高空墜物智能檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

呂耀輝，呂晨暉，隋杰，楊文海，鄧周虎，李強(qiáng)

（1.西北大學(xué)，陜西西安，710127；2.西安通大思源電器有限公司，陜西西安，710054）

0 引言

近年來(lái)，高空墜物致人傷亡的事件日益增多。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑樓層數(shù)目日漸增高，在一些事故頻發(fā)的地點(diǎn)，例如建筑工地等，高空墜物的危害性越來(lái)越大。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，利用傳感器技術(shù)和軟件控制技術(shù)，設(shè)計(jì)一款高空墜物智能檢測(cè)預(yù)警[1]系統(tǒng)，對(duì)高空墜物進(jìn)行檢測(cè)并預(yù)警，能夠降低高空墜物的危害性。

1 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)通過軟硬件的結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)高空墜物的探測(cè)以及對(duì)干擾物體的判斷。硬件部分使用雙層陣列探測(cè)裝置，探測(cè)裝置以激光發(fā)射模塊與光敏電阻為核心。利用軟件對(duì)智能探測(cè)裝置返回的探測(cè)信號(hào)進(jìn)行判斷，存在高空墜物信號(hào)時(shí)，將觸發(fā)系統(tǒng)的報(bào)警裝置并發(fā)出警報(bào)。

本系統(tǒng)由探測(cè)模塊、以STM32單片機(jī)[2]為核心的智能檢測(cè)模塊和報(bào)警模塊組成。圖1為本系統(tǒng)的功能框圖。

圖1 高空墜物智能檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)功能框圖

2 硬件設(shè)計(jì)與制作

■2.1 制作材料

高空墜物智能檢測(cè)裝置的制作材料包括：PCB板、激光發(fā)射模塊、光敏電阻、金屬膜電阻器、CD4072BE直插式雙路四輸入或門、發(fā)光二極管、熱縮管、導(dǎo)線等。

本裝置制作過程中使用的器材有：電烙筆、焊錫絲、剪線鉗、斜口鉗、鑷子。

本裝置的制作成本在120元左右。

■2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)方案

高空墜物智能檢測(cè)裝置包括兩部分：激光發(fā)射裝置及激光接收裝置。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期選擇發(fā)射裝置時(shí)，擬采用紅外發(fā)射管[3]與激光發(fā)射管。測(cè)試過程中，發(fā)現(xiàn)紅外發(fā)射管受環(huán)境光影響較大，紅外發(fā)射管電路復(fù)雜且調(diào)試?yán)щy。激光發(fā)射管具有發(fā)射激光距離長(zhǎng)、方向性好、且激光聚于一個(gè)亮點(diǎn)，受環(huán)境光的影響可忽略不計(jì)。因此，最終系統(tǒng)選用激光發(fā)射模塊。

2.2.2 電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的接收裝置主要是由光敏電阻構(gòu)成。供電模塊采用普通手機(jī)充電頭將市電轉(zhuǎn)為5V直流電，通過USB接口供電[4]。接收裝置利用了光敏電阻在無(wú)光照狀態(tài)阻值趨于無(wú)窮大，且隨著光照強(qiáng)度的增大，光敏電阻的阻值隨之減小的特性[3]，當(dāng)外界環(huán)境光強(qiáng)度足夠強(qiáng)烈，光敏電阻的阻值趨于零。本系統(tǒng)的接收裝置為了提高探測(cè)墜物的精度、減小誤觸發(fā)的幾率，在光敏電阻外圍加裝熱縮管以避免環(huán)境光對(duì)探測(cè)效果的影響，且將光敏電阻分為兩層陣列式排布，每層由四個(gè)光敏電阻并聯(lián)。在每個(gè)并聯(lián)支路上，將光敏電阻與一保護(hù)電阻串聯(lián)，目的是防止因某個(gè)光敏電阻在強(qiáng)光照下阻值趨于零而導(dǎo)致其余支路短路。在光敏電阻與定值電阻之間引出信號(hào)接入CD4072BE直插式雙路四輸入或門[5]，并將CD4072BE直插式雙路四輸入或門的輸出端作為整個(gè)探測(cè)裝置[6]的信號(hào)輸出端，在輸出端接發(fā)光二極管作為預(yù)警信號(hào)指示燈。將光敏電阻兩端的電壓作為CD4072BE的輸入，當(dāng)無(wú)障礙物時(shí)，激光發(fā)射裝置發(fā)出的激光能夠直接照射在光敏電阻上。光敏電阻兩端的電壓趨于0V，此時(shí)CD4072BE直插式雙路四輸入或門的輸入信號(hào)均為低電平信號(hào)，其兩個(gè)輸出信號(hào)為低電平信號(hào)，此時(shí)發(fā)光二極管兩端電壓為低電平，預(yù)警指示燈[7]滅；當(dāng)有墜物通過探測(cè)裝置時(shí)，此時(shí)激光發(fā)射裝置發(fā)射的激光束被墜物遮擋，激光接收裝置中一個(gè)或多個(gè)光敏電阻上無(wú)光照，無(wú)光照時(shí)，光敏電阻的阻值趨于無(wú)窮大，電路中光敏電阻兩端的電壓也趨于電源電壓(5V)，此時(shí)CD4072BE直插式雙路四輸入或門的一個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)為高電平，通過或的邏輯，其輸出信號(hào)也為高電平，若上層發(fā)射裝置發(fā)射的激光束被遮擋，那么上層的預(yù)警指示燈亮；若下層發(fā)射裝置發(fā)射的激光束被遮擋，那么下層的預(yù)警指示燈亮，由此可以通過預(yù)警指示燈的狀態(tài)來(lái)判斷墜物通過探測(cè)預(yù)警裝置的具體情況。

