CN108861926B - 一种基于远红外技术的工程电梯人数检测装置及方法 - Google Patents
一种基于远红外技术的工程电梯人数检测装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种基于远红外技术的工程电梯人数检测装置及方法，用于解决现有技术中存在的检测准确度低的技术问题。热释电传感器检测人体远红外信号并将其转换为电信号输出；滤波放大电路对电信号进行滤波放大；微控制器计算热释电传感器的误差信号；微控制器计算热释电传感器的误差信号的最大值和最小值；微控制器计算热释电传感器的误差信号状态时间标志；微控制器计算热释电传感器的误差信号状态；微控制器计算工程电梯轿厢内人数总变化；微控制器通过将工程电梯中原有人数与工程电梯轿厢内人数总变化相加得到当前工程电梯人数。本发明具有检测准确度高、检测成本低和易于安装的特点。
Description
技术领域
本发明属于电子检测技术领域，涉及一种基于远红外技术的工程电梯人数检测装置及方法，目的是提高工程电梯人数变化检测准确度并降低检测成本，从而减少工程电梯运行过程中因人数超载而引起的电梯运行事故。
背景技术
如今经济的快速发展为高楼的层出不穷奠定了坚实的物质基础，而在高楼的建筑过程中，因为工作需要，工人们需要在地面与各楼层之间穿梭，因此，大部分工地都在高楼内配备了工程电梯。目前，很多地方政府都相继颁布了关于如何安全乘坐工程电梯的政策，因此很多工程电梯不仅在轿厢内标识了最大承载量，同时还标定了最多承梯人数。其中，最多承梯人数是经过大量模拟实验计算得到的，具有很高的参考价值。由于当前工程用的电梯在人数检测技术上还不够成熟，对人数超载问题无法进行有效防范，导致工程电梯内乘客的生命安全存在极大隐患。
目前常用的电梯人数检测方法主要有基于重量的人数检测方法、基于图像的人数检测方法、基于红外线计数器的人数检测方法和基于热释电传感器的人数检测方法，其中：
基于重量的电梯人数检测方法通过在电梯中安装重量传感器，可以获得当前电梯轿厢的载重，根据电梯轿厢的载重可以粗略的估计当前电梯轿厢中的乘客数量，无法对人与物进行有效区分，且检测准确度不高。
基于图像的人数检测方法通过在电梯轿厢中安装监控设备，可以获得电梯轿厢中的现场图像，然后利用图像处理的相关算法可以得到当前电梯轿厢中的乘客数量，这类方法对获取的图像质量有很高的要求，硬件成本高，软件设计复杂。
基于红外线计数器的人数检测方法普及性高，操作简单，可以判断人员的进出情况，实时性好，但是需要一个发射器和一个接收器，不能区分人和物，对安装环境要求高。
基于热释电传感器的人数检测方法，利用热释电传感器对人体发出的远红外信号特别敏感的特性，可以对人和物进行区分，但该种方法在多人进出情况下进行人数检测时，检测准确度不高。
例如申请公布号CN103942869B，名称为“一种在施工电梯中检测人员进出数量的方法”的专利申请，公开了一种电梯轿厢人数检测方法。该方法利用多组热释电传感器组成阵列获取人体经过时的发出的远红外信号，从垂直方向判别人员进出的方向并测算出人体发出的远红外信号并测算出人体发出的远红外信号占用的空间宽度，通过将该空间宽度与单片机预设的人体肩宽值进行比较，以此计算出人员进出的数量。该种方法需要的热释电传感器数量庞大，成本高；该种方法计算人员进出数量时需要将人体发出的远红外信号占用的空间宽度与预设的人体肩宽作比较，而人体肩宽因人而异，同时当人员以不同的姿势行进时人体发出的远红外信号占用的空间宽度也各有不同，从而影响了该方法的检测准确度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于远红外技术的工程电梯人数检测装置及方法，用于提高工程电梯人数检测的准确度并降低检测成本。