基于超声波探测和云物联的高空抛物监测系统＊

2023-03-15刘菁琪冯禧龙张泊墉郑雯倩

科技与创新 2023年5期

刘菁琪，冯禧龙，张泊墉，郑雯倩

（合肥工业大学，安徽合肥 230009）

随着土地资源的开发与现代化建设，万座高楼拔地而起，高空抛物这一“悬在城市上空的痛”危害着城市治理的综合发展。无论是老居民楼的工件老化脱落，还是人为故意高空掷物，高空坠物现象都严重影响着居民正常生活。最高法2019 年推出的《高空坠物伤人案件趋势和特点》报告表明，高空坠物民事案件数逐年上升，其中有近3 成高空坠物民事案件直接造成了人员伤亡[1]。

目前国内外应付高空抛物的措施，大致可以分为事前预防和事后处理2 类[2]。事前预防包括进行禁止高空抛物的宣传教育及通过立法等手段警示与打击高空抛物恶疾；而事后处理则是利用设备抓取证据，后期集中力量破案。在事前预防上，中小楼层多选择在建筑外墙上增设外延防护装置，用复合承力结构承接高空坠物；在事后追责上，部分高档社区设置监控摄像头进行抓拍和视频录像，实现档案留储和责任追问。

尽管高空抛物的防治方案种类很多，但各有漏洞与缺陷[3]。物理拦截坠物的装置不仅丑化了建筑造型，还会因老化而提高后期维护的成本；监控录像手段存在被动发现、误拍率高、视频时段定位难、成本高、保护隐私难等缺点。例如，香港房署配备了全新的高空掷物数码监察系统来防治高空抛物行为，设置镜头对准高空目标单位，当有物体下坠时，系统快速感知捕捉，并及时通知工作人员追责对应单位抛物者[4]。但即使技术已足够强大，能担负得起价值数十万港币新系统的用户屈指可数，且数码监控系统对于用户隐私的保护也存在一定的威胁。

为响应社会需求，本文基于超声波测距原理和云物联技术，设计出一种高空抛物监测系统。与现有手段相比，本系统具有灵敏度高、追责易、成本低、受天气环境影响小等优点[5]，能够精确溯源高空抛物的具体位置并有效排除误报。

1 总体方案设计

1.1 硬件总体逻辑

高空抛物智能监测系统的硬件安装方案如图1 所示，其中主要包括太阳能供电模块、超声波传感器、51 单片机控制、Wi-Fi 信号连接模块和云端控制模块。

图1 高空抛物监测系统安装示意图

超声波传感器安装在建筑物窗户正下方并朝向前方。当有物体从某一窗口递出并坠落时，初始坠物窗口及其以下窗口设置的超声波传感器将检测到坠物经过信号，传回相对应的单片机，并通过Wi-Fi 模块发送到云端监控服务器。云端服务器接收到各个Wi-Fi模块传输的电平信号，通过算法判断是否为高空坠物及其坠物楼层并将结果反映至本地PC 端进行监控。

1.2 软件总体逻辑

内部信号连接如图2 所示。

图2 信号传输及连接过程

具体的工作过程如下：①开启单片机及超声波传感器后，系统进行初始化，通过Wi-Fi 连接上本地PC端后系统正式开始工作，同时PC 上位机将各单片机的位置集合成一个数组，以行为楼层，以列为同一楼层不同的窗户位置。初始二维数组为零数组，代表没有任何终端向上位机发送位置信息。②单片机不断向超声波传感器发出脉冲使之工作，并根据其传输的信号计算出距离量。当传感器前有坠物通过后，所测距离量小于阈值，单片机判断出有坠物经过。③判断完成后，单片机通过无线模块发送自身位置信息给PC 终端上位机。④上位机接收到单片机发送的信号后，提取其发送信号的位置信息，并根据位置信息将数组对应位置置为1，即代表该位置有坠物经过。⑤此时PC 机工作在多线程模式，有一线程在对数组进行超高频率的扫描。从高楼层向低楼层扫描，扫描到的第一个非零位置，即代表初始坠物点；如没要扫描到非零元素，即代表没有坠物通过。⑥当扫描到初始坠物点（非零点）后，系统进入防误报判断，对数组初始点的对应位置的一整列进行累加，若累加值小于坠物初始点的楼层数，即代表坠物并没有直线降落，即可判断为飞鸟等非坠物物体。⑦若判断为坠物，上位机将坠物信息保存到数据库中，供安保人员查询追责。⑧该轮判断结束后，系统将数组快速清零，等待新一轮的判断。

2 系统功能模块

2.1 太阳能供电模块

该模块有太阳能电池板发电电路、TP4056 充放电保护电路、锂电池升压电路（XL6009 升压）、USB输出电路，输出电压稳定在5 Ⅴ，可直接供电单片机与Wi-Fi 模块。

