CN207713204U - 基于模糊推理的电梯轿厢内人数检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于模糊推理的电梯轿厢内人数检测系统，解决了电梯轿厢难以精确计算超载超员的问题，包括有电源模块、图像采集模块、重量检测模块、存储模块、串口模块和微控制器模块。在微控制器模块中，计算载重变化量和累计像素点数，设定载重变化量和累计像素点数论域，计算轿厢内人数并传送到轿厢安全监控模块，综合重量与人数，给出运行指标。本实用新型图像处理仅采集两条检测线颜色变化，弥补了现有技术处理整幅图像耗费大量资源的不足，结合模糊推理技术，使本实用新型结构简单，操作简便。本实用新型的人数检测系统，准确计算电梯内人员数量，更大程度上消除了轿厢的安全隐患，成为工程电梯轿厢运行的安全保障。

Description

基于模糊推理的电梯轿厢内人数检测系统

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，更进一步涉及轿厢内人数检测，具体是一种基于模糊推理的工程电梯轿厢内人数检测系统，用于解决监测电梯人数的问题。

背景技术

目前，许多建筑工地采用的电梯都很简陋，在室外露天使用，电梯高2.5米，有顶和四壁。电梯位置不固定，在一处使用完毕后可能会拆迁至其它地方继续使用。出于乘坐安全需要，要求乘坐不得超过一定人数、载重不得超过一定重量，全天监控，也就是说白天、晚间都需要管理。由于当前工程用的电梯技术不够成熟，对超重超载问题无法进行有效及时防范，对建筑工地的工作人员的生命安全存在极大隐患。在大多数电梯中虽然都安装有重量传感器，也标识了额定承载人数，但实际上只是对超出电梯的安全载荷范围启动报警，很少在技术上实现对电梯轿厢内人数的控制。模糊推理技术是以模糊集合论为基础描述工具，对以一般集合论为基础描述工具的数理逻辑进行扩展。模糊推理可以结合多种变量因素实现机器的自我推理判断，同时具有对控制对象要求知识少、控制方法简单、实时性强、鲁棒性好等诸多优点。

上海三菱电梯有限公司提出的专利技术“人数检测装置及方法”(专利申请号：200910201760.8，公布号CN 102050366 A)公开了一种人数检测装置及方法。该专利技术利用热释红外传感器及人工神经网络的BP算法解决了电梯轿厢内工人移动的无规则性问题，但是仍然存在的不足是，热释红外模块是专为人数识别而增加的，无疑增加了电梯系统的硬件成本。另外，红外线的识别原理具有局限性，只有在电梯内乘客有位移时才能检测人数，但是电梯内的乘客往往很少移动，造成红外线识别的人数准确率不高。

深圳市汇川技术股份有限公司所提出的专利申请“电梯轿厢人数检测系统及方法”(专利申请号：201310552806.7，公布号CN 103552890 A)公开了一种电梯轿厢人数检测系统及方法。该方法虽然利用了对摄像头采集的现场图像进行HOG特征提取及比对从而获得轿厢人数，但是仍然存在的不足是，创建标准库文件需要采集摄像头在不同人数，不同灯光下的多个视频帧，并分别提取每一视频帧的HOG特征向量，将其与输入的该视频帧的人数传送到SVM分类器进行分类学习，生成标准库文件。过程复杂繁琐，需要大量前期准备和机器的分类学习。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有方法的不足，提出了一种更安全、方便维护、更快速准确、效率更高的基于模糊推理的工程电梯轿厢内人数检测系统，利用模糊推理方法进行人数统计，来解决工程电梯的人数超载问题。

