劉菁琪，馮禧龍，張泊墉，鄭雯倩

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

隨著土地資源的開(kāi)發(fā)與現(xiàn)代化建設(shè)，萬(wàn)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(wú)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(xiàn)象都嚴(yán)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(shì)和特點(diǎn)》報(bào)告表明，高空墜物民事案件數(shù)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(guó)內(nèi)外應(yīng)付高空拋物的措施，大致可以分為事前預(yù)防和事后處理2 類(lèi)[2]。事前預(yù)防包括進(jìn)行禁止高空拋物的宣傳教育及通過(guò)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(shè)備抓取證據(jù)，后期集中力量破案。在事前預(yù)防上，中小樓層多選擇在建筑外墻上增設(shè)外延防護(hù)裝置，用復(fù)合承力結(jié)構(gòu)承接高空墜物；在事后追責(zé)上，部分高檔社區(qū)設(shè)置監(jiān)控?cái)z像頭進(jìn)行抓拍和視頻錄像，實(shí)現(xiàn)檔案留儲(chǔ)和責(zé)任追問(wèn)。

盡管高空拋物的防治方案種類(lèi)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(huì)因老化而提高后期維護(hù)的成本；監(jiān)控錄像手段存在被動(dòng)發(fā)現(xiàn)、誤拍率高、視頻時(shí)段定位難、成本高、保護(hù)隱私難等缺點(diǎn)。例如，香港房署配備了全新的高空擲物數(shù)碼監(jiān)察系統(tǒng)來(lái)防治高空拋物行為，設(shè)置鏡頭對(duì)準(zhǔn)高空目標(biāo)單位，當(dāng)有物體下墜時(shí)，系統(tǒng)快速感知捕捉，并及時(shí)通知工作人員追責(zé)對(duì)應(yīng)單位拋物者[4]。但即使技術(shù)已足夠強(qiáng)大，能擔(dān)負(fù)得起價(jià)值數(shù)十萬(wàn)港幣新系統(tǒng)的用戶屈指可數(shù)，且數(shù)碼監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于用戶隱私的保護(hù)也存在一定的威脅。

為響應(yīng)社會(huì)需求，本文基于超聲波測(cè)距原理和云物聯(lián)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種高空拋物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。與現(xiàn)有手段相比，本系統(tǒng)具有靈敏度高、追責(zé)易、成本低、受天氣環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[5]，能夠精確溯源高空拋物的具體位置并有效排除誤報(bào)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 硬件總體邏輯

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

圖1 高空拋物監(jiān)測(cè)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(dāng)有物體從某一窗口遞出并墜落時(shí)，初始?jí)嬑锎翱诩捌湟韵麓翱谠O(shè)置的超聲波傳感器將檢測(cè)到墜物經(jīng)過(guò)信號(hào)，傳回相對(duì)應(yīng)的單片機(jī)，并通過(guò)Wi-Fi 模塊發(fā)送到云端監(jiān)控服務(wù)器。云端服務(wù)器接收到各個(gè)Wi-Fi模塊傳輸?shù)碾娖叫盘?hào)，通過(guò)算法判斷是否為高空墜物及其墜物樓層并將結(jié)果反映至本地PC 端進(jìn)行監(jiān)控。

