基于超声波和云物联技术的高空抛物智能监测系统*

张 宇，黄邦金，蔡雨润，苗 盈，王 骏

（无锡职业技术学院，江苏无锡 214121）

0 引言

近年来，随着高层建筑日益增加，高空抛物伤人事件时有发生，轻则破坏环境卫生，影响居民日常生活，重则直接造成重大人身伤亡和财产损失。社会各界对建立高空抛物监测系统的呼声越来越高[1]。现有的高空抛物监控系统大多利用基于视频监控的图像捕捉技术[2-4]，通过在高层建筑的楼顶等位置安装摄像头来识别高空抛物的发生位置和时间。这种技术受摄像头监控角度和楼宇高度限制，以及雨雾、光线等天气环境因素影响，在这些情况下无法快速准确地锁定高空抛物发生的具体位置。

本文基于超声波测距原理和云物联技术，设计了一种高空抛物智能监测系统。与现有技术相比，具有监测灵敏度高、成本低、不受天气环境影响等优点，能够精确定位高空抛物的具体位置并实时发送警报信号，提醒路上行人及时躲避，既能起到事后追责的作用，也起到事前预防的作用。

1 系统总体设计

高空抛物智能监测系统的安装方案如图1 所示，其中超声波传感器安装在建筑物窗户正下方并朝向上方。超声波传感器也可以安装在窗户正上方并朝向地面，根据建筑物和窗户特点的不同，可以选择适合的安装方式。当有物体从建筑物窗户抛出时，利用超声波测距原理，超声波传感器能够实时检测到高空抛物发生的具体地点。同时，地面警示模块通过蜂鸣器报警和警示灯闪烁，及时提醒地面行人躲避高空抛物。此外，利用云物联技术，通过监控服务器可以记录并查看下高空抛物发生的具体时间和地点。

图1 高空抛物监测系统安装方案示意图

2 系统功能模块

高空抛物智能监测系统由超声波检测模块、地面警示模块、云端监控模块、系统控制模块等部分组成，具体如图2所示。超声波传感器利用超声波测距原理将高空抛物瞬间检测到的信息传送给单片机。然后，单片机通过无线发射器给地面警示模块发射相应信号，触发蜂鸣器报警和警示灯闪烁，提醒地面上行人躲避高空抛物。云端监控模块实时监测各个时刻各个超声波传感器检测到的距离值，发生高空抛物事件时，监测数据会出现相应的变化，监控人员可以通过监控服务器调取高空抛物的发生时刻和具体位置，便于后续追溯高空抛物责任人。

图2 系统总体结构图

2.1 超声波检测模块

超声波在空气中传播时遇到障碍物就立即返回[5-6]，如图3所示，超声波在空气中的传播速度已知为340 m/s，因此，利用超声波脉冲回波渡越时间就能实现超声波测距。超声波传感器的发射端发射波长约6 mm、频率40 kHz 的超声波信号。该信号被物体反射后由接收端接收，接收端接收到信号后产生mV级的微弱电压信号，接收端实质上是一种具有压电效应的换能器。设超声波脉冲从发射端发出到接收端接收所经历的时间为t，则超声波传感器和目标物体之间的测距公式为：D=340 t/2。

图3 超声波测距原理图

超声波检测模块由多个超声波传感器组成，采用DYP-A02-V2.0超声波模块，具有25～500 cm的非接触式测距功能。利用超声波测距原理[7]，当有物体从窗户抛出时，物体经过超声波传感器的探测区域，超声波传感器探测到的距离值发生快速变化。控制模块检测到距离值发生变化时，表明发生了高空抛物事件。

2.2 系统控制模块

系统控制模块由单片机、计时器和无线发射器组成，单片机型号为Mega2560。每个超声波传感器都与单片机连接，并将当前测得的距离值实时传送给单片机，然后通过WiFi通讯功能将这些距离值传送到云端监控模块。当超声波传感器传过来的距离值发生变化时，单片机检测到高空抛物事件发生的具体位置，并通过无线发射器将信息传送给地面警示模块。此外，通过计时器可以得到高空抛物发生的具体时刻。

2.3 地面警示模块

地面警示模块由警示灯、蜂鸣器和无线接收器组成。无线接收器接收到系统控制模块发送过来的高空抛物事件后，立即触发蜂鸣器和警示灯报警，提醒路面上的行人及时躲避高空抛物，避免造成人身伤害。声光报警持续5 s后关闭。其中无线发射器和无线接收器的工作频率为433 MHz，具有距离远、穿透力强等特点，能够满足大多数高层建筑的高空抛物检测信号的无线传输需求。

2.4 云端监控模块

云端监控模块由云端监控服务器、移动端APP、网页浏览器等组成。云端监控模块的数据传输如图4所示。云平台通过TCP端口或WebSocket端口与设备端、用户端通讯。云平台与设备端、用户端的通讯数据格式为Json字符串+换行符，形如{"M":"beat"} ，称之为Json New Line，简称为JsonNL。云平台与用户端之间采用OAuth 2.0授权机制获取数据[8]。

图4 云端监控模块的数据传输图

正常情况下，云端监控服务器监测到的距离值为固定值。发生高空抛物事件时，超声波传感器检测到的距离数据发生急剧变化，形成如图5 所示的波谷。通过波谷对应的时间，能够追溯到高空抛物发生的具体时刻，通过超声波传感器的编号及其安装位置，能够追溯到高空抛物发生的具体位置，从而为高空抛物事件发生后的事后追责提供了数据支持。

图5 网页浏览器显示高空抛物时的距离变化

3 结束语

现有的高空抛物监测系统主要基于摄像监控和图像处理技术实现，受拍摄角度位置以及气候环境因素影响，在定位精度和实时预警方面存在不足。针对上述问题，本文基于超声波和云物联技术，设计并实现了一种高空抛物监测与警示系统，能够精确定位抛物位置并实时发出预警信号，具有较好的实际应用价值和社会经济效益。