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于远红外技术的工程电梯人数检测装置，其特征在于，包括安装在电梯轿厢门上方的腔体组合体1，该腔体组合体1包括第一腔体11，以及与第一腔体11左右侧面后端相连且成一定夹角的第二腔体12和第三腔体13，该三个腔体内各安装一个远红外传感器2，所述远红外传感器2通过腔体前侧面上设置的通槽，感知人体产生的远红外信号并转换为电信号；所述三个腔体的后侧面相邻的位置设置有第四腔体14，其内安装有包括电源电路31、滤波放大电路32、串口模块33和微控制器34的人数检测处理器板3，所述电源电路31，用于给远红外传感器2、串口模块33和微控制器34提供工作电压，所述滤波放大电路32，用于对远红外传感器2传送的信号进行滤波和放大，所述串口模块33用于人数检测装置与轿厢安全监控***之间的连接通信，所述微控制器34，用于计算电梯轿厢内人数。
上述的基于远红外技术的工程电梯人数检测装置，所述第一腔体11前侧面与轿厢地面平行。
上述的基于远红外技术的工程电梯人数检测装置，所述第一腔体11、第二腔体12和第三腔体13前侧面设置的通槽形状为矩形，其长边在轿厢地面的投影与轿厢门所在平面平行。
上述的基于远红外技术的工程电梯人数检测装置，所述远红外传感器2，采用被动式热释电红外传感器，其红外探头的中心点与红外传感器2所在腔体前侧面上通槽中心点的连线垂直于该腔体前侧面。
一种基于远红外技术的工程电梯人数检测方法，包括如下步骤：
1、热释电传感器对检测到的信号进行转换并输出：
热释电传感器将其检测区域内检测到的远红外信号转化为电信号dc并输出，其中，c表示热释电传感器标号，c＝1,2,3；
2、滤波放大电路对dc进行滤波和放大：
滤波放大电路对dc进行滤波，并对滤波后的电信号进行放大，得到放大的电信号gc；
3、微控制器计算热释电传感器的误差信号zc(k)：
3a微控制器获取k时刻采样信号sc(k)：
微控制器对gc进行固定频率的AD采样，得到k时刻采样信号sc(k)，k表示采样序号，k＝1,2,3…；
3b微控制器对sc(k)进行归一化，得到归一化后的数字信号rc(k)：
rc(k)＝λsc(k)
其中，λ为归一化参数；
3c微控制器对rc(k)进行滤波，并计算滤波后每个热释电传感器对应的数字信号xc(k)的均值，得到均值信号mc(k)；
3d微控制器计算每个热释电传感器的误差信号yc(k)，并对yc(k)进行幅值变换，得到幅值变换后的误差信号zc(k)，其中：
yc(k)＝xc(k)-mc(k)
zc(k)＝ρcyc(k)
其中，ρc为误差信号放大系数；
4微控制器计算k时刻误差信号zc(k)的最大值Mxc(k)和最小值Mnc(k)；
5微控制器计算k时刻误差信号状态时间标志Tc(k)：
其中，th0为预设阈值；
6微控制器计算k时刻误差信号状态Rsc(k)：
其中，th1为预设阈值；
7微控制器计算电梯轿厢内总人数变化PNc(k)：
7a微控制器计算k时刻预人数变化头标志fhc(k)：
7b微控制器计算k时刻预人数变化尾标志fec(k)：
其中，th2为预设阈值；
7c微控制器计算k时刻各通道人数变化pc(k)：
7d微控制器计算k时刻电梯轿厢内总人数变化PNc(k)：
(8)微控制器计算k时刻电梯轿厢内人数：
微控制器将k-1电梯轿厢内人数加上当前时刻电梯轿厢内总人数变化得到k时刻电梯轿厢内人数。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明的人数变化检测装置监测区域为贴近电梯轿厢门口且与轿厢门所在平面平行的平面区域，只在人员进出电梯轿厢时进行人数变化监测，电梯内外环境对人数变化检测的干扰小，本发明的人数变化监测方法对人员进出电梯轿厢过程中热释电传感器的感知到的信号波形变化过程进行检测，可以区分人员进出电梯的情形，检测准确度高。
2.本发明使用更少的热释电传感器即可实现多人进出电梯轿厢时电梯轿厢中人数检测，硬件设计及软件设计简单，降低了检测成本。
3.本发明的检测装置占用空间小，且便于安装。