本实用新型是一种基于模糊推理的工程电梯轿厢内的人数检测系统，其特征在于：包括有电源模块、图像采集模块、重量检测模块、存储模块、串口模块和微控制器模块；

所述的电源模块，提供整个系统特别是微控制器模块工作所需的工作电压；

所述的图像采集模块，用于获取轿厢内当前图像以及检测线的颜色值，将颜色值信息传送到微控制器模块；

所述的重量检测模块，将重量传感器获得的电压或电流值转换为重量信息传送到微控制器模块，重量传感器的误差要求小于5kg；

所述的存储模块，用于存储图像采集模块采集的背景图像信息，并要求能够掉电保护，在人数检测系统工作时，能够将背景图像从存储模块中读入微控制器进行比较运算；

所述的串口模块，一种串行通讯接口，用于人数检测系统和轿厢安全监控系统之间的连接通信，进行指令的传达和数据的传输；

所述的微控制器模块，通过重量检测模块传送的重量信息以及图像采集模块传送的检测线颜色值信息，计算载重变化量和累计像素点数，设定载重变化量和累计像素点数论域，利用模糊推理检测方法，设定载重变化、遮挡像素点与人数变化之间的对应关系，结合载重变化量和有效遮挡像素点数计算出电梯内人数的变化量，将上次电梯轿厢内的总人数加上人数变化量，计算当前电梯轿厢内的人数，通过串口模块将计算的人数传送到轿厢安全监控系统，最终实现电梯内人数的检测。

本实用新型的基本思想是在电梯打开时，首先通过重量传感器测量当前载重，并与上次载重做差，获得载重变化量；然后通过摄像头提取背景图像所在检测区域内A、B线的颜色值，并将当前图像A、B线的颜色值与背景图像A、B线的颜色值的最大差异作为遮挡线，计算当前有效遮挡像素点数；最后采用图像处理和模糊推理技术，结合载重变化量以及有效遮挡像素点数推理出电梯内人数的变化量，将上次电梯轿厢内的总人数加上人数变化量，最终实现了电梯内人数的检测。

本实用新型与现有技术相比具有如下优势：

第一、本实用新型的图像处理部分只需要采集两条检测线上颜色值的变化，克服了现有技术需要大量的图像处理耗费处理器大量资源的缺点，使得本实用新型能够处理更加快捷，同时降低了制造成本。

第二，本实用新型信号输入端引入重量变化信息，克服了热释红外传感器只有在电梯轿厢内工人有移动时才能检测人数的缺点，实现了工人在进出工程电梯轿厢时人数的动态检测，保证了工程电梯轿厢运行的实时检测性。

第三，本实用新型采用了基于模糊控制技术的人数检测智能化算法，克服了现有技术中在利用人工神经网络前必须进行学习的不足，实现了工程电梯轿厢内人数的检测，为降低人数检测算法难度，提高性能，解决超重超载问题带来诸多好处。

附图说明

图1是本实用新型工程电梯轿厢内人数检测系统实施例的系统框图；

图2是本实用新型工程电梯轿厢内人数检测方法实施例的流程示意图；

图3是本实用新型基于模糊推理技术的示意图，其中Ca、Cb、Cc、Cd、Ce、Cf为根据实际应用测试所选取的不同遮挡像素点的值；其中Wa、Wb、Wc、Wd、We、Wf为根据实际应用测试所选取的不同重量变化的值；

图4是本实用新型工程电梯轿厢内人数检测系统外接轿厢安全监控系统的液晶显示器的人数检测参数设置界面。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本实用新型详细说明。

实施例1

电梯在高层建筑中频繁使用，且容易发送安全事故，在高楼大厦快速建设的同时，工程电梯轿厢的安全性能得到越来越多的重视。目前电梯轿厢超限限制装置一般仅通过重量传感器的测量以确定是否超载，不够安全，不够精确。对超重超载问题无法进行有效及时防范，对建筑工地的工作人员的生命安全存在极大隐患。另外，虽然很多电梯中也标识了额定承载人数，但实际上只是对超出电梯的安全载荷范围启动报警，很少在技术上实现对电梯轿厢内人数的控制。针对这些问题，本实用新型展开了研究与创新，提出一种基于模糊推理的工程电梯轿厢内的人数检测系统，参见图1，本实用新型的检测系统包括有电源模块、图像采集模块、重量检测模块、存储模块、串口模块和微控制器模块。

