高空坠物拦截与取证系统的设计分析

2021-12-13李秋昊贾晓强

电子元器件与信息技术 2021年8期

李秋昊，贾晓强

（内蒙古工业大学信息工程学院，内蒙古呼和浩特 010100）

0 引言

2020年5月，十三届全国人大三次会议表决通过了《中华人民共和国民法典》。针对高空抛物坠物事件，该法典明确规定：“禁止从建筑物中抛掷物品。从建筑物中抛掷物品或者从建筑物上坠落的物品造成他人损害的，由侵权人依法承担侵权责任”。为明确责任主体，《民法典》规定物业、建筑公司等管理单位，应当采取一定的安全防护措施，严防高空坠物的事故发生。基于上述情况，本文设计了一款高空坠物拦截与取证的防护系统，起到了避免高空坠物造成安全事故，以及为高空坠物造成的纠纷提供可查依据的作用。

1 高空坠物拦截与取证系统设计概述

1.1 高空坠物拦截与取证系统的构建

高空坠物拦截与取证系统分为坠物拦截子系统和取证子系统，每个子系统中的每个设备都由各自的树莓派主控板控制，每个树莓派主控板均需连接到相同的WiFi上，进行无线局域网通信。在局域网中，一方子系统中的各个设备，可以访问另一方子系统中的各个设备，从而实现互通互联。各子系统中设置坠物探测方式，二者之间相互配合，互补完成各个子系统功能，从而提高系统坠物拦截与取证功能的使用效果[1-2]。如图1所示。

图1 系统原理图

1.2 设计优点

（1）坠物检测方式有两种：①坠物拦截子系统中的雷达探测坠物。②取证子系统中视频识别探测坠物。两种方式中任意一种方式探测到高空坠物，都可以启动拦截板、记录此刻视频监控时间以及发出警告信息。

（2）将高空坠物捕获装置和取证设备巧妙结合，形成了一套完整的捕获+取证系统，弥补了传统防坠网的不足之处。

（3）高空坠物拦截器，该设计主要是将拦截板与建筑外墙通过铰链活动链接，自动收线器的拉绳与拦截板顶端活动连接，通过少量机械结构实现设备展开的整体过程，结构简单。高空坠物拦截器在待机状态下，通过电磁锁锁闭；拦截板平常通过锁闭装置收缩在建筑外墙，降低老化速度，延长设备的使用寿命，同时收缩体积，减少对建筑外观的影响。此外，拦截板的拦截面采用吸能材料制成，进而降低坠物二次反弹的几率，充分发挥拦截效果[3-4]。高空坠物拦截器如图2所示。同时，高空坠物拦截器由坠物拦截系统设备控制箱操控，如图3、4、5所示。

图2 高空坠物拦截器实物图

图3 高空坠物拦截器控制箱

图4 高空坠物拦截器控制箱外设接口

图5 高空坠物拦截器控制箱主控板调试接口

2 高空坠物拦截与取证系统具体设计分析

2.1 坠物拦截子系统

2.1.1 硬件部分概述

①微波雷达模块：该模块是利用多普勒雷达原理设计的微波移动物体探测器。本项目中，通过对短接点短接，将感应距离设为10m以内。该模块在探测到坠物时，能在1s内触发拦截板展开，拦截坠物。

②树莓派(4B)主控板：是基于Linux系统只有信用卡大小的微型电脑。本项目在实验过程中，采用两个树莓派主控板。一个用在坠物拦截子系统中：控制微波雷达模块、电机、绞盘等实现对拦截板的控制；另一个用在取证子系统中：进行图像处理、视频传输等功能。二者之间通过WiFi局域网进行通信。

③微型直流减速电机：通过齿轮调速，降低转速，增大扭矩，用于拦截板的回收。

④电磁锁：通电磁吸力产生，吸住拦截板。断电磁吸力消失，打开拦截板。

⑤继电器：是一种电控制器件，当输入量的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。本项目在实验过程中，通过树莓派GPIO端口在继电器输入回路输入不同等级的电压，来间接控制位于继电器输出回路的电磁锁电源电路的通断。由于树莓派I/O输出电压为0至3.3V，所以，需要经过升压模块转换为0至5V电压才可驱动继电器。另外，树莓派GPIO.1端口和GPIO.7端口没有锁存功能，即在置高电平或低电平一段时间后，会自动复位至2V左右，实验中需要选用其他GPIO端口进行操作[5-6]。

⑥L298N电机驱动模块：该模块在使能状态下，通过接收不同的控制信号，实现电机的正转和反转，并可以增大电机驱动能力。

2.1.2 电路部分概述

①电源电路：提供3.3V、5V、6V、12V电压，分别用于树莓派、继电器、绞盘、电磁锁的供电。

②继电器控制电路：+12V接COM，-12V接电磁锁负极，NO(常开)接电磁锁正极，VCC接+5V，GND接地，IN接树莓派GPIO端口。当IN为高电平，电磁锁电源电路接通，电磁锁吸住拦截板；当IN为低电平，电磁锁电源电路断开，电磁锁打开拦截板。

