李秋昊，賈曉強(qiáng)

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010100）

0 引言

2020年5月，十三屆全國(guó)人大三次會(huì)議表決通過(guò)了《中華人民共和國(guó)民法典》。針對(duì)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(quán)人依法承擔(dān)侵權(quán)責(zé)任”。為明確責(zé)任主體，《民法典》規(guī)定物業(yè)、建筑公司等管理單位，應(yīng)當(dāng)采取一定的安全防護(hù)措施，嚴(yán)防高空墜物的事故發(fā)生。基于上述情況，本文設(shè)計(jì)了一款高空墜物攔截與取證的防護(hù)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(shè)計(jì)概述

1.1 高空墜物攔截與取證系統(tǒng)的構(gòu)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(gè)子系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備都由各自的樹(shù)莓派主控板控制，每個(gè)樹(shù)莓派主控板均需連接到相同的WiFi上，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通信。在局域網(wǎng)中，一方子系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備，可以訪(fǎng)問(wèn)另一方子系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)。各子系統(tǒng)中設(shè)置墜物探測(cè)方式，二者之間相互配合，互補(bǔ)完成各個(gè)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(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

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

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

（3）高空墜物攔截器，該設(shè)計(jì)主要是將攔截板與建筑外墻通過(guò)鉸鏈活動(dòng)鏈接，自動(dòng)收線(xiàn)器的拉繩與攔截板頂端活動(dòng)連接，通過(guò)少量機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)備展開(kāi)的整體過(guò)程，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。高空墜物攔截器在待機(jī)狀態(tài)下，通過(guò)電磁鎖鎖閉；攔截板平常通過(guò)鎖閉裝置收縮在建筑外墻，降低老化速度，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，同時(shí)收縮體積，減少對(duì)建筑外觀(guān)的影響。此外，攔截板的攔截面采用吸能材料制成，進(jìn)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(shí)，高空墜物攔截器由墜物攔截系統(tǒng)設(shè)備控制箱操控，如圖3、4、5所示。

圖2 高空墜物攔截器實(shí)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(shè)接口

圖5 高空墜物攔截器控制箱主控板調(diào)試接口

2 高空墜物攔截與取證系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)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(dá)模塊：該模塊是利用多普勒雷達(dá)原理設(shè)計(jì)的微波移動(dòng)物體探測(cè)器。本項(xiàng)目中，通過(guò)對(duì)短接點(diǎn)短接，將感應(yīng)距離設(shè)為10m以?xún)?nèi)。該模塊在探測(cè)到墜物時(shí)，能在1s內(nèi)觸發(fā)攔截板展開(kāi)，攔截墜物。

②樹(shù)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(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用兩個(gè)樹(shù)莓派主控板。一個(gè)用在墜物攔截子系統(tǒng)中：控制微波雷達(dá)模塊、電機(jī)、絞盤(pán)等實(shí)現(xiàn)對(duì)攔截板的控制；另一個(gè)用在取證子系統(tǒng)中：進(jìn)行圖像處理、視頻傳輸?shù)裙δ?。二者之間通過(guò)WiFi局域網(wǎng)進(jìn)行通信。

③微型直流減速電機(jī)：通過(guò)齒輪調(diào)速，降低轉(zhuǎn)速，增大扭矩，用于攔截板的回收。

④電磁鎖：通電磁吸力產(chǎn)生，吸住攔截板。斷電磁吸力消失，打開(kāi)攔截板。

⑤繼電器：是一種電控制器件，當(dāng)輸入量的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。本項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)樹(shù)莓派GPIO端口在繼電器輸入回路輸入不同等級(jí)的電壓，來(lái)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(shù)莓派I/O輸出電壓為0至3.3V，所以，需要經(jīng)過(guò)升壓模塊轉(zhuǎn)換為0至5V電壓才可驅(qū)動(dòng)繼電器。另外，樹(shù)莓派GPIO.1端口和GPIO.7端口沒(méi)有鎖存功能，即在置高電平或低電平一段時(shí)間后，會(huì)自動(dòng)復(fù)位至2V左右，實(shí)驗(yàn)中需要選用其他GPIO端口進(jìn)行操作[5-6]。

