高空墜物智能檢測預警系統(tǒng)的設計

呂耀輝，呂晨暉，隋杰，楊文海，鄧周虎，李強

（1.西北大學，陜西西安，710127；2.西安通大思源電器有限公司，陜西西安，710054）

0 引言

近年來，高空墜物致人傷亡的事件日益增多。隨著經濟的發(fā)展，建筑樓層數(shù)目日漸增高，在一些事故頻發(fā)的地點，例如建筑工地等，高空墜物的危害性越來越大。隨著電子技術的發(fā)展，利用傳感器技術和軟件控制技術，設計一款高空墜物智能檢測預警[1]系統(tǒng)，對高空墜物進行檢測并預警，能夠降低高空墜物的危害性。

1 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)通過軟硬件的結合實現(xiàn)對高空墜物的探測以及對干擾物體的判斷。硬件部分使用雙層陣列探測裝置，探測裝置以激光發(fā)射模塊與光敏電阻為核心。利用軟件對智能探測裝置返回的探測信號進行判斷，存在高空墜物信號時，將觸發(fā)系統(tǒng)的報警裝置并發(fā)出警報。

本系統(tǒng)由探測模塊、以STM32 單片機[2]為核心的智能檢測模塊和報警模塊組成。圖1 為本系統(tǒng)的功能框圖。

圖1 高空墜物智能檢測報警系統(tǒng)功能框圖

2 硬件設計與制作

■2.1 制作材料

高空墜物智能檢測裝置的制作材料包括：PCB 板、激光發(fā)射模塊、光敏電阻、金屬膜電阻器、CD4072BE 直插式雙路四輸入或門、發(fā)光二極管、熱縮管、導線等。

本裝置制作過程中使用的器材有：電烙筆、焊錫絲、剪線鉗、斜口鉗、鑷子。

本裝置的制作成本在120 元左右。

■2.2 系統(tǒng)設計

2.2.1 設計方案

高空墜物智能檢測裝置包括兩部分：激光發(fā)射裝置及激光接收裝置。

系統(tǒng)設計初期選擇發(fā)射裝置時，擬采用紅外發(fā)射管[3]與激光發(fā)射管。測試過程中，發(fā)現(xiàn)紅外發(fā)射管受環(huán)境光影響較大，紅外發(fā)射管電路復雜且調試困難。激光發(fā)射管具有發(fā)射激光距離長、方向性好、且激光聚于一個亮點，受環(huán)境光的影響可忽略不計。因此，最終系統(tǒng)選用激光發(fā)射模塊。

2.2.2 電路設計

本系統(tǒng)的接收裝置主要是由光敏電阻構成。供電模塊采用普通手機充電頭將市電轉為5V 直流電，通過USB 接口供電[4]。接收裝置利用了光敏電阻在無光照狀態(tài)阻值趨于無窮大，且隨著光照強度的增大，光敏電阻的阻值隨之減小的特性[3]，當外界環(huán)境光強度足夠強烈，光敏電阻的阻值趨于零。本系統(tǒng)的接收裝置為了提高探測墜物的精度、減小誤觸發(fā)的幾率，在光敏電阻外圍加裝熱縮管以避免環(huán)境光對探測效果的影響，且將光敏電阻分為兩層陣列式排布，每層由四個光敏電阻并聯(lián)。在每個并聯(lián)支路上，將光敏電阻與一保護電阻串聯(lián)，目的是防止因某個光敏電阻在強光照下阻值趨于零而導致其余支路短路。在光敏電阻與定值電阻之間引出信號接入CD4072BE 直插式雙路四輸入或門[5]，并將CD4072BE 直插式雙路四輸入或門的輸出端作為整個探測裝置[6]的信號輸出端，在輸出端接發(fā)光二極管作為預警信號指示燈。將光敏電阻兩端的電壓作為CD4072BE 的輸入，當無障礙物時，激光發(fā)射裝置發(fā)出的激光能夠直接照射在光敏電阻上。光敏電阻兩端的電壓趨于0V，此時CD4072BE直插式雙路四輸入或門的輸入信號均為低電平信號，其兩個輸出信號為低電平信號，此時發(fā)光二極管兩端電壓為低電平，預警指示燈[7]滅；當有墜物通過探測裝置時，此時激光發(fā)射裝置發(fā)射的激光束被墜物遮擋，激光接收裝置中一個或多個光敏電阻上無光照，無光照時，光敏電阻的阻值趨于無窮大，電路中光敏電阻兩端的電壓也趨于電源電壓(5V)，此時CD4072BE 直插式雙路四輸入或門的一個或多個輸入信號為高電平，通過或的邏輯，其輸出信號也為高電平，若上層發(fā)射裝置發(fā)射的激光束被遮擋，那么上層的預警指示燈亮；若下層發(fā)射裝置發(fā)射的激光束被遮擋，那么下層的預警指示燈亮，由此可以通過預警指示燈的狀態(tài)來判斷墜物通過探測預警裝置的具體情況。

