基于超聲波探測和云物聯的高空拋物監(jiān)測系統(tǒng)＊

劉菁琪，馮禧龍，張泊墉，鄭雯倩

（合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230009）

隨著土地資源的開發(fā)與現代化建設，萬座高樓拔地而起，高空拋物這一“懸在城市上空的痛”危害著城市治理的綜合發(fā)展。無論是老居民樓的工件老化脫落，還是人為故意高空擲物，高空墜物現象都嚴重影響著居民正常生活。最高法2019 年推出的《高空墜物傷人案件趨勢和特點》報告表明，高空墜物民事案件數逐年上升，其中有近3 成高空墜物民事案件直接造成了人員傷亡[1]。

目前國內外應付高空拋物的措施，大致可以分為事前預防和事后處理2 類[2]。事前預防包括進行禁止高空拋物的宣傳教育及通過立法等手段警示與打擊高空拋物惡疾；而事后處理則是利用設備抓取證據，后期集中力量破案。在事前預防上，中小樓層多選擇在建筑外墻上增設外延防護裝置，用復合承力結構承接高空墜物；在事后追責上，部分高檔社區(qū)設置監(jiān)控攝像頭進行抓拍和視頻錄像，實現檔案留儲和責任追問。

盡管高空拋物的防治方案種類很多，但各有漏洞與缺陷[3]。物理攔截墜物的裝置不僅丑化了建筑造型，還會因老化而提高后期維護的成本；監(jiān)控錄像手段存在被動發(fā)現、誤拍率高、視頻時段定位難、成本高、保護隱私難等缺點。例如，香港房署配備了全新的高空擲物數碼監(jiān)察系統(tǒng)來防治高空拋物行為，設置鏡頭對準高空目標單位，當有物體下墜時，系統(tǒng)快速感知捕捉，并及時通知工作人員追責對應單位拋物者[4]。但即使技術已足夠強大，能擔負得起價值數十萬港幣新系統(tǒng)的用戶屈指可數，且數碼監(jiān)控系統(tǒng)對于用戶隱私的保護也存在一定的威脅。

為響應社會需求，本文基于超聲波測距原理和云物聯技術，設計出一種高空拋物監(jiān)測系統(tǒng)。與現有手段相比，本系統(tǒng)具有靈敏度高、追責易、成本低、受天氣環(huán)境影響小等優(yōu)點[5]，能夠精確溯源高空拋物的具體位置并有效排除誤報。

1 總體方案設計

1.1 硬件總體邏輯

高空拋物智能監(jiān)測系統(tǒng)的硬件安裝方案如圖1 所示，其中主要包括太陽能供電模塊、超聲波傳感器、51 單片機控制、Wi-Fi 信號連接模塊和云端控制模塊。

圖1 高空拋物監(jiān)測系統(tǒng)安裝示意圖

超聲波傳感器安裝在建筑物窗戶正下方并朝向前方。當有物體從某一窗口遞出并墜落時，初始墜物窗口及其以下窗口設置的超聲波傳感器將檢測到墜物經過信號，傳回相對應的單片機，并通過Wi-Fi 模塊發(fā)送到云端監(jiān)控服務器。云端服務器接收到各個Wi-Fi模塊傳輸的電平信號，通過算法判斷是否為高空墜物及其墜物樓層并將結果反映至本地PC 端進行監(jiān)控。