⑥L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：該模塊在使能狀態(tài)下，通過(guò)接收不同的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并可以增大電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shù)莓派、繼電器、絞盤(pán)、電磁鎖的供電。

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

③墜物檢測(cè)電路：由微波雷達(dá)模塊和樹(shù)莓派組成。當(dāng)沒(méi)有墜物時(shí)，樹(shù)莓派GPIO端口輸出高電平至繼電器IN中，吸住攔截板。當(dāng)微波雷達(dá)模塊探測(cè)到墜物時(shí)，通過(guò)GPIO端口輸入高電平信號(hào)至樹(shù)莓派中，樹(shù)莓派處理后，通過(guò)其它GPIO端口輸出低電平至繼電器IN中，打開(kāi)攔截板。

2.1.3 攔截器應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

①HTML控制頁(yè)面的建立：在樹(shù)莓派中建立服務(wù)器，由服務(wù)器分配IP端口供客戶(hù)端登錄HTML頁(yè)面。在網(wǎng)頁(yè)中，點(diǎn)擊每個(gè)按鈕都可以返回不同的字符串指令，字符串指令傳回到樹(shù)莓派中進(jìn)行對(duì)比，從而執(zhí)行攔截板的手動(dòng)打開(kāi)及復(fù)位動(dòng)作。同時(shí)，該頁(yè)面還具有實(shí)時(shí)影像查看功能。如圖6所示。

圖6 HTML頁(yè)面

②攔截板打開(kāi)：分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種，這兩種控制方式屬于同等優(yōu)先級(jí)。手動(dòng)控制：通過(guò)點(diǎn)擊HTML頁(yè)面中的按鈕給樹(shù)莓派發(fā)送“down”指令，樹(shù)莓派接收“down”指令并進(jìn)行比對(duì)后，通過(guò)GPIO端口輸出低電平至繼電器IN中，使電磁鎖斷電，打開(kāi)攔截板。自動(dòng)控制：當(dāng)微波雷達(dá)模塊探測(cè)到墜物后，通過(guò)GPIO端口輸入高電平，樹(shù)莓派自動(dòng)解析為“down”指令(或樹(shù)莓派攝像頭檢測(cè)到墜物后，通過(guò)WiFi傳送“down”指令，后邊將詳述)，再通過(guò)GPIO端口輸出低電平至繼電器IN中，使電磁鎖斷電，打開(kāi)攔截板。如圖7所示。

圖7 攔截板打開(kāi)流程框圖

③攔截板復(fù)位：只有手動(dòng)控制一種，且在執(zhí)行復(fù)位操作時(shí)，屏蔽一切攔截板打開(kāi)功能，并設(shè)置30s超時(shí)復(fù)位斷電保護(hù)功能。手動(dòng)控制：通過(guò)點(diǎn)擊HTML頁(yè)面中的按鈕給樹(shù)莓派發(fā)送“up”指令，樹(shù)莓派接收“up”指令并進(jìn)行比對(duì)后，通過(guò)GPIO端口輸出高電平至繼電器IN中，使電磁鎖通電。同時(shí)，GPIO端口使能L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)收緊鋼絲繩，當(dāng)攔截板與電磁鎖吸合時(shí)，電磁鎖發(fā)送一個(gè)反饋信號(hào)給樹(shù)莓派，樹(shù)莓派解析信號(hào)后，先延遲2s消抖，再通過(guò)GPIO端口關(guān)閉L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，攔截板復(fù)位完成。如圖8所示。

圖8 攔截板復(fù)位流程框圖

2.2 取證子系統(tǒng)