2.2.3 電路仿真

高空墜物智能檢測裝置使用Multisim 軟件進行電路仿真。

圖2 無障礙時智能探測預警裝置電路仿真圖

Multisim 軟件不支持光敏電阻的仿真，因此在電路仿真中采用電位器替代光敏電阻。當無障礙物時，光敏電阻在強光照下阻值趨于零，將電位器滑至阻值最小處來模擬這種狀態(tài)；當有障礙物時，激光被障礙物遮擋，光敏電阻無光照，光敏電阻阻值趨于無窮大，將電位器[10]滑至阻值最大處來模擬這種狀態(tài)。仿真時電位器的最大阻值選擇為2MΩ，實際電路測量光敏電阻在無光照時的阻值同樣在MΩ 數(shù)量級，經過仿真與分析，這種替代不會影響實驗結果。

圖3 有障礙時智能探測預警裝置電路仿真圖

3 軟件設計

（1）本系統(tǒng)由STM32F103C8T6[8]作為控制模塊，其內部程序設計過程包括主程序設計、外部中斷I/O 口配置程序設計、報警信號I/O 口配置程序設計、外部中斷初始化程序設計、中斷服務程序設計[9]。

（2）主程序設計：在主程序中，通過調用若干庫函數(shù)來實現(xiàn)相應功能的初始化，其中包括：延時功能的初始化、設置中斷優(yōu)先級分組[10]、串口初始化、報警信號I/O 口初始化、外部中斷初始化。完成以上初始化后，對為報警裝置提供控制電平的I/O 口設置初值，使其處于不報警狀態(tài)，設置完成后，令程序進入while(1)循環(huán)，循環(huán)中無任何語句，等到接受外部中斷觸發(fā)。

（3）外部中斷I/O 口配置程序設計[11]：首先將相應I/O 口的時鐘使能，并關閉Jtag，使能SWD。然后利用庫函數(shù)配置所需的I/O 口，本系統(tǒng)中選擇PA0、PA1，并將其設置為下拉輸入。當外部中斷觸發(fā)后，程序轉入中斷服務函數(shù)。

（4）報警信號I/O 口配置程序設計：首先將相應I/O口的時鐘使能，本系統(tǒng)中選擇PB7、PB8，并依次利用完成端口配置、設置為推挽輸出[12]、設置I/O 口速度為2MHz、并將其初值均設置為低電平。

（5）外部中斷初始化程序設計：首先使能AFIO 時鐘，對各個中斷線完成配置，本實驗中設置為上升沿觸發(fā)。使能I/O 所在的外部中斷通道，設置PA1 搶占的優(yōu)先級高于PA0。

（6）中斷服務程序設計：本系統(tǒng)中含有兩個中斷服務程序，分別由PA0 引腳觸發(fā)及由PA1 引腳觸發(fā)。

①當中斷0 被觸發(fā)，首先進行消抖：延遲10ms，再次判斷PA0 引腳狀態(tài)，若仍為高電平，則使標志位置1，此標志位用于排除外部飛鳥及其他物體的干擾。標志位置1 后，可根據(jù)此系統(tǒng)安裝的樓層設置延時。例如在100ms 后使標志位清零，安裝樓層越低，墜物速度越快，此延時時間越短。標志位清零后，清除EXTI0線路掛起位，此中斷服務程序結束。