2.2.3 電路仿真

高空墜物智能檢測(cè)裝置使用Multisim軟件進(jìn)行電路仿真。

圖2 無(wú)障礙時(shí)智能探測(cè)預(yù)警裝置電路仿真圖

Multisim軟件不支持光敏電阻的仿真，因此在電路仿真中采用電位器替代光敏電阻。當(dāng)無(wú)障礙物時(shí)，光敏電阻在強(qiáng)光照下阻值趨于零，將電位器滑至阻值最小處來(lái)模擬這種狀態(tài)；當(dāng)有障礙物時(shí)，激光被障礙物遮擋，光敏電阻無(wú)光照，光敏電阻阻值趨于無(wú)窮大，將電位器[10]滑至阻值最大處來(lái)模擬這種狀態(tài)。仿真時(shí)電位器的最大阻值選擇為2MΩ，實(shí)際電路測(cè)量光敏電阻在無(wú)光照時(shí)的阻值同樣在MΩ數(shù)量級(jí)，經(jīng)過仿真與分析，這種替代不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 有障礙時(shí)智能探測(cè)預(yù)警裝置電路仿真圖

3 軟件設(shè)計(jì)

（1）本系統(tǒng)由STM32F103C8T6[8]作為控制模塊，其內(nèi)部程序設(shè)計(jì)過程包括主程序設(shè)計(jì)、外部中斷I/O口配置程序設(shè)計(jì)、報(bào)警信號(hào)I/O口配置程序設(shè)計(jì)、外部中斷初始化程序設(shè)計(jì)、中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)[9]。

（2）主程序設(shè)計(jì)：在主程序中，通過調(diào)用若干庫(kù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的初始化，其中包括：延時(shí)功能的初始化、設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)分組[10]、串口初始化、報(bào)警信號(hào)I/O口初始化、外部中斷初始化。完成以上初始化后，對(duì)為報(bào)警裝置提供控制電平的I/O口設(shè)置初值，使其處于不報(bào)警狀態(tài)，設(shè)置完成后，令程序進(jìn)入while(1)循環(huán)，循環(huán)中無(wú)任何語(yǔ)句，等到接受外部中斷觸發(fā)。

（3）外部中斷I/O口配置程序設(shè)計(jì)[11]：首先將相應(yīng)I/O口的時(shí)鐘使能，并關(guān)閉Jtag，使能SWD。然后利用庫(kù)函數(shù)配置所需的I/O口，本系統(tǒng)中選擇PA0、PA1，并將其設(shè)置為下拉輸入。當(dāng)外部中斷觸發(fā)后，程序轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)函數(shù)。

（4）報(bào)警信號(hào)I/O口配置程序設(shè)計(jì)：首先將相應(yīng)I/O口的時(shí)鐘使能，本系統(tǒng)中選擇PB7、PB8，并依次利用完成端口配置、設(shè)置為推挽輸出[12]、設(shè)置I/O口速度為2MHz、并將其初值均設(shè)置為低電平。

（5）外部中斷初始化程序設(shè)計(jì)：首先使能AFIO時(shí)鐘，對(duì)各個(gè)中斷線完成配置，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置為上升沿觸發(fā)。使能I/O所在的外部中斷通道，設(shè)置PA1搶占的優(yōu)先級(jí)高于PA0。

（6）中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)中含有兩個(gè)中斷服務(wù)程序，分別由PA0引腳觸發(fā)及由PA1引腳觸發(fā)。

①當(dāng)中斷0被觸發(fā)，首先進(jìn)行消抖：延遲10ms，再次判斷PA0引腳狀態(tài)，若仍為高電平，則使標(biāo)志位置1，此標(biāo)志位用于排除外部飛鳥及其他物體的干擾。標(biāo)志位置1后，可根據(jù)此系統(tǒng)安裝的樓層設(shè)置延時(shí)。例如在100ms后使標(biāo)志位清零，安裝樓層越低，墜物速度越快，此延時(shí)時(shí)間越短。標(biāo)志位清零后，清除EXTI0線路掛起位，此中斷服務(wù)程序結(jié)束。