1.2 軟件總體邏輯

內部信號連接如圖2 所示。

圖2 信號傳輸及連接過程

具體的工作過程如下：①開啟單片機及超聲波傳感器后，系統(tǒng)進行初始化，通過Wi-Fi 連接上本地PC端后系統(tǒng)正式開始工作，同時PC 上位機將各單片機的位置集合成一個數組，以行為樓層，以列為同一樓層不同的窗戶位置。初始二維數組為零數組，代表沒有任何終端向上位機發(fā)送位置信息。②單片機不斷向超聲波傳感器發(fā)出脈沖使之工作，并根據其傳輸的信號計算出距離量。當傳感器前有墜物通過后，所測距離量小于閾值，單片機判斷出有墜物經過。③判斷完成后，單片機通過無線模塊發(fā)送自身位置信息給PC 終端上位機。④上位機接收到單片機發(fā)送的信號后，提取其發(fā)送信號的位置信息，并根據位置信息將數組對應位置置為1，即代表該位置有墜物經過。⑤此時PC 機工作在多線程模式，有一線程在對數組進行超高頻率的掃描。從高樓層向低樓層掃描，掃描到的第一個非零位置，即代表初始墜物點；如沒要掃描到非零元素，即代表沒有墜物通過。⑥當掃描到初始墜物點（非零點）后，系統(tǒng)進入防誤報判斷，對數組初始點的對應位置的一整列進行累加，若累加值小于墜物初始點的樓層數，即代表墜物并沒有直線降落，即可判斷為飛鳥等非墜物物體。⑦若判斷為墜物，上位機將墜物信息保存到數據庫中，供安保人員查詢追責。⑧該輪判斷結束后，系統(tǒng)將數組快速清零，等待新一輪的判斷。

2 系統(tǒng)功能模塊

2.1 太陽能供電模塊

該模塊有太陽能電池板發(fā)電電路、TP4056 充放電保護電路、鋰電池升壓電路（XL6009 升壓）、USB輸出電路，輸出電壓穩(wěn)定在5 Ⅴ，可直接供電單片機與Wi-Fi 模塊。

系統(tǒng)整體電路原理圖如圖3 所示。太陽能電池板為9 Ⅴ多晶硅類的發(fā)電元件，吸收能量發(fā)電后經過L7805CⅤ芯片穩(wěn)壓，將電壓穩(wěn)在5 Ⅴ，然后經過TP4056模塊為鋰電池進行充放電。由于鋰電池的電壓為3.7～4.2 Ⅴ，和單片機等電路所需的5 Ⅴ有電壓差，所以用升壓模塊將3.7 Ⅴ的電壓升到5 Ⅴ來給設備供電[6]。此外，電容為濾波作用，濾除電路中的低頻參量，穩(wěn)定電源輸出[7]。該系統(tǒng)有充足的陽光照耀就可以正常使用，電量可即發(fā)即用[8]，亦可存儲于鋰電池。陽光照射下，若鋰電池為充電狀態(tài)，則TP4056 亮紅燈提示；若為滿電狀態(tài)，則亮藍光提示。太陽能供電設計時有效借助建筑結構并利用太陽能這一清潔能源供電硬件系統(tǒng)。

圖3 供電邏輯圖

2.2 超聲波檢測模塊

超聲波檢測模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。HC-SR04 超聲波測距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，誤差率為4%，測量角度為15°，測距精度可達高到3 mm[9-11]，能夠較為理想地內覆蓋窗口擲物范圍。超聲波傳感器原理如圖4 所示。

圖4 超聲波傳感器原理示意

首先由單片機的GPIO 口向超聲波發(fā)送模塊傳輸高電平信號使能超聲波發(fā)送模塊。超聲波發(fā)送模塊使能后，發(fā)出8 個40 kHz 的方波[12]。

單片機為超聲波傳輸模塊提供10 μs 以上的脈沖觸發(fā)信號，超聲波傳輸模塊內部將發(fā)出8 個40 kHz 周期電平并檢測[13]。一旦超聲波接收器檢測到有回波信號，則向單片機輸出一個高電平的回響信號，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)送到返回的時間?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測的距離成正比，利用發(fā)射信號與回響信號之間的時間間隔可計算得到距離[14]。

單片機通過IO 接收情況判斷，若高電平持續(xù)時間變短，說明有物體經過使測距變短，即提前中斷了超聲波正常的反射與接收。在程序中提前聲明一個變量用來寄存正常無墜物情況下高電平持續(xù)時間，從而進行比較。但判斷物體經過事件為真，單片機通過Wi-Fi模塊向云端服務器發(fā)送信號。

2.3 信號傳輸模塊

信號傳輸單元聯系超聲波檢測模塊、系統(tǒng)控制模塊與無線網絡及云端模塊。系統(tǒng)控制模塊為STC51 單片機，用于接收檢測模塊傳遞的電平信號并進行處理，通過無線網絡模塊傳輸至云端服務器進行監(jiān)控。系統(tǒng)控制模塊通過電信號與檢測模塊連接，通過無線網絡模塊與云端服務器進行信號連接。無線網絡模塊利用ESP8266 芯片設計串口轉Wi-Fi 模塊，將各個信號檢測傳輸單元的數據電平信號發(fā)送到云端服務器。