附图说明
图1为本发明检测装置的结构示意图；
图2为本发明检测装置的组合结构体图；
图3为本发明检测装置的人数检测处理器板图；
图4为本发明检测方法的实现流程框图。
具体实施方法
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
参照图1，本发明的检测装置，包括安装在电梯轿厢门上方的腔体组合体1、远红外传感器2和人数检测处理器板3。
参照图2，上述的基于远红外技术的工程电梯人数检测装置，所述腔体组合体包括第一腔体11，以及与第一腔体11左右侧面后端相连且成一定夹角的第二腔体12和第三腔体13，该三个腔体内各安装一个远红外传感器；所述三个腔体的后侧面相邻的位置设置有第四腔体14，其内安装有人数检测处理器板。
参照图3，上述的基于远红外技术的工程电梯人数检测装置，所述人数检测处理器板包括电源电路31、滤波放大电路32、串口模块33和微处理器34，所述电源电路31，用于给远红外传感器和微处理器提供工作电压，所述滤波放大电路32，用于对远红外传感器传送的信号进行滤波和放大，所述串口模块33用于人数检测装置与轿厢安全监控***之间的连接通信，所述微控制器34，用于计算电梯轿厢内人数。
上述的基于远红外技术的工程电梯人数检测装置，所述第一腔体前侧面与轿厢地面平行。
上述的基于远红外技术的工程电梯人数检测装置，所述第一腔体、第二腔体和第三腔体前侧面设置的通槽形状为矩形，矩形长边长度为5mm,矩形短边长度为1mm,其长边在轿厢地面的投影与轿厢门所在平面平行，第一腔体和第二腔体、第三腔体的夹角均为30°，通过第一腔体、第二腔体、第三腔体前侧面设置的矩形通槽和第一腔体与第二腔体、第三腔体的夹角可以将3个热释电传感器的检测范围限制为一个与电梯轿厢门所在平面平行的平面。
上述的基于远红外技术的工程电梯人数检测装置，所述组合结构体在第一腔体、第二腔体和第三腔体中安装好远红外传感器，并在第四腔体中安装好人数检测处理器板后，需要加盖盖子，确保外界的远红外信号只能通过第一腔体、第二腔体和第三腔体前侧面上设置的通槽传入到第一腔体、第二腔体和第三腔体中，从而被安装于第一腔体、第二腔体和第三腔体中的远红外传感器感应到。
上述的基于远红外技术的工程电梯人数检测装置，所述远红外传感器，采用被动式热释电红外传感器，型号为HC-SR501,其红外探头的中心点与红外传感器所在腔体前侧面上通槽中心点的连线垂直于该腔体前侧面。
上述的基于远红外技术的工程电梯人数变化检测装置，所述微控制器，采用STM32F105微控制器,主频频率为72MHz。
参照图4，本发明的检测方法，包括如下步骤：
1、热释电传感器对检测到的信号进行转换并输出：
热释电传感器将其检测区域内检测到的远红外信号转化为电信号dc并输出，其中，c表示热释电传感器标号，c＝1,2,3；
2、滤波放大电路对dc进行滤波和放大：
滤波放大电路对dc进行滤波，并对滤波后的电信号进行放大，得到放大的电信号gc；
3、微控制器计算热释电传感器的误差信号zc(k)：
3a微控制器获取k时刻采样信号sc(k)：
微控制器对gc进行频率为1KHz的AD采样，得到k时刻采样信号sc(k)，k表示采样序号，k＝1,2,3…；
3b微控制器对sc(k)进行归一化，得到归一化后的数字信号rc(k)：
rc(k)＝λsc(k)
其中，λ为归一化参数，λ＝3.3/4096，通过归一化操作，可以将rc(k)限制在0～3.3的范围，从而减少数据存储的位数，降低微控制器的内存占用，提高微控制器运算速率；
3c微控制器对rc(k)进行滤波，并计算滤波后每个热释电传感器对应的数字信号xc(k)的均值，得到均值信号mc(k):
通过对rc(k)进行滤波，并计算滤波后每个热释电传感器对应的数字信号xc(k)的均值，可以降低微控制器计算过程中的杂波干扰，使数据变得平滑，进而提高人数变化检测方法的准确度；
3d微控制器计算每个热释电传感器的误差信号yc(k)，并对yc(k)进行幅值变换，得到幅值变换后的误差信号zc(k)，其中：