②當(dāng)中斷1被觸發(fā)，首先檢測(cè)標(biāo)志位，若標(biāo)志位為1，則使PB7與PB8輸出高電平，系統(tǒng)報(bào)警。本系統(tǒng)中設(shè)置的報(bào)警時(shí)間為6秒鐘。6秒鐘后，PB7與PB8輸出低電平，結(jié)束報(bào)警。最后再次清除標(biāo)志位，并清除LINE1上的中斷標(biāo)志位。

4 軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)高空墜物的智能判斷

本系統(tǒng)用于檢測(cè)高空墜物并發(fā)出警報(bào)，但空中存在緩慢降落的物體，例如塑料袋、落葉等緩慢墜物[13]，則本系統(tǒng)檢測(cè)到此類物體時(shí)，不應(yīng)該發(fā)出警報(bào)。當(dāng)有飛鳥等生物從下往上飛被本系統(tǒng)檢測(cè)到時(shí)，本系統(tǒng)也不應(yīng)該發(fā)出警報(bào)。因此，需要通過一定的方法來(lái)對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)到的物體進(jìn)行判斷。

■4.1 對(duì)飛鳥等生物干擾的排除

飛鳥等生物有可能從下往上飛，并不會(huì)對(duì)行人造成威脅與傷害。因此，將紅外探測(cè)裝置設(shè)置成兩層。當(dāng)上層的探測(cè)裝置探測(cè)到物體時(shí)，標(biāo)志位置1，當(dāng)下層裝置檢測(cè)到物體時(shí)，先檢查標(biāo)志位，當(dāng)標(biāo)志位為1時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)[14]；若標(biāo)志位為0，則說(shuō)明上層探測(cè)裝置沒有檢測(cè)到物體，由此判斷出不是高空墜物，系統(tǒng)不發(fā)出警報(bào)。

■4.2 對(duì)緩慢墜物干擾的排除

當(dāng)塑料袋、落葉等緩慢墜物被系統(tǒng)檢測(cè)到時(shí)，上層探測(cè)裝置被觸發(fā)與下層裝置被觸發(fā)的時(shí)間間隔將遠(yuǎn)大于真正高空墜物所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔[15]。因此，下層探測(cè)裝置觸發(fā)的中斷優(yōu)先級(jí)高于上層探測(cè)裝置觸發(fā)的中斷優(yōu)先級(jí)，當(dāng)上層探測(cè)裝置被觸發(fā)后，標(biāo)志位置1，然后進(jìn)入延時(shí)，在延時(shí)時(shí)間內(nèi)，若下層探測(cè)裝置被出發(fā)后，因?yàn)橄聦拥膬?yōu)先級(jí)更高，程序從中斷服務(wù)函數(shù)0進(jìn)入到中斷服務(wù)函數(shù)1，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)；若在延時(shí)結(jié)束后，下層探測(cè)裝置仍沒有探測(cè)到物體，則認(rèn)為兩層探測(cè)裝置被觸發(fā)的時(shí)間間隔過長(zhǎng)，所探測(cè)到的物體為緩慢墜物，系統(tǒng)不發(fā)出報(bào)警。

5 測(cè)試結(jié)果

（1）當(dāng)有墜物自上而下快速通過探測(cè)裝置時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)。蜂鳴器與發(fā)光二極管同時(shí)報(bào)警6秒中后，裝置回到檢測(cè)狀態(tài)，等待新的墜物通過。

（2）當(dāng)有物體緩慢自上而下通過探測(cè)裝置時(shí)，系統(tǒng)不發(fā)出警報(bào)，即系統(tǒng)判斷為該物體為落葉等對(duì)人體無(wú)害的墜物，不作響應(yīng)。

（3）當(dāng)有物體自下向上快速或緩慢通過探測(cè)裝置時(shí)，系統(tǒng)不發(fā)出警報(bào)，即系統(tǒng)判斷該物體為飛鳥等物體的干擾，不作響應(yīng)。

（4）改變程序，改變單片機(jī)中斷0的服務(wù)函數(shù)中的延時(shí)時(shí)長(zhǎng)，結(jié)果為改變通過探測(cè)裝置的物體被判斷為高空墜物的閾值速度[16]。

因此，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高空墜物的智能判斷與警報(bào)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)面向廣大的人民群體，且裝置具有較高的精確度和靈敏度，能夠可靠的實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，對(duì)高空墜物及時(shí)預(yù)警，減小其對(duì)行人的危害。能排除飛鳥等生物的干擾，避免錯(cuò)誤報(bào)警。裝置價(jià)格低廉，有較好的實(shí)用性。