STC51 單片機終端不斷激活超聲波模塊進行測距，當有墜物經過時，所測距離會小于所設置的閾值，此時單片機基于TCP/IP 協(xié)議向上位機發(fā)送信號，這個信號內容是樓層位置編號，以4 層樓建筑為例，則信號內容為1、2、3、4。

上位機接收到信號后根據位置信息將初始設置的零矩陣的對應位置置為1，同時上位機還有一個線程對這個數組矩陣進行高頻率掃描，從上往下，從左往右，掃描到的第一個矩陣非零位置就是墜物下落的初始位置。若矩陣一直為0 矩陣，就代表沒有墜物出現，不會進入判斷程序。當捕捉到初始位置后，進入判斷程序，對初始為置這一列的元素進行累加，累加之和若大于一定值，則判斷其為墜物信號，如初始位置層數為3 層時，3 是定值判斷依據，累加和大于3 則系統(tǒng)將其記錄，反之則不予處理。當這一輪判斷結束，立刻將矩陣清零。等待下一輪墜物出現，從而實現高頻率的檢測和判斷。系統(tǒng)檢測速度極快，數據量極小且成本低。

2.4 云端監(jiān)控模塊

云端服務器接收各個信號檢測單元發(fā)送的數據電平信號，實時生成一組總的二維數組以反映各監(jiān)控點的電平信號。通過預置在云服務器的程序算法對其進行分析判斷，追溯初始的信號變化源，按照各檢測點按樓層與方位提前預置于服務器中的編號即可確定拋物樓層、方位并定責。

在服務器上建立TCP 服務器端，在本地PC 上建立TCP 客戶端，使得本地的PC 端能夠實時訪問云端服務器并顯示運行的過程和結果。從而方便安保人員進行查看，Wi-Fi 模塊與云服務器、云服務與PC 端之間均采用TCP 通信協(xié)議。系統(tǒng)終端通過云端服務器接收信號檢測傳輸單元所傳輸的電平信號，通過算法判斷是否為高空墜物；所述安保系統(tǒng)終端通過信號檢測傳輸單元所反饋的信號來進行實時監(jiān)控。

若數組的同一行（層）信號源在進行或邏輯運算后形成的新一維數組未產生連續(xù)變化，則不判斷為墜物出現，以此排除誤報。

3 方案驗證

搭建2 行2 列的墻體結構并排列硬件實物。設置臨近地面第一層即為第一行，向上則行號增大；最左邊為第一列，從左向右列數依次增大。

3.1 墜物檢測

當有墜物從第二層第一列窗戶落下時，順次經過（2，1）（1，1）窗口，則系統(tǒng)檢測為“是墜物信號”，并判斷“墜物發(fā)生在第二層，從左往右第一扇窗戶”。同理，當有墜物從第二層第二列窗戶落下時，順次經過（2，2）（1，2）窗口，則系統(tǒng)檢測為“是墜物信號”，并判斷“墜物發(fā)生在第二層，從左往右第二扇窗戶”。

3.2 排除誤報

當設置墜物經過第二層第一列窗戶，橫向轉移到第二層第二列窗戶，或斜移至第一層第二列窗戶，即路徑為（2，1）（2，2）或（2，1）（1，2），則系統(tǒng)可檢測到初始位置為“第二層，從左往右第一扇窗戶”，并判斷為“非墜物信號”。

驗證結果如圖5 所示。

圖5 驗證結果

4 結束語

本文提出的高空拋物監(jiān)測系統(tǒng)借助太陽能供電，運用超聲波傳感和云端管理，實現了墜物檢測、責任溯源和誤報排除的功能。相較于傳統(tǒng)網格攔截墜物的不美觀、攝像監(jiān)控記錄存在的巨大數據存儲量等缺陷，系統(tǒng)以輕量化、高精度和低成本的優(yōu)勢有效記錄并追責墜物事件，有利于開拓其應用市場，實現高空拋物防治的普及。