所述的电源模块，提供整个系统特别是微控制器模块工作所需的工作电压。

所述的图像采集模块，选用一款自带FIFO功能的摄像头，通过8位并行数据传输连接摄像头与微控制器之间的通信，用于获取轿厢内当前图像以及检测线的颜色值，并将颜色值信息传送到微控制器模块。

所述的重量检测模块，将重量传感器获得的电压或电流值转换为重量信息传送到微控制器模块，重量传感器的误差要求小于5kg。

所述的存储模块，用于存储图像采集模块采集的背景图像信息，并要求能够掉电保护，在人数检测系统工作时，能够将背景图像从存储模块中读入微控制器进行比较运算。

所述的串口模块，一种串行通讯接口，用于人数检测系统和轿厢安全监控系统之间的连接通信，进行指令的传达和数据的传输。

所述的微控制器模块，通过重量检测模块传送的重量信息以及图像采集模块传送的检测线颜色值信息，计算载重变化量和累计像素点数，设定载重变化量和累计像素点数论域，利用模糊推理检测方法，设定载重变化、遮挡像素点与人数变化之间的对应关系，结合载重变化量和有效遮挡像素点数计算出电梯内人数的变化量，将上次电梯轿厢内的总人数加上人数变化量，计算当前电梯轿厢内的人数，通过串口模块将计算的人数传送到轿厢安全监控系统，最终实现电梯内人数的检测。

当电梯轿厢运行之前，轿厢安全监控系统检测轿厢内乘客人数，通过RS232串行接口接收人数检测系统检测出来的人数，显示当前电梯轿厢内的人数，综合人数和载重指标，给出超载界限，当人员数量超限时显示“人员超过限定人数”，发出报警声音，同时切断电梯运行电源，不允许电梯轿厢运行，并将超载人数或图像截图发送到GPRS远程服务器终端。否则，当电梯轿厢内人员和重量都在限制范围内，轿厢的各项综合指标均在电梯安全运行范围内，则电梯正常运行

本实用新型在图像处理过程中，只需要采集两条检测线上颜色值的变化，克服了现有技术需要大量的图像处理耗费处理器大量资源的缺点，使得本实用新型能够处理更加快捷，同时降低了制造成本。

实施例2

基于模糊推理的工程电梯轿厢内的人数检测系统同实施例1，本实用新型的图像采集模块，要求垂直向下安装在电梯轿厢门口处，且采集图像的清晰度要能够达到实验要求。一方面要求图像采集模块安装位置合理，直射门口处较小的一块区域，若照射的区域太大，会有工人在进入轿厢后仍然停留在检测区域内的情况出现，对进出轿厢内工人的检测产生干扰，导致得出错误的计算结果；另一方面就是要求图像采集模块的反应速度要快，实时采集电梯轿厢内的图像状态。由于对进出轿厢的工人进行检测时，要求摄像头工作时的及时性比较高，所以采用的摄像头分辨率不用很高，主要是能比较快速且完整的采集到视频图像。

本系统采用自带FIFO功能基于OminiVision公司的OV7670摄像头，该OV7670摄像头模块使用了拥有30万像素的CMOS感光芯片，3.6mm焦距的镜头和镜头座，并配置了一块FIFO先进先出存储芯片。图像采集方式可配置为VGA格式、QVGA格式、QQVGA格式、CIF格式和QCIF格式，图像输出可配置成RawRGB、RGB、YUV422和YCbCr422格式。OV7670摄像头模块有320*240个像素点的成像区域，有较快速的图像采集能力，完全可以胜任人数检测系统“眼睛”的功能。OV7670摄像头的图像传感器功耗低、体积小，通过SCCB总线控制图像数据输出，OV图像传感器应用独有的传感器技术，通过消除或减小光学缺陷来提高图像的质量，进而得到清晰稳定的彩色图像。摄像头模块采集图像，通过8位并行数据传输连接摄像头与微控制器之间的通信，将获取的轿厢内图像状态以及检测线颜色值，传送到微控制器模块。