③坠物检测电路：由微波雷达模块和树莓派组成。当没有坠物时，树莓派GPIO端口输出高电平至继电器IN中，吸住拦截板。当微波雷达模块探测到坠物时，通过GPIO端口输入高电平信号至树莓派中，树莓派处理后，通过其它GPIO端口输出低电平至继电器IN中，打开拦截板。

2.1.3 拦截器应用实现

①HTML控制页面的建立：在树莓派中建立服务器，由服务器分配IP端口供客户端登录HTML页面。在网页中，点击每个按钮都可以返回不同的字符串指令，字符串指令传回到树莓派中进行对比，从而执行拦截板的手动打开及复位动作。同时，该页面还具有实时影像查看功能。如图6所示。

图6 HTML页面

②拦截板打开：分为手动控制和自动控制两种，这两种控制方式属于同等优先级。手动控制：通过点击HTML页面中的按钮给树莓派发送“down”指令，树莓派接收“down”指令并进行比对后，通过GPIO端口输出低电平至继电器IN中，使电磁锁断电，打开拦截板。自动控制：当微波雷达模块探测到坠物后，通过GPIO端口输入高电平，树莓派自动解析为“down”指令(或树莓派摄像头检测到坠物后，通过WiFi传送“down”指令，后边将详述)，再通过GPIO端口输出低电平至继电器IN中，使电磁锁断电，打开拦截板。如图7所示。

图7 拦截板打开流程框图

③拦截板复位：只有手动控制一种，且在执行复位操作时，屏蔽一切拦截板打开功能，并设置30s超时复位断电保护功能。手动控制：通过点击HTML页面中的按钮给树莓派发送“up”指令，树莓派接收“up”指令并进行比对后，通过GPIO端口输出高电平至继电器IN中，使电磁锁通电。同时，GPIO端口使能L298N电机驱动模块驱动电机收紧钢丝绳，当拦截板与电磁锁吸合时，电磁锁发送一个反馈信号给树莓派，树莓派解析信号后，先延迟2s消抖，再通过GPIO端口关闭L298N电机驱动模块，电机停止转动，拦截板复位完成。如图8所示。

图8 拦截板复位流程框图

2.2 取证子系统

2.2.1 硬件部分概述

树莓派zero主控板。

树莓派摄像头：500万像素，CSI接口，RGB摄像头，树莓派供电。

摄像头成品如图9、10所示。

图9 高空坠物专用摄像头正视图

图10 高空坠物专用摄像头侧视图

2.2.2 取证应用实现

①移动物体检测及框选：对采集到的影像先通过GMG算法进行背景建模，再使用概率前景分割算法找到可能的前景并滤除噪声。然后，计算每一个前景的外围面积，滤除面积过大或过小的前景，最后把前景的外围轮廓用矩形框标出[7-8]。如图11所示。

图11 运动物体监控窗口界面图

②运动检测算法改进：视频流畅度提高：树莓派摄像头采样频率30帧/s，而OpenCVread()函数读取速率2帧/s，这将导致实际运动检测过程非常卡顿。本项目中，采用多线程方式重新定义open()函数、read()函数，增加OpenCVread()函数读取速率。同时，适当缩小图像分辨率，也可以提高视频帧读取速率。经过改进后的运动检测算法，可以满足实际运动检测要求。

③摄像头驱动拦截板：控制树莓派摄像头的树莓派记为A，控制拦截板的树莓派记为B，当树莓派摄像头检测到坠物时，A通过WiFi局域网，向B中的服务器直接发送“down”指令，B解析指令后，再通过GPIO端口输出低电平至继电器IN中，使电磁锁断电，打开拦截板。

3 系统设计的创新要点分析

3.1 拦截系统与取证系统有效融合，高效利用

传统安全网结构单一，外观笨重，没有监控取证功能，只能单一地阻挡从高处抛至的物体，可一旦拦截失败，在没有足够证据的情况下，往往事故责任认定不清，难于判定责任的划分。而本产品有效弥补了这一致命缺陷，既兼顾拦截功能，也有监控取证功能[9-10]。

3.2 后台实时监控，缩短排障时间

传统设备只是简单的纯机械装置或刚性结构，一旦发生高空坠物事故，管理人员不能第一时间知晓，这样会延长事故的处置时间，可能造成一些无法挽回的损失。本产品在检测到高空坠物时能第一时间提醒管理人员，尽最大可能降低高空坠物事故带来的损失，提高了设备的利用价值。

3.3 坠物拦截装置安装方便，美观可靠

在现有技术中，安全网多为固定网状结构，占用空间大。固定在建筑物外时，有严重的安全隐患，与此同时，也会影响室内采光和楼体的美观度。所以，到目前为止，现有的安全网还不能安装在已交付使用的建筑上。本产品占用空间小，待命状态时，折叠于楼体外放置，只有在工作状态下，会按预定程序展开，实现捕获坠物的功能；本产品在外观、颜色等设计上的相关参数与楼体外墙本身保持相对一致，以最大限度减少对建筑整体外观的影响。本产品设计的坠物拦截板为可拆卸式，方便更换，同时选用的材料成本低，强度大，符合实际应用的需求。