1.2 軟件總體邏輯

內(nèi)部信號(hào)連接如圖2 所示。

圖2 信號(hào)傳輸及連接過(guò)程

具體的工作過(guò)程如下：①開(kāi)啟單片機(jī)及超聲波傳感器后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，通過(guò)Wi-Fi 連接上本地PC端后系統(tǒng)正式開(kāi)始工作，同時(shí)PC 上位機(jī)將各單片機(jī)的位置集合成一個(gè)數(shù)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(shù)組為零數(shù)組，代表沒(méi)有任何終端向上位機(jī)發(fā)送位置信息。②單片機(jī)不斷向超聲波傳感器發(fā)出脈沖使之工作，并根據(jù)其傳輸?shù)男盘?hào)計(jì)算出距離量。當(dāng)傳感器前有墜物通過(guò)后，所測(cè)距離量小于閾值，單片機(jī)判斷出有墜物經(jīng)過(guò)。③判斷完成后，單片機(jī)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送自身位置信息給PC 終端上位機(jī)。④上位機(jī)接收到單片機(jī)發(fā)送的信號(hào)后，提取其發(fā)送信號(hào)的位置信息，并根據(jù)位置信息將數(shù)組對(duì)應(yīng)位置置為1，即代表該位置有墜物經(jīng)過(guò)。⑤此時(shí)PC 機(jī)工作在多線程模式，有一線程在對(duì)數(shù)組進(jìn)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(gè)非零位置，即代表初始?jí)嬑稂c(diǎn)；如沒(méi)要掃描到非零元素，即代表沒(méi)有墜物通過(guò)。⑥當(dāng)掃描到初始?jí)嬑稂c(diǎn)（非零點(diǎn)）后，系統(tǒng)進(jìn)入防誤報(bào)判斷，對(duì)數(shù)組初始點(diǎn)的對(duì)應(yīng)位置的一整列進(jìn)行累加，若累加值小于墜物初始點(diǎn)的樓層數(shù)，即代表墜物并沒(méi)有直線降落，即可判斷為飛鳥(niǎo)等非墜物物體。⑦若判斷為墜物，上位機(jī)將墜物信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，供安保人員查詢追責(zé)。⑧該輪判斷結(jié)束后，系統(tǒng)將數(shù)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(yáng)能供電模塊

該模塊有太陽(yáng)能電池板發(fā)電電路、TP4056 充放電保護(hù)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(jī)與Wi-Fi 模塊。

系統(tǒng)整體電路原理圖如圖3 所示。太陽(yáng)能電池板為9 Ⅴ多晶硅類(lèi)的發(fā)電元件，吸收能量發(fā)電后經(jīng)過(guò)L7805CⅤ芯片穩(wěn)壓，將電壓穩(wěn)在5 Ⅴ，然后經(jīng)過(guò)TP4056模塊為鋰電池進(jìn)行充放電。由于鋰電池的電壓為3.7～4.2 Ⅴ，和單片機(jī)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(lái)給設(shè)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(yáng)光照耀就可以正常使用，電量可即發(fā)即用[8]，亦可存儲(chǔ)于鋰電池。陽(yáng)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(lán)光提示。太陽(yáng)能供電設(shè)計(jì)時(shí)有效借助建筑結(jié)構(gòu)并利用太陽(yáng)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(cè)模塊

超聲波檢測(cè)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(cè)距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，誤差率為4%，測(cè)量角度為15°，測(cè)距精度可達(dá)高到3 mm[9-11]，能夠較為理想地內(nèi)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(jī)的GPIO 口向超聲波發(fā)送模塊傳輸高電平信號(hào)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(gè)40 kHz 的方波[12]。

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

單片機(jī)通過(guò)IO 接收情況判斷，若高電平持續(xù)時(shí)間變短，說(shuō)明有物體經(jīng)過(guò)使測(cè)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(gè)變量用來(lái)寄存正常無(wú)墜物情況下高電平持續(xù)時(shí)間，從而進(jìn)行比較。但判斷物體經(jīng)過(guò)事件為真，單片機(jī)通過(guò)Wi-Fi模塊向云端服務(wù)器發(fā)送信號(hào)。

2.3 信號(hào)傳輸模塊

信號(hào)傳輸單元聯(lián)系超聲波檢測(cè)模塊、系統(tǒng)控制模塊與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及云端模塊。系統(tǒng)控制模塊為STC51 單片機(jī)，用于接收檢測(cè)模塊傳遞的電平信號(hào)并進(jìn)行處理，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸至云端服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)控制模塊通過(guò)電信號(hào)與檢測(cè)模塊連接，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊與云端服務(wù)器進(jìn)行信號(hào)連接。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊利用ESP8266 芯片設(shè)計(jì)串口轉(zhuǎn)Wi-Fi 模塊，將各個(gè)信號(hào)檢測(cè)傳輸單元的數(shù)據(jù)電平信號(hào)發(fā)送到云端服務(wù)器。

STC51 單片機(jī)終端不斷激活超聲波模塊進(jìn)行測(cè)距，當(dāng)有墜物經(jīng)過(guò)時(shí)，所測(cè)距離會(huì)小于所設(shè)置的閾值，此時(shí)單片機(jī)基于TCP/IP 協(xié)議向上位機(jī)發(fā)送信號(hào)，這個(gè)信號(hào)內(nèi)容是樓層位置編號(hào)，以4 層樓建筑為例，則信號(hào)內(nèi)容為1、2、3、4。