实施例3

基于模糊推理的工程电梯轿厢内的人数检测系统同实施例1，本实用新型的微控制器模块是整个人数检测系统的核心，承载着系统的绝大部分处理算法，特别是对图像数据的处理。考虑到人数检测系统对人数检测实时性的要求，本系统选用内存空间大、处理速度快的STM32微控制器。采用意法半导体公司的100脚封装的以Cortex-M4为核心STM32F407VET6芯片，主频最大可达到168MHz，芯片内部有1MB的Flash，128KB的SRAM，并集成有USB、以太网、AD转换、DA转换、定时器、摄像头等硬件接口。STM32微控制器负责采集处理摄像头拍摄的图像信息及重量传感器传送的重量信息，利用模糊推理检测方法，计算当前电梯轿厢内的人数，并通过串行接口将计算的人数传送到轿厢安全监控系统，最终完成工程电梯轿厢内的人数检测。

实施例4

本实用新型在微控制器模块中，利用模糊推理实现工程电梯轿厢内人数检测，参见图2，人数检测流程包括如下步骤：

(1)对人数检测系统进行初始化，获取电梯轿厢的背景图像：

(1a)初始化基于模糊推理的工程电梯轿厢内人数检测系统的相关参数，主要是有效遮挡像素点区域的界定值和载重变化区域的界定值，根据实际电梯轿厢应用，选取的不同有效遮挡像素点区域的界定值从小到大依次分别为Ca、Cb、Cc、Cd、Ce、Cf；根据实际应用测试所选取的不同载重变化区域的界定值从小到大依次分别为Wa、Wb、Wc、Wd、We、Wf。

其中Ca为有效遮挡像素点的最小阈值，Cf为有效遮挡像素点的最大阈值，Wa为载重变化区域的最小阈值，Wf为载重变化区域的最大阈值。Cc，Wc分别为建立直线方程1的有效遮挡像素点区域和载重变化区域的界定点，Cd，Wd分别为建立直线方程2的有效遮挡像素点区域和载重变化区域的界定点。大于Ca小于Cc的有效遮挡像素点标记为Cb，大于Cd小于Cf的有效遮挡像素点标记为Ce，大于Wa小于Wc的载重变化标记为Wb，大于Wd小于Wf的载重变化标记为We。

此外，计算有效遮挡像素点的阈值，RS232串口传输的波特率等参数也需要在初始化中给定具体数值。

(1b)在电梯轿厢内无人且无人进出电梯轿厢的情况下，从摄像头获取的视频中连续检测8帧图像，并存入存储模块的EEPROM中。

(1c)对8帧图像分别提取两条检测线A、B，平均化处理后得到电梯轿厢背景图像，将背景图像记录在微控制器模块的微处理器，并存入存储模块的EEPROM中。

(1d)通过重量检测模块的重量传感器测量无人时电梯初始重量，将初始重量传送并记录在人数检测系统的微处理器中。

(2)计算载重变化量：

(2a)通过重量检测模块的重量传感器测量当前载重，将当前载重记录在人数检测系统的微处理器中。

(2b)将测得的当前载重与人数检测系统的微处理器中记录的上次载重作差，获得载重变化量。

(2c)将重量信息即载重变化量传送并记录在人数检测系统的微控制器中。

(3)计算累计有效遮挡像素点数：

(3a)提取当前图像两条检测线A、B的颜色值。

(3b)将当前图像两条检测线A、B的颜色值与背景图像两条检测线A、B的颜色值的最大差异作为遮挡线，计算当前有效遮挡像素点数。有效遮挡像素点数指当前图像位于检测线上该点的颜色值与背景图像上该点的颜色值差异大于一个阈值时，认为该点为一个有效遮挡像素点，该阈值在初始化中设定。

(3c)计算累计最近七帧图像的有效遮挡像素点数。由于目标从检测线A移动到检测线B的时间约为0.5秒，摄像头的帧频为15帧/s，所以目标在检测区域内大概历经了7帧图像，因此计算累计最近七帧图像的有效遮挡像素点数。

