高空墜物攔截與取證系統(tǒng)的設計分析

李秋昊，賈曉強

（內蒙古工業(yè)大學信息工程學院，內蒙古 呼和浩特 010100）

0 引言

2020年5月，十三屆全國人大三次會議表決通過了《中華人民共和國民法典》。針對高空拋物墜物事件，該法典明確規(guī)定：“禁止從建筑物中拋擲物品。從建筑物中拋擲物品或者從建筑物上墜落的物品造成他人損害的，由侵權人依法承擔侵權責任”。為明確責任主體，《民法典》規(guī)定物業(yè)、建筑公司等管理單位，應當采取一定的安全防護措施，嚴防高空墜物的事故發(fā)生。基于上述情況，本文設計了一款高空墜物攔截與取證的防護系統(tǒng)，起到了避免高空墜物造成安全事故，以及為高空墜物造成的糾紛提供可查依據(jù)的作用。

1 高空墜物攔截與取證系統(tǒng)設計概述

1.1 高空墜物攔截與取證系統(tǒng)的構建

高空墜物攔截與取證系統(tǒng)分為墜物攔截子系統(tǒng)和取證子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)中的每個設備都由各自的樹莓派主控板控制，每個樹莓派主控板均需連接到相同的WiFi上，進行無線局域網通信。在局域網中，一方子系統(tǒng)中的各個設備，可以訪問另一方子系統(tǒng)中的各個設備，從而實現(xiàn)互通互聯(lián)。各子系統(tǒng)中設置墜物探測方式，二者之間相互配合，互補完成各個子系統(tǒng)功能，從而提高系統(tǒng)墜物攔截與取證功能的使用效果[1-2]。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

1.2 設計優(yōu)點

（1）墜物檢測方式有兩種：①墜物攔截子系統(tǒng)中的雷達探測墜物。②取證子系統(tǒng)中視頻識別探測墜物。兩種方式中任意一種方式探測到高空墜物，都可以啟動攔截板、記錄此刻視頻監(jiān)控時間以及發(fā)出警告信息。

（2）將高空墜物捕獲裝置和取證設備巧妙結合，形成了一套完整的捕獲+取證系統(tǒng)，彌補了傳統(tǒng)防墜網的不足之處。

（3）高空墜物攔截器，該設計主要是將攔截板與建筑外墻通過鉸鏈活動鏈接，自動收線器的拉繩與攔截板頂端活動連接，通過少量機械結構實現(xiàn)設備展開的整體過程，結構簡單。高空墜物攔截器在待機狀態(tài)下，通過電磁鎖鎖閉；攔截板平常通過鎖閉裝置收縮在建筑外墻，降低老化速度，延長設備的使用壽命，同時收縮體積，減少對建筑外觀的影響。此外，攔截板的攔截面采用吸能材料制成，進而降低墜物二次反彈的幾率，充分發(fā)揮攔截效果[3-4]。高空墜物攔截器如圖2所示。同時，高空墜物攔截器由墜物攔截系統(tǒng)設備控制箱操控，如圖3、4、5所示。

圖2 高空墜物攔截器實物圖

圖3 高空墜物攔截器控制箱

圖4 高空墜物攔截器控制箱外設接口

圖5 高空墜物攔截器控制箱主控板調試接口

2 高空墜物攔截與取證系統(tǒng)具體設計分析

2.1 墜物攔截子系統(tǒng)

2.1.1 硬件部分概述

①微波雷達模塊：該模塊是利用多普勒雷達原理設計的微波移動物體探測器。本項目中，通過對短接點短接，將感應距離設為10m以內。該模塊在探測到墜物時，能在1s內觸發(fā)攔截板展開，攔截墜物。

②樹莓派(4B)主控板：是基于Linux系統(tǒng)只有信用卡大小的微型電腦。本項目在實驗過程中，采用兩個樹莓派主控板。一個用在墜物攔截子系統(tǒng)中：控制微波雷達模塊、電機、絞盤等實現(xiàn)對攔截板的控制；另一個用在取證子系統(tǒng)中：進行圖像處理、視頻傳輸?shù)裙δ堋６咧g通過WiFi局域網進行通信。

