基于超聲波和云物聯技術的高空拋物智能監測系統*

張 宇，黃邦金，蔡雨潤，苗 盈，王 駿

（無錫職業技術學院，江蘇無錫 214121）

0 引言

近年來，隨著高層建筑日益增加，高空拋物傷人事件時有發生，輕則破壞環境衛生，影響居民日常生活，重則直接造成重大人身傷亡和財產損失。社會各界對建立高空拋物監測系統的呼聲越來越高[1]。現有的高空拋物監控系統大多利用基于視頻監控的圖像捕捉技術[2-4]，通過在高層建筑的樓頂等位置安裝攝像頭來識別高空拋物的發生位置和時間。這種技術受攝像頭監控角度和樓宇高度限制，以及雨霧、光線等天氣環境因素影響，在這些情況下無法快速準確地鎖定高空拋物發生的具體位置。

本文基于超聲波測距原理和云物聯技術，設計了一種高空拋物智能監測系統。與現有技術相比，具有監測靈敏度高、成本低、不受天氣環境影響等優點，能夠精確定位高空拋物的具體位置并實時發送警報信號，提醒路上行人及時躲避，既能起到事后追責的作用，也起到事前預防的作用。

1 系統總體設計

高空拋物智能監測系統的安裝方案如圖1 所示，其中超聲波傳感器安裝在建筑物窗戶正下方并朝向上方。超聲波傳感器也可以安裝在窗戶正上方并朝向地面，根據建筑物和窗戶特點的不同，可以選擇適合的安裝方式。當有物體從建筑物窗戶拋出時，利用超聲波測距原理，超聲波傳感器能夠實時檢測到高空拋物發生的具體地點。同時，地面警示模塊通過蜂鳴器報警和警示燈閃爍，及時提醒地面行人躲避高空拋物。此外，利用云物聯技術，通過監控服務器可以記錄并查看下高空拋物發生的具體時間和地點。

圖1 高空拋物監測系統安裝方案示意圖

2 系統功能模塊

高空拋物智能監測系統由超聲波檢測模塊、地面警示模塊、云端監控模塊、系統控制模塊等部分組成，具體如圖2所示。超聲波傳感器利用超聲波測距原理將高空拋物瞬間檢測到的信息傳送給單片機。然后，單片機通過無線發射器給地面警示模塊發射相應信號，觸發蜂鳴器報警和警示燈閃爍，提醒地面上行人躲避高空拋物。云端監控模塊實時監測各個時刻各個超聲波傳感器檢測到的距離值，發生高空拋物事件時，監測數據會出現相應的變化，監控人員可以通過監控服務器調取高空拋物的發生時刻和具體位置，便于后續追溯高空拋物責任人。

圖2 系統總體結構圖

2.1 超聲波檢測模塊

超聲波在空氣中傳播時遇到障礙物就立即返回[5-6]，如圖3所示，超聲波在空氣中的傳播速度已知為340 m/s，因此，利用超聲波脈沖回波渡越時間就能實現超聲波測距。超聲波傳感器的發射端發射波長約6 mm、頻率40 kHz 的超聲波信號。該信號被物體反射后由接收端接收，接收端接收到信號后產生mV級的微弱電壓信號，接收端實質上是一種具有壓電效應的換能器。設超聲波脈沖從發射端發出到接收端接收所經歷的時間為t，則超聲波傳感器和目標物體之間的測距公式為：D=340 t/2。

圖3 超聲波測距原理圖

超聲波檢測模塊由多個超聲波傳感器組成，采用DYP-A02-V2.0超聲波模塊，具有25～500 cm的非接觸式測距功能。利用超聲波測距原理[7]，當有物體從窗戶拋出時，物體經過超聲波傳感器的探測區域，超聲波傳感器探測到的距離值發生快速變化。控制模塊檢測到距離值發生變化時，表明發生了高空拋物事件。

2.2 系統控制模塊

系統控制模塊由單片機、計時器和無線發射器組成，單片機型號為Mega2560。每個超聲波傳感器都與單片機連接，并將當前測得的距離值實時傳送給單片機，然后通過WiFi通訊功能將這些距離值傳送到云端監控模塊。當超聲波傳感器傳過來的距離值發生變化時，單片機檢測到高空拋物事件發生的具體位置，并通過無線發射器將信息傳送給地面警示模塊。此外，通過計時器可以得到高空拋物發生的具體時刻。

2.3 地面警示模塊

地面警示模塊由警示燈、蜂鳴器和無線接收器組成。無線接收器接收到系統控制模塊發送過來的高空拋物事件后，立即觸發蜂鳴器和警示燈報警，提醒路面上的行人及時躲避高空拋物，避免造成人身傷害。聲光報警持續5 s后關閉。其中無線發射器和無線接收器的工作頻率為433 MHz，具有距離遠、穿透力強等特點，能夠滿足大多數高層建筑的高空拋物檢測信號的無線傳輸需求。

2.4 云端監控模塊

云端監控模塊由云端監控服務器、移動端APP、網頁瀏覽器等組成。云端監控模塊的數據傳輸如圖4所示。云平臺通過TCP端口或WebSocket端口與設備端、用戶端通訊。云平臺與設備端、用戶端的通訊數據格式為Json字符串+換行符，形如{"M":"beat"} ，稱之為Json New Line，簡稱為JsonNL。云平臺與用戶端之間采用OAuth 2.0授權機制獲取數據[8]。

圖4 云端監控模塊的數據傳輸圖

正常情況下，云端監控服務器監測到的距離值為固定值。發生高空拋物事件時，超聲波傳感器檢測到的距離數據發生急劇變化，形成如圖5 所示的波谷。通過波谷對應的時間，能夠追溯到高空拋物發生的具體時刻，通過超聲波傳感器的編號及其安裝位置，能夠追溯到高空拋物發生的具體位置，從而為高空拋物事件發生后的事后追責提供了數據支持。

圖5 網頁瀏覽器顯示高空拋物時的距離變化

3 結束語

現有的高空拋物監測系統主要基于攝像監控和圖像處理技術實現，受拍攝角度位置以及氣候環境因素影響，在定位精度和實時預警方面存在不足。針對上述問題，本文基于超聲波和云物聯技術，設計并實現了一種高空拋物監測與警示系統，能夠精確定位拋物位置并實時發出預警信號，具有較好的實際應用價值和社會經濟效益。