(3d)将最近七帧图像的有效遮挡像素点数总和传送到人数检测的微控制器模块。

参见图3，图3是本实用新型运用模糊推理技术，针对电梯轿厢载重和像素点变化对应关系示意图。

(4)利用模糊推理的方法设定载重变化量的论域：根据电梯轿厢内实际应用情况，利用模糊推理的方法设定轿厢内载重变化量的论域。

(4a)设定载重变化量的论域[-Wf，Wf]；

(4b)若载重变化量大于最大阈值Wf，将载重变化量取Wf；

(4c)若载重变化量小于-Wf，将载重变化量取-Wf；

(4d)若载重变化量小于零，标记人数减少，将载重变化量取反。

(5)设定累计有效遮挡像素点数的论域：根据电梯轿厢内实际应用情况，利用模糊推理的方法设定轿厢内有效遮挡像素点数的论域。载重变化量的论域和有效遮挡像素点数的论域，结合模糊推理方法中设定的载重和像素点的对应关系，成为计算当前电梯轿厢内的人数的依据。

(5a)设定累计有效遮挡像素点数的论域[0，Cf]。

(5b)若累计有效遮挡像素点数大于最大阈值Cf，将累计有效遮挡像素点数取Cf；若累计有效遮挡像素点数小于0，将累计有效遮挡像素点数取0。

(6)计算轿厢内的人数变化量：根据重量检测模块传送的载重变化量和摄像头模块传送的有效遮挡像素点数，将得到的载重变化量和累计有效遮挡像素点数信息通过模糊控制处理后，得到电梯轿厢内的人数变化量。

(6a)若载重变化量小于最小阈值Wa，则无人进出电梯轿厢；

(6b)若累计有效遮挡像素点数小于最小阈值Ca，则无人进出电梯轿厢；

(6c)若载重变化量大于等于最小阈值Wa且小于Wc，同时累计有效遮挡像素点数小于Cc，则建立描述载重变化量和有效遮挡像素点数之间关系的低界直线1的方程；

若载重变化量dW大于等于最小阈值Wa，累计有效遮挡像素点Cum为Cb，此时目标位于直线1的上方，则有一人进出电梯轿厢；若载重变化量dW为Wb，累计有效遮挡像素点Cum为Cb，此时目标位于直线1的下方，则无人进出电梯轿厢；

(6d)若载重变化量大于等于最小阈值Wa，累计有效遮挡像素点数大于等于Cc且小于Cd，则有一人进出电梯轿厢；

(6e)若载重变化量大于等于Wd，累计有效遮挡像素点数大于等于Cd且小于Cf，则建立描述载重变化量和有效遮挡像素点数之间关系的高界直线2的方程：

若载重变化量dW为最大阈值Wf，累计有效遮挡像素点Cum为Ce，此时目标位于直线2的上方，则有两人进出电梯轿厢；若载重变化量dW为We，累计有效遮挡像素点Cum为Ce，此时目标位于直线2的下方，则有一人进出电梯轿厢。

(7)计算轿厢内的人数：将上次电梯轿厢内的总人数加上当前电梯轿厢内的人数变化量，计算当前电梯轿厢内的总人数。

(8)继续检测轿厢内人数：判断是否继续检测电梯轿厢内人数，若电梯轿厢门未关闭，则继续检测，返回步骤(2)，否则，执行步骤(9)。

(9)检测结束，将人数检测系统计算的总人数通过RS232接口线上传到轿厢安全监控系统，轿厢安全监控系统判断人数和载重是否超标，若人数或载重超标，则给出报警，切断电源，禁止电梯轿厢运行，若人数和载重都符合限定的标准，则电梯轿厢正常运行。

实施例5

基于模糊推理的工程电梯轿厢内的人数检测系统同实施例1-4，参见图4，图4是轿厢安全监控系统的液晶显示器的人数检测参数设置界面，液晶显示器为10.4英寸640×480像素的彩色液晶屏，该界面包括设置检测线，设置允许最大人数，标定轿厢自重，获取轿厢的背景图像，保存背景图像，读取参数六部分。设置好的参数及背景图像保存在人数检测系统的存储模块中，回送参数时轿厢安全监控系统再从存储模块中读取有关数据，并在液晶显示器上显示出来，确保设置与保存的数据是一致的，从而保证在轿厢进入工作状态时，各项参数均正常。