③微型直流減速電機：通過齒輪調速，降低轉速，增大扭矩，用于攔截板的回收。

④電磁鎖：通電磁吸力產生，吸住攔截板。斷電磁吸力消失，打開攔截板。

⑤繼電器：是一種電控制器件，當輸入量的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預定的階躍變化的一種電器。本項目在實驗過程中，通過樹莓派GPIO端口在繼電器輸入回路輸入不同等級的電壓，來間接控制位于繼電器輸出回路的電磁鎖電源電路的通斷。由于樹莓派I/O輸出電壓為0至3.3V，所以，需要經過升壓模塊轉換為0至5V電壓才可驅動繼電器。另外，樹莓派GPIO.1端口和GPIO.7端口沒有鎖存功能，即在置高電平或低電平一段時間后，會自動復位至2V左右，實驗中需要選用其他GPIO端口進行操作[5-6]。

⑥L298N電機驅動模塊：該模塊在使能狀態(tài)下，通過接收不同的控制信號，實現(xiàn)電機的正轉和反轉，并可以增大電機驅動能力。

2.1.2 電路部分概述

①電源電路：提供3.3V、5V、6V、12V電壓，分別用于樹莓派、繼電器、絞盤、電磁鎖的供電。

②繼電器控制電路：+12V接COM，-12V接電磁鎖負極，NO(常開)接電磁鎖正極，VCC接+5V，GND接地，IN接樹莓派GPIO端口。當IN為高電平，電磁鎖電源電路接通，電磁鎖吸住攔截板；當IN為低電平，電磁鎖電源電路斷開，電磁鎖打開攔截板。

③墜物檢測電路：由微波雷達模塊和樹莓派組成。當沒有墜物時，樹莓派GPIO端口輸出高電平至繼電器IN中，吸住攔截板。當微波雷達模塊探測到墜物時，通過GPIO端口輸入高電平信號至樹莓派中，樹莓派處理后，通過其它GPIO端口輸出低電平至繼電器IN中，打開攔截板。

2.1.3 攔截器應用實現(xiàn)

①HTML控制頁面的建立：在樹莓派中建立服務器，由服務器分配IP端口供客戶端登錄HTML頁面。在網頁中，點擊每個按鈕都可以返回不同的字符串指令，字符串指令傳回到樹莓派中進行對比，從而執(zhí)行攔截板的手動打開及復位動作。同時，該頁面還具有實時影像查看功能。如圖6所示。

圖6 HTML頁面

②攔截板打開：分為手動控制和自動控制兩種，這兩種控制方式屬于同等優(yōu)先級。手動控制：通過點擊HTML頁面中的按鈕給樹莓派發(fā)送“down”指令，樹莓派接收“down”指令并進行比對后，通過GPIO端口輸出低電平至繼電器IN中，使電磁鎖斷電，打開攔截板。自動控制：當微波雷達模塊探測到墜物后，通過GPIO端口輸入高電平，樹莓派自動解析為“down”指令(或樹莓派攝像頭檢測到墜物后，通過WiFi傳送“down”指令，后邊將詳述)，再通過GPIO端口輸出低電平至繼電器IN中，使電磁鎖斷電，打開攔截板。如圖7所示。

圖7 攔截板打開流程框圖

③攔截板復位：只有手動控制一種，且在執(zhí)行復位操作時，屏蔽一切攔截板打開功能，并設置30s超時復位斷電保護功能。手動控制：通過點擊HTML頁面中的按鈕給樹莓派發(fā)送“up”指令，樹莓派接收“up”指令并進行比對后，通過GPIO端口輸出高電平至繼電器IN中，使電磁鎖通電。同時，GPIO端口使能L298N電機驅動模塊驅動電機收緊鋼絲繩，當攔截板與電磁鎖吸合時，電磁鎖發(fā)送一個反饋信號給樹莓派，樹莓派解析信號后，先延遲2s消抖，再通過GPIO端口關閉L298N電機驅動模塊，電機停止轉動，攔截板復位完成。如圖8所示。

