài)一定是01。

這種情況的最后一個(gè)狀態(tài)和正常進(jìn)出門的最后一個(gè)狀態(tài)相反，顯然不符合要求。因此，本算法加入了一個(gè)標(biāo)志變量，通過記錄第一次觸碰到的是哪一個(gè)紅外光電對(duì)射傳感器，來判斷正在進(jìn)行的是進(jìn)門過程還是出門過程，這樣就能很好的解決這種情況的計(jì)數(shù)問題。

2.2.2 算法的優(yōu)化

考慮到算法的實(shí)用性和平臺(tái)性，本算法進(jìn)行一種新的類位運(yùn)算方法，即通過加法運(yùn)算來代替舊的類位運(yùn)算。本算法使用一個(gè)整型變量，設(shè)置器長(zhǎng)度為三位，百位固定為1，十位表示紅外光電對(duì)射傳感器1的狀態(tài)，個(gè)位表示紅外光電對(duì)射傳感器2 的狀態(tài)。初始值為100，光電門1 被擋住，狀態(tài)設(shè)為1，否則為0；光電門2被擋住，狀態(tài)設(shè)為1，否則為0，只要將兩個(gè)光電門的狀態(tài)相加，就可以計(jì)算出兩個(gè)光電門的狀態(tài)，模擬情況如下：

（1）進(jìn)門情況：兩個(gè)位的變化順序是100、110、111、101、100（不一定連續(xù)），經(jīng)過多次驗(yàn)證，進(jìn)門的最后一個(gè)狀態(tài)一定是101。位變化圖如圖3（a）所示。

（2）出門情況：兩個(gè)位的變化順序是100、101、111、110、100（不一定連續(xù)），同樣進(jìn)過多次驗(yàn)證，出門的最后一個(gè)狀態(tài)一定是110。位變化圖如圖3（b）所示。

圖3 本文進(jìn)出門的位狀態(tài)變化

其它進(jìn)出門演示情況與前面講述的類似。這樣只要判斷最后一個(gè)狀態(tài)是101還是110，加上進(jìn)出門標(biāo)志，就可以進(jìn)行移動(dòng)物體個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)。

3 算法實(shí)現(xiàn)

3.1 算法流程圖

本文的算法流程如圖4所示。

3.2 代碼實(shí)現(xiàn)

／＊變量聲明，state＿old表示舊狀態(tài)；count是計(jì)數(shù)變量；紅外光電對(duì)射傳感器的狀態(tài)，1為擋住，0 為未擋?。籪irst是紅外光電對(duì)射傳感器1的狀態(tài)；second是紅外光電對(duì)射傳感器2的狀態(tài)；flag為標(biāo)志變量，0為進(jìn)門，1為出門。＊／

圖4 類位運(yùn)算算法流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了評(píng)估類位運(yùn)算計(jì)數(shù)算法的有效性，我們把該算法與通過中斷控制的計(jì)數(shù)算法，在兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器水平安放距離對(duì)算法的限制以及抗非正常進(jìn)出效果，兩個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比和分析。

設(shè)移動(dòng)物體沿通道（如門）方向的長(zhǎng)度用a表示，兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器水平安放距離用d表示。算法性能比較表格見表1。

表1 算法性能比較表格

表1表明，首先，類位運(yùn)算計(jì)數(shù)算法無法在d＞a的情況中運(yùn)行，但實(shí)際情況中，幾乎不存在d＞a的情況，例如生活中幾乎看不到比人還寬的門。d越小，則對(duì)計(jì)數(shù)對(duì)象的實(shí)際大小要求越小，適用范圍越廣，當(dāng)d無限逼近于0時(shí)，就可以對(duì)所有大小的物體進(jìn)行計(jì)數(shù)。其次，由于類位運(yùn)算計(jì)數(shù)算法是對(duì)移動(dòng)物體進(jìn)出全過程的模擬分析，而中斷控制的計(jì)數(shù)算法只是在整個(gè)過程中選取了兩個(gè)特殊狀態(tài)進(jìn)行分析，所以中斷控制的計(jì)數(shù)算法無法分析移動(dòng)物體的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)情況，抗非正常進(jìn)出能力明顯較差。