2.2.1 硬件部分概述

樹(shù)莓派zero主控板。

樹(shù)莓派攝像頭：500萬(wàn)像素，CSI接口，RGB攝像頭，樹(shù)莓派供電。

攝像頭成品如圖9、10所示。

圖9 高空墜物專(zhuān)用攝像頭正視圖

圖10 高空墜物專(zhuān)用攝像頭側(cè)視圖

2.2.2 取證應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

①移動(dòng)物體檢測(cè)及框選：對(duì)采集到的影像先通過(guò)GMG算法進(jìn)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(jì)算每一個(gè)前景的外圍面積，濾除面積過(guò)大或過(guò)小的前景，最后把前景的外圍輪廓用矩形框標(biāo)出[7-8]。如圖11所示。

圖11 運(yùn)動(dòng)物體監(jiān)控窗口界面圖

②運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法改進(jìn)：視頻流暢度提高：樹(shù)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(dǎo)致實(shí)際運(yùn)動(dòng)檢測(cè)過(guò)程非?？D。本項(xiàng)目中，采用多線(xiàn)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(shí)，適當(dāng)縮小圖像分辨率，也可以提高視頻幀讀取速率。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法，可以滿(mǎn)足實(shí)際運(yùn)動(dòng)檢測(cè)要求。

③攝像頭驅(qū)動(dòng)攔截板：控制樹(shù)莓派攝像頭的樹(shù)莓派記為A，控制攔截板的樹(shù)莓派記為B，當(dāng)樹(shù)莓派攝像頭檢測(cè)到墜物時(shí)，A通過(guò)WiFi局域網(wǎng)，向B中的服務(wù)器直接發(fā)送“down”指令，B解析指令后，再通過(guò)GPIO端口輸出低電平至繼電器IN中，使電磁鎖斷電，打開(kāi)攔截板。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新要點(diǎn)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(wǎng)結(jié)構(gòu)單一，外觀(guān)笨重，沒(méi)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(méi)有足夠證據(jù)的情況下，往往事故責(zé)任認(rèn)定不清，難于判定責(zé)任的劃分。而本產(chǎn)品有效彌補(bǔ)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(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控，縮短排障時(shí)間

傳統(tǒng)設(shè)備只是簡(jiǎn)單的純機(jī)械裝置或剛性結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生高空墜物事故，管理人員不能第一時(shí)間知曉，這樣會(huì)延長(zhǎng)事故的處置時(shí)間，可能造成一些無(wú)法挽回的損失。本產(chǎn)品在檢測(cè)到高空墜物時(shí)能第一時(shí)間提醒管理人員，盡最大可能降低高空墜物事故帶來(lái)的損失，提高了設(shè)備的利用價(jià)值。

3.3 墜物攔截裝置安裝方便，美觀(guān)可靠

在現(xiàn)有技術(shù)中，安全網(wǎng)多為固定網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，占用空間大。固定在建筑物外時(shí)，有嚴(yán)重的安全隱患，與此同時(shí)，也會(huì)影響室內(nèi)采光和樓體的美觀(guān)度。所以，到目前為止，現(xiàn)有的安全網(wǎng)還不能安裝在已交付使用的建筑上。本產(chǎn)品占用空間小，待命狀態(tài)時(shí)，折疊于樓體外放置，只有在工作狀態(tài)下，會(huì)按預(yù)定程序展開(kāi)，實(shí)現(xiàn)捕獲墜物的功能；本產(chǎn)品在外觀(guān)、顏色等設(shè)計(jì)上的相關(guān)參數(shù)與樓體外墻本身保持相對(duì)一致，以最大限度減少對(duì)建筑整體外觀(guān)的影響。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的墜物攔截板為可拆卸式，方便更換，同時(shí)選用的材料成本低，強(qiáng)度大，符合實(shí)際應(yīng)用的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

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(shí)時(shí)監(jiān)控取證系統(tǒng)兩方面相結(jié)合，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)能降耗，使用壽命長(zhǎng)，攔截效果好，對(duì)建筑外觀(guān)影響小，架構(gòu)算法先進(jìn)等特點(diǎn)。在發(fā)生高空墜物時(shí)，該系統(tǒng)可以靈活、合理地進(jìn)行防護(hù)，避免墜物對(duì)人身或財(cái)產(chǎn)造成損害。