在工程电梯轿厢工作运行之前，首先要调整好图像采集模块中摄像头的位置及焦距，保证摄像头垂直向下安装在电梯轿厢内，并且摄像头拍摄图像的清晰度要能够达到实验要求。设置检测线A、B之间的宽度小于一个人所形成的像素宽度。液晶显示器将接收到的图像信息显示在人数检测设置界面的“图像显示”处，注意观察液晶器的图像是否清晰、A、B检测线的位置是否与显示屏幕平行，如果图像不够清晰或者图像位置没有与屏幕平行，则需要调整摄像头的位置或者焦距，重新拍摄一帧图像，按照上述方法进行调整，直到显示屏上显示的图像达到设计要求。

综上所述，本实用新型公开了一种基于模糊推理的工程电梯内人数检测系统，解决了电梯轿厢难以精确计算超载超员的问题，包括有电源模块、图像采集模块、重量检测模块、存储模块、串口模块和微控制器模块。人数检测系统通过串行接口线将计算的人数传送到轿厢安全监控系统，为轿厢安全监控系统控制工程电梯轿厢运行提供人数限制指标。本实用新型图像处理仅采集两条检测线上颜色值的变化，弥补了现有技术处理整幅图像耗费大量资源的不足，结合模糊推理技术使得本实用新型具有结构简单，操作简便的优点。本实用新型的人数检测系统，作为整个工程电梯轿厢系统的重要一部分，准确计算电梯内人员数量，更大程度上消除了轿厢的安全隐患，成为工程电梯轿厢运行的安全保障。

Claims (3)

1.一种基于模糊推理的电梯轿厢内人数检测系统，其特征在于：包括有电源模块、图像采集模块、重量检测模块、存储模块、串口模块和微控制器模块；

所述的电源模块，为整个系统提供所需的工作电压；

所述的图像采集模块，用于获取轿厢内当前图像以及检测线的颜色值，将颜色值信息传送到微控制器模块；

所述的重量检测模块，将重量传感器获得的电压或电流值转换为重量信息传送到微控制器模块，重量传感器的误差要求小于5kg；

所述的存储模块，用于存储图像采集模块采集的背景图像信息，并要求能够掉电保护，在人数检测系统工作时，能够将背景图像从存储模块中读入微控制器进行比较运算；

所述的串口模块，一种串行通讯接口，用于人数检测系统和轿厢安全监控系统之间的连接通信，进行指令的传达和数据的传输；

所述的微控制器模块，通过重量检测模块传送的重量信息以及图像采集模块传送的检测线颜色值信息，计算载重变化量和累计像素点数，设定载重变化量和累计像素点数论域，计算当前电梯轿厢内的人数，通过串口模块将计算的人数传送到轿厢安全监控系统，最终实现电梯内人数的检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊推理的电梯轿厢内人数检测系统，其特征在于，所述的图像采集模块，垂直向下安装在电梯轿厢门口处，且要求采集图像清晰；一方面要求图像采集模块安装位置合理，直射门口处较小的一块区域，防止照射的区域太大，会有工人在进入轿厢后仍然停留在检测区域内的情况出现，对进出轿厢内工人的检测产生干扰，导致判断得出错误的结果；另一方面要求图像采集模块的反应速度要快，实时采集电梯轿厢内的图像状态；图像采集模块采用自带FIFO功能的摄像头采集图像，将获取的轿厢内图像状态以及检测线颜色值，传送到微控制器模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于模糊推理的电梯轿厢内人数检测系统，其特征在于，所述的微控制器模块是对图像数据的处理；微控制器模块负责采集处理摄像头拍摄的图像信息及重量传感器传送的重量信息，计算当前电梯轿厢内的人数，并通过串口模块将计算的人数传送到轿厢安全监控系统，最终完成工程电梯轿厢内的人数检测；微控制器模块选用内存空间大、处理速度快的STM32微控制器。