系统整体电路原理图如图3 所示。太阳能电池板为9 Ⅴ多晶硅类的发电元件，吸收能量发电后经过L7805CⅤ芯片稳压，将电压稳在5 Ⅴ，然后经过TP4056模块为锂电池进行充放电。由于锂电池的电压为3.7～4.2 Ⅴ，和单片机等电路所需的5 Ⅴ有电压差，所以用升压模块将3.7 Ⅴ的电压升到5 Ⅴ来给设备供电[6]。此外，电容为滤波作用，滤除电路中的低频参量，稳定电源输出[7]。该系统有充足的阳光照耀就可以正常使用，电量可即发即用[8]，亦可存储于锂电池。阳光照射下，若锂电池为充电状态，则TP4056 亮红灯提示；若为满电状态，则亮蓝光提示。太阳能供电设计时有效借助建筑结构并利用太阳能这一清洁能源供电硬件系统。

图3 供电逻辑图

2.2 超声波检测模块

超声波检测模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。HC-SR04 超声波测距模块可提供2～400 cm的非接触式距离感测功能，误差率为4%，测量角度为15°，测距精度可达高到3 mm[9-11]，能够较为理想地内覆盖窗口掷物范围。超声波传感器原理如图4 所示。

图4 超声波传感器原理示意

首先由单片机的GPIO 口向超声波发送模块传输高电平信号使能超声波发送模块。超声波发送模块使能后，发出8 个40 kHz 的方波[12]。

单片机为超声波传输模块提供10 μs 以上的脉冲触发信号，超声波传输模块内部将发出8 个40 kHz 周期电平并检测[13]。一旦超声波接收器检测到有回波信号，则向单片机输出一个高电平的回响信号，高电平持续的时间就是超声波从发送到返回的时间。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比，利用发射信号与回响信号之间的时间间隔可计算得到距离[14]。

单片机通过IO 接收情况判断，若高电平持续时间变短，说明有物体经过使测距变短，即提前中断了超声波正常的反射与接收。在程序中提前声明一个变量用来寄存正常无坠物情况下高电平持续时间，从而进行比较。但判断物体经过事件为真，单片机通过Wi-Fi模块向云端服务器发送信号。

2.3 信号传输模块

信号传输单元联系超声波检测模块、系统控制模块与无线网络及云端模块。系统控制模块为STC51 单片机，用于接收检测模块传递的电平信号并进行处理，通过无线网络模块传输至云端服务器进行监控。系统控制模块通过电信号与检测模块连接，通过无线网络模块与云端服务器进行信号连接。无线网络模块利用ESP8266 芯片设计串口转Wi-Fi 模块，将各个信号检测传输单元的数据电平信号发送到云端服务器。

STC51 单片机终端不断激活超声波模块进行测距，当有坠物经过时，所测距离会小于所设置的阈值，此时单片机基于TCP/IP 协议向上位机发送信号，这个信号内容是楼层位置编号，以4 层楼建筑为例，则信号内容为1、2、3、4。

上位机接收到信号后根据位置信息将初始设置的零矩阵的对应位置置为1，同时上位机还有一个线程对这个数组矩阵进行高频率扫描，从上往下，从左往右，扫描到的第一个矩阵非零位置就是坠物下落的初始位置。若矩阵一直为0 矩阵，就代表没有坠物出现，不会进入判断程序。当捕捉到初始位置后，进入判断程序，对初始为置这一列的元素进行累加，累加之和若大于一定值，则判断其为坠物信号，如初始位置层数为3 层时，3 是定值判断依据，累加和大于3 则系统将其记录，反之则不予处理。当这一轮判断结束，立刻将矩阵清零。等待下一轮坠物出现，从而实现高频率的检测和判断。系统检测速度极快，数据量极小且成本低。

2.4 云端监控模块

云端服务器接收各个信号检测单元发送的数据电平信号，实时生成一组总的二维数组以反映各监控点的电平信号。通过预置在云服务器的程序算法对其进行分析判断，追溯初始的信号变化源，按照各检测点按楼层与方位提前预置于服务器中的编号即可确定抛物楼层、方位并定责。

在服务器上建立TCP 服务器端，在本地PC 上建立TCP 客户端，使得本地的PC 端能够实时访问云端服务器并显示运行的过程和结果。从而方便安保人员进行查看，Wi-Fi 模块与云服务器、云服务与PC 端之间均采用TCP 通信协议。系统终端通过云端服务器接收信号检测传输单元所传输的电平信号，通过算法判断是否为高空坠物；所述安保系统终端通过信号检测传输单元所反馈的信号来进行实时监控。

若数组的同一行（层）信号源在进行或逻辑运算后形成的新一维数组未产生连续变化，则不判断为坠物出现，以此排除误报。