yc(k)＝xc(k)-mc(k)
zc(k)＝ρcyc(k)
其中，ρc为误差信号放大系数，由于所使用热释电传感器性能存在细微的差别，通过3组热释电传感器得到的误差信号在幅度上存在差异，需要对每个热释电传感器的误差信号进行矫正，以提高人数变化检测方法的准确度；
4、微控制器计算k时刻误差信号zc(k)的最大值Mxc(k)和最小值Mnc(k)：
5、微控制器计算k时刻误差信号状态时间标志Tc(k)：
其中，th0为预设阈值，th0＝0.2；
6、微控制器计算k时刻误差信号状态Rsc(k)：
其中，th1和t为预设阈值，th1＝0.1，t＝400，Rsc(k)值的取值为Rsc(k)＝1,0,-1，Rsc(k)＝1代表k时刻误差信号状态为上升状态，Rsc(k)＝0代表k时刻误差信号状态为平稳状态，Rsc(k)＝-1代表k时刻误差信号状态为下降状态，Tc(k)用于进行上升状态或下降状态向平稳状态的转换。当Rsc(k)＝1，Rsc(k-1)＝-1时，微处理认为在k时刻热释电传感器的误差信号经历了一个波峰；Rsc(k)＝1，Rsc(k-1)＝-1时，微处理认为在k时刻热释电传感器的误差信号经历了一个波谷；
7、微控制器计算电梯轿厢内总人数变化PNc(k)：
7a微控制器计算k时刻预人数变化头标志fhc(k)：
k时刻预人数变化头标志fhc(k)记录了误差信号zc(k)在k时刻前一段时间内的波性特征，fhc(k)＝1，0,-1，fhc(k)＝1表示误差信号zc(k)在k时刻前一段时间有波峰出现且波峰值满足要求，fhc(k)＝1表示误差信号zc(k)在k时刻前一段时间有波谷出现且波谷值满足阈值要求，fhc(k)＝0表示误差信号zc(k)在k时刻前一段时间没有满足要求波谷或波峰出现；
7b微控制器计算k时刻预人数变化尾标志fec(k)：
其中，th2为预设阈值，th2＝0.8；
k时刻预人数变化尾标志fec(k)和k时刻预人数变化头标志fec(k)的作用类似，fec(k)＝1，0,-1，fhc(k)＝1表示误差信号zc(k)在k时刻前一段时间有波谷出现且波谷值满足要求，fhc(k)＝1表示误差信号zc(k)在k时刻前一段时间有波谷出现且波峰值满足阈值要求，fhc(k)＝0表示误差信号zc(k)在k时刻前一段时间没有满足要求波谷或波峰出现；
7c微控制器计算k时刻各通道人数变化pc(k)：
当fhc(k)＝fec(k)＝1时，表示在k时刻前有一段同时包含波峰、波谷的波形出现，该波形波峰在前波谷在后且满足约束条件，此时微控制器判定电梯轿厢该通道进一人；当fhc(k)＝fec(k)＝-1时，表示在k时刻前有一段同时包含波峰、波谷的波形出现，该波形波谷在前波峰在后且满足约束条件，此时微控制器判定电梯轿厢该通道出一人；当fhc(k)＝fec(k)＝0时，表示在k时刻前一段时间波形稳定，此时微控制器判定电梯轿厢该通道没有人进出；当fhc(k)≠fec(k)时，微控制器判定电梯轿厢该通道没有人进出；
7d微控制器计算k时刻电梯轿厢内总人数变化PNc(k)：
整个人数变化检测过程就是利用误差信号状态、预人数变化头标志和预人数变化尾标志还原误差信号在过去一段时间的波形，通过判断波形形状得出当前通道人数的变化，从而最终得到电梯轿厢内的总人数变化；
(8)微控制器计算k时刻电梯轿厢内人数：