上位機(jī)接收到信號(hào)后根據(jù)位置信息將初始設(shè)置的零矩陣的對(duì)應(yīng)位置置為1，同時(shí)上位機(jī)還有一個(gè)線程對(duì)這個(gè)數(shù)組矩陣進(jìn)行高頻率掃描，從上往下，從左往右，掃描到的第一個(gè)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(méi)有墜物出現(xiàn)，不會(huì)進(jìn)入判斷程序。當(dāng)捕捉到初始位置后，進(jìn)入判斷程序，對(duì)初始為置這一列的元素進(jìn)行累加，累加之和若大于一定值，則判斷其為墜物信號(hào)，如初始位置層數(shù)為3 層時(shí)，3 是定值判斷依據(jù)，累加和大于3 則系統(tǒng)將其記錄，反之則不予處理。當(dāng)這一輪判斷結(jié)束，立刻將矩陣清零。等待下一輪墜物出現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)高頻率的檢測(cè)和判斷。系統(tǒng)檢測(cè)速度極快，數(shù)據(jù)量極小且成本低。

2.4 云端監(jiān)控模塊

云端服務(wù)器接收各個(gè)信號(hào)檢測(cè)單元發(fā)送的數(shù)據(jù)電平信號(hào)，實(shí)時(shí)生成一組總的二維數(shù)組以反映各監(jiān)控點(diǎn)的電平信號(hào)。通過(guò)預(yù)置在云服務(wù)器的程序算法對(duì)其進(jìn)行分析判斷，追溯初始的信號(hào)變化源，按照各檢測(cè)點(diǎn)按樓層與方位提前預(yù)置于服務(wù)器中的編號(hào)即可確定拋物樓層、方位并定責(zé)。

在服務(wù)器上建立TCP 服務(wù)器端，在本地PC 上建立TCP 客戶端，使得本地的PC 端能夠?qū)崟r(shí)訪問(wèn)云端服務(wù)器并顯示運(yùn)行的過(guò)程和結(jié)果。從而方便安保人員進(jìn)行查看，Wi-Fi 模塊與云服務(wù)器、云服務(wù)與PC 端之間均采用TCP 通信協(xié)議。系統(tǒng)終端通過(guò)云端服務(wù)器接收信號(hào)檢測(cè)傳輸單元所傳輸?shù)碾娖叫盘?hào)，通過(guò)算法判斷是否為高空墜物；所述安保系統(tǒng)終端通過(guò)信號(hào)檢測(cè)傳輸單元所反饋的信號(hào)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

若數(shù)組的同一行（層）信號(hào)源在進(jìn)行或邏輯運(yùn)算后形成的新一維數(shù)組未產(chǎn)生連續(xù)變化，則不判斷為墜物出現(xiàn)，以此排除誤報(bào)。

3 方案驗(yàn)證

搭建2 行2 列的墻體結(jié)構(gòu)并排列硬件實(shí)物。設(shè)置臨近地面第一層即為第一行，向上則行號(hào)增大；最左邊為第一列，從左向右列數(shù)依次增大。

3.1 墜物檢測(cè)

當(dāng)有墜物從第二層第一列窗戶落下時(shí)，順次經(jīng)過(guò)（2，1）（1，1）窗口，則系統(tǒng)檢測(cè)為“是墜物信號(hào)”，并判斷“墜物發(fā)生在第二層，從左往右第一扇窗戶”。同理，當(dāng)有墜物從第二層第二列窗戶落下時(shí)，順次經(jīng)過(guò)（2，2）（1，2）窗口，則系統(tǒng)檢測(cè)為“是墜物信號(hào)”，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(bào)

當(dāng)設(shè)置墜物經(jīng)過(guò)第二層第一列窗戶，橫向轉(zhuǎn)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(cè)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(hào)”。

驗(yàn)證結(jié)果如圖5 所示。

圖5 驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的高空拋物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)借助太陽(yáng)能供電，運(yùn)用超聲波傳感和云端管理，實(shí)現(xiàn)了墜物檢測(cè)、責(zé)任溯源和誤報(bào)排除的功能。相較于傳統(tǒng)網(wǎng)格攔截墜物的不美觀、攝像監(jiān)控記錄存在的巨大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量等缺陷，系統(tǒng)以輕量化、高精度和低成本的優(yōu)勢(shì)有效記錄并追責(zé)墜物事件，有利于開(kāi)拓其應(yīng)用市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)高空拋物防治的普及。