綜上，對(duì)于類位運(yùn)算計(jì)數(shù)算法，在保證算法抗非正常進(jìn)出效果良好的前提下，兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器水平安放距離d越小，移動(dòng)物體沿通道方向的長(zhǎng)度a的取值范圍（d，∞）越大；然而對(duì)于通過中斷控制的計(jì)數(shù)算法，在保證算法抗非正常進(jìn)出效果良好的前提下，兩對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器水平安放距離d越大，移動(dòng)物體沿通道方向的長(zhǎng)度a的取值范圍（0，d）越大?？紤]到對(duì)紅外光電對(duì)射傳感器的實(shí)際安裝和移動(dòng)物體a取值的不確定性，類位運(yùn)算計(jì)數(shù)算法相對(duì)于通過中斷控制的計(jì)數(shù)算法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的類位運(yùn)算算法可以有效的解決硬件安裝中，紅外光電對(duì)射傳感器水平安放距離的限制，實(shí)現(xiàn)較精確的單通道的雙向計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)過程不受計(jì)數(shù)對(duì)象實(shí)際大小的限制，很好的消除了非正常進(jìn)出帶來的計(jì)數(shù)誤差。本算法的應(yīng)用前景廣泛，可以很好的應(yīng)用于停車場(chǎng)、自習(xí)室、候車室等地區(qū)的計(jì)數(shù)，方便管理，能有效的提高資源利用率。

［1］REN Xiuli，TAN Zhenjiang.Routing protocol of wireless sensor networks for traffic flow statistics［J］.Transducer and Microsystems Technologies，2012，31 （7）：61－76 （in Chinese）.［任秀麗，譚振江.無線傳感網(wǎng)絡(luò)車流量統(tǒng)計(jì)的路由協(xié)議 ［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012，31 （7）：61－76.］

［2］TAO Liangpeng，HUA Bei.Signal correlation based target counting in wireless sensor networks ［J］.Computer Simulation，2009，26 （5）：165－168 （in Chinese）.［陶良鵬，華蓓.無線傳感網(wǎng)絡(luò)基于信號(hào)相關(guān)的目標(biāo)計(jì)數(shù) ［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2009，26 （5）：165－168.］

［3］ZHANG Yuhe，HUANG Xi，CUI Li.WSN node for real－time traffic information detection ［J］.Journal Computer Research and Development，2008，45 （1）：110－118 （in Chinese）.［張?jiān)Q，黃希，崔莉.面向交通信息的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2008，45 （1）：110－118.］

［4］Jennifer Y，Biswanath M，Dipak G.Wireless sensor networks survey［J］.Computer Networks，2008，52 （12）：2292－2330.

［5］LI Fei.The research and implementation of traffic statistics in intelligent monitoring system ［D］.Xi’an：Xidian University，2010 （in Chinese）.［李菲.智能監(jiān)控系統(tǒng)中行人流量統(tǒng)計(jì)功能的研究與實(shí)現(xiàn) ［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2010.］

［6］Donatello Conte，Pasquale Foggia，Gennaro Percannella，et a1.A method for counting moving people in video surveillance videos［C］／／EURASIP Journal on Advances in Signal Processing，2010：1－10.

［7］LIANG Ronghua，LIU Xiangdong，MA Xiangyin，et al.High－density crowed counting method based on SURF feature［J］.Journal of Computer－Aided Design ＆Computer Graphics，2012，24 （12）：1568－1575 （in Chinese）. ［梁榮華，劉向東，馬祥音，等.基于SURF的高密度人群計(jì)數(shù)方法 ［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2012，24 （12）：1568－1575.］

［8］YU Jian，WANG Zhibo，LUO Ji’an，et al.QoS framework design for WSN－based tracking of moving targets［J］.Chinese Journal of Computer，2009，32 （3）：441－462 （in Chinese）.［俞靚，王志波，駱吉安，等.面向移動(dòng)目標(biāo)追蹤的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS指標(biāo)體系設(shè)計(jì) ［J］.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2009，32 （3）：441－462.］

［9］CHEN Honglong，LI Hongbin，WANG Zhi.Research on TDoA－based secure localization for wireless sensor networks［J］.Journal on Communications，2008，29 （8）：11－21 （in Chinese）.［陳鴻龍，李鴻斌，王智.基于TDoA 測(cè)距的傳感器網(wǎng)絡(luò)定位研究 ［J］.通信學(xué)報(bào)，2008，29 （8）：11－21.］

［10］JIN Chun.ZigBee technology base and case analysis ［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2008 （in Chinese）.［金純.ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析 ［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.］

［11］LV Xiwu，LIU Kaihua，ZHAO Yan.Design and Implementation of Wireless Monitor System Based on Zigbee［J］.Computer Engineering，2010，36 （5）：143－147 （in Chinese）.［呂西午，劉開華，趙巖.基于Zigbee的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)汁［J］.計(jì)算機(jī)工程，2010，36 （5）：243－247.］