微控制器将k-1时刻电梯轿厢内人数加上k时刻电梯轿厢内总人数变化得到k时刻电梯轿厢内人数。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于远红外技术的工程电梯人数检测方法，其特征在于，是通过工程电梯人数检测装置实现的，该装置包括安装在电梯轿厢门上方的腔体组合体(1)，该腔体组合体(1)包括第一腔体(11)，以及与第一腔体(11)左右侧面后端相连且成一定夹角的第二腔体(12)和第三腔体(13)，该第一腔体(11)、第二腔体(12)和第三腔体(13)内各安装一个远红外传感器(2)，所述远红外传感器(2)通过各腔体前侧面上设置的通槽，感知人体产生的远红外信号并转换为电信号；所述第一腔体(11)、第二腔体(12)和第三腔体(13)的后侧面相邻的位置设置有第四腔体(14)，第四腔体(14)内安装有包括电源电路(31)、滤波放大电路(32)、串口模块(33)和微处理器(34)的人数检测处理器板(3)，所述电源电路(31)，用于给远红外传感器(2)、串口模块(33)和微处理器(34)提供工作电压，所述滤波放大电路(32)，用于对远红外传感器(2)传送的信号进行滤波和放大，所述串口模块(33)用于人数检测装置与轿厢安全监控***之间的连接通信，所述微处理器(34)，用于计算电梯轿厢内人数，所述远红外传感器(2)采用被动式热释电红外传感器，该基于远红外技术的工程电梯人数检测方法具体包括如下步骤：
(1)被动式热释电红外传感器对检测到的信号进行转换并输出：
被动式热释电红外传感器将其检测区域内检测到的远红外信号转化为电信号dc并输出，其中，c表示被动式热释电红外传感器标号，c＝1,2,3；
(2)滤波放大电路对dc进行滤波和放大：
滤波放大电路对dc进行滤波，并对滤波后的电信号进行放大，得到放大的电信号gc；
(3)微处理器计算被动式热释电红外传感器的误差信号zc(k)：
(3a)微处理器获取k时刻采样信号sc(k)：
微处理器对gc进行固定频率的AD采样，得到k时刻采样信号sc(k)，k表示采样序号，k＝1,2,3…；
(3b)微处理器对sc(k)进行归一化，得到归一化后的数字信号rc(k)：
rc(k)＝λsc(k)
其中，λ为归一化参数；
(3c)微处理器对rc(k)进行滤波，并计算滤波后每个被动式热释电红外传感器对应的数字信号xc(k)的均值，得到均值信号mc(k)；
(3d)微处理器计算每个被动式热释电红外传感器的误差信号yc(k)，并对yc(k)进行幅值变换，得到幅值变换后的误差信号zc(k)，其中：
yc(k)＝xc(k)-mc(k)
zc(k)＝ρcyc(k)
其中，ρc为误差信号放大系数；
(4)微处理器计算k时刻误差信号zc(k)的最大值Mxc(k)和最小值Mnc(k)；
(5)微处理器计算k时刻误差信号状态时间标志Tc(k)：
其中，th0为预设阈值；
(6)微处理器计算k时刻误差信号状态Rsc(k)：
其中，th1和t为预设阈值；
(7)微处理器计算电梯轿厢内总人数变化PNc(k)：
(7a)微处理器计算k时刻预人数变化头标志fhc(k)：
(7b)微处理器计算k时刻预人数变化尾标志fec(k)：
其中，th2为预设阈值；
(7c)微处理器计算k时刻各通道人数变化pc(k)：
(7d)微处理器计算k时刻电梯轿厢内总人数变化PNc(k)：
(8)微处理器计算k时刻电梯轿厢内人数：
微处理器将k-1时刻电梯轿厢内人数加上k时刻电梯轿厢内总人数变化得到k时刻电梯轿厢内人数。
2.根据权利要求1所述的基于远红外技术的工程电梯人数检测方法，其特征在于，步骤(3c)中所述的计算滤波后每个被动式热释电红外传感器对应的数字信号xc(k)的均值，计算公式为：
其中，β为均值计算参数，k表示采样序号，k＝1,2,3…，c表示被动式热释电红外传感器标号，c＝1,2,3，xc(k)为k时刻滤波后每个被动式热释电红外传感器对应的数字信号，计算公式为：
其中，α为滤波参数，rc(k)为k时刻归一化后的数字信号。
3.根据权利要求1所述的基于远红外技术的工程电梯人数检测方法，其特征在于，步骤(4)中所述的计算k时刻误差信号zc(k)的最大值Mxc(k)和最小值Mnc(k)，计算公式分别为：
其中，k表示采样序号，k＝1,2,3…，c表示被动式热释电红外传感器标号，c＝1,2,3，zc(k)为k时刻被动式热释电红外传感器的误差信号。
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