圖8 攔截板復位流程框圖

2.2 取證子系統(tǒng)

2.2.1 硬件部分概述

樹莓派zero主控板。

樹莓派攝像頭：500萬像素，CSI接口，RGB攝像頭，樹莓派供電。

攝像頭成品如圖9、10所示。

圖9 高空墜物專用攝像頭正視圖

圖10 高空墜物專用攝像頭側視圖

2.2.2 取證應用實現(xiàn)

①移動物體檢測及框選：對采集到的影像先通過GMG算法進行背景建模，再使用概率前景分割算法找到可能的前景并濾除噪聲。然后，計算每一個前景的外圍面積，濾除面積過大或過小的前景，最后把前景的外圍輪廓用矩形框標出[7-8]。如圖11所示。

圖11 運動物體監(jiān)控窗口界面圖

②運動檢測算法改進：視頻流暢度提高：樹莓派攝像頭采樣頻率30幀/s，而OpenCVread()函數(shù)讀取速率2幀/s，這將導致實際運動檢測過程非?？D。本項目中，采用多線程方式重新定義open()函數(shù)、read()函數(shù)，增加OpenCVread()函數(shù)讀取速率。同時，適當縮小圖像分辨率，也可以提高視頻幀讀取速率。經過改進后的運動檢測算法，可以滿足實際運動檢測要求。

③攝像頭驅動攔截板：控制樹莓派攝像頭的樹莓派記為A，控制攔截板的樹莓派記為B，當樹莓派攝像頭檢測到墜物時，A通過WiFi局域網，向B中的服務器直接發(fā)送“down”指令，B解析指令后，再通過GPIO端口輸出低電平至繼電器IN中，使電磁鎖斷電，打開攔截板。

3 系統(tǒng)設計的創(chuàng)新要點分析

3.1 攔截系統(tǒng)與取證系統(tǒng)有效融合，高效利用

傳統(tǒng)安全網結構單一，外觀笨重，沒有監(jiān)控取證功能，只能單一地阻擋從高處拋至的物體，可一旦攔截失敗，在沒有足夠證據(jù)的情況下，往往事故責任認定不清，難于判定責任的劃分。而本產品有效彌補了這一致命缺陷，既兼顧攔截功能，也有監(jiān)控取證功能[9-10]。

3.2 后臺實時監(jiān)控，縮短排障時間

傳統(tǒng)設備只是簡單的純機械裝置或剛性結構，一旦發(fā)生高空墜物事故，管理人員不能第一時間知曉，這樣會延長事故的處置時間，可能造成一些無法挽回的損失。本產品在檢測到高空墜物時能第一時間提醒管理人員，盡最大可能降低高空墜物事故帶來的損失，提高了設備的利用價值。

3.3 墜物攔截裝置安裝方便，美觀可靠

在現(xiàn)有技術中，安全網多為固定網狀結構，占用空間大。固定在建筑物外時，有嚴重的安全隱患，與此同時，也會影響室內采光和樓體的美觀度。所以，到目前為止，現(xiàn)有的安全網還不能安裝在已交付使用的建筑上。本產品占用空間小，待命狀態(tài)時，折疊于樓體外放置，只有在工作狀態(tài)下，會按預定程序展開，實現(xiàn)捕獲墜物的功能；本產品在外觀、顏色等設計上的相關參數(shù)與樓體外墻本身保持相對一致，以最大限度減少對建筑整體外觀的影響。本產品設計的墜物攔截板為可拆卸式，方便更換，同時選用的材料成本低，強度大，符合實際應用的需求。

4 結語

總之，本文介紹的高空墜物攔截與取證系統(tǒng)，將高空墜物攔截裝置和實時監(jiān)控取證系統(tǒng)兩方面相結合，具有結構簡單，節(jié)能降耗，使用壽命長，攔截效果好，對建筑外觀影響小，架構算法先進等特點。在發(fā)生高空墜物時，該系統(tǒng)可以靈活、合理地進行防護，避免墜物對人身或財產造成損害。