②當中斷1 被觸發(fā)，首先檢測標志位，若標志位為1，則使PB7 與PB8 輸出高電平，系統(tǒng)報警。本系統(tǒng)中設置的報警時間為6 秒鐘。6 秒鐘后，PB7 與PB8 輸出低電平，結束報警。最后再次清除標志位，并清除LINE1上的中斷標志位。

4 軟硬件結合實現(xiàn)對高空墜物的智能判斷

本系統(tǒng)用于檢測高空墜物并發(fā)出警報，但空中存在緩慢降落的物體，例如塑料袋、落葉等緩慢墜物[13]，則本系統(tǒng)檢測到此類物體時，不應該發(fā)出警報。當有飛鳥等生物從下往上飛被本系統(tǒng)檢測到時，本系統(tǒng)也不應該發(fā)出警報。因此，需要通過一定的方法來對系統(tǒng)檢測到的物體進行判斷。

■4.1 對飛鳥等生物干擾的排除

飛鳥等生物有可能從下往上飛，并不會對行人造成威脅與傷害。因此，將紅外探測裝置設置成兩層。當上層的探測裝置探測到物體時，標志位置1，當下層裝置檢測到物體時，先檢查標志位，當標志位為1 時，系統(tǒng)發(fā)出警報[14]；若標志位為0，則說明上層探測裝置沒有檢測到物體，由此判斷出不是高空墜物，系統(tǒng)不發(fā)出警報。

■4.2 對緩慢墜物干擾的排除

當塑料袋、落葉等緩慢墜物被系統(tǒng)檢測到時，上層探測裝置被觸發(fā)與下層裝置被觸發(fā)的時間間隔將遠大于真正高空墜物所對應的時間間隔[15]。因此，下層探測裝置觸發(fā)的中斷優(yōu)先級高于上層探測裝置觸發(fā)的中斷優(yōu)先級，當上層探測裝置被觸發(fā)后，標志位置1，然后進入延時，在延時時間內，若下層探測裝置被出發(fā)后，因為下層的優(yōu)先級更高，程序從中斷服務函數(shù)0 進入到中斷服務函數(shù)1，系統(tǒng)發(fā)出警報；若在延時結束后，下層探測裝置仍沒有探測到物體，則認為兩層探測裝置被觸發(fā)的時間間隔過長，所探測到的物體為緩慢墜物，系統(tǒng)不發(fā)出報警。

5 測試結果

（1）當有墜物自上而下快速通過探測裝置時，系統(tǒng)發(fā)出警報。蜂鳴器與發(fā)光二極管同時報警6 秒中后，裝置回到檢測狀態(tài)，等待新的墜物通過。

（2）當有物體緩慢自上而下通過探測裝置時，系統(tǒng)不發(fā)出警報，即系統(tǒng)判斷為該物體為落葉等對人體無害的墜物，不作響應。

（3）當有物體自下向上快速或緩慢通過探測裝置時，系統(tǒng)不發(fā)出警報，即系統(tǒng)判斷該物體為飛鳥等物體的干擾，不作響應。

（4）改變程序，改變單片機中斷0 的服務函數(shù)中的延時時長，結果為改變通過探測裝置的物體被判斷為高空墜物的閾值速度[16]。

因此，本系統(tǒng)實現(xiàn)了對高空墜物的智能判斷與警報。

6 結束語

本系統(tǒng)面向廣大的人民群體，且裝置具有較高的精確度和靈敏度，能夠可靠的實現(xiàn)預期的功能，對高空墜物及時預警，減小其對行人的危害。能排除飛鳥等生物的干擾，避免錯誤報警。裝置價格低廉，有較好的實用性。