基于樹莓派的戶外廣告牌遠程監控報警系統的研究

線媛媛 張亞娟慶民

（鄭州航空工業管理學院 管理工程學院，河南 鄭州 450046）

0 引言

廣告牌一般分為掛墻式、落地式與頂部式3類。掛墻式廣告牌采用螺栓直接固定于墻體，落地式廣告牌多為大型廣告牌，頂部式廣告牌體積較大、安放位置較高。廣告牌的各類安全問題隨著廣告牌數量的增加而日漸突出，多數發達國家的管理已經十分完善。如：法國對廣告牌的材料密度與尺寸都有嚴格要求，且要求商鋪的招牌只掛在自己商鋪且不允許遮擋建筑物；地震頻發的日本對廣告牌的要求更為嚴格，日本新版本的《戶外廣告法》還創立了戶外廣告業注冊制度，于2017年實施了《戶外廣告管理條例》。

我國《戶外廣告管理辦法》第十七條規定：“戶外廣告的設計、制作和施工安裝應符合相應的技術、質量標準”。然而目前國內廣告牌的監督管理并不到位，現行的戶外廣告沒有統一的管理主體，而且經審批后在廣告牌的制作、取材用料、安裝等環節普遍處于零監管狀態，使廣告牌的質量缺乏有效監管，加之廣告牌安裝后由于載荷、環境等問題日益老化銹蝕，為墜落事故的發生埋下安全隱患。近年來廣告牌安全事故頻頻發生：2016年7月16日，河南鄭州一裝飾公司巨型廣告牌突然墜落，導致兩名小女孩不幸被砸；2017年8月31日，東莞一T型廣告牌被風吹倒，直接造成6輛小車不同程度損壞；2018年8月12日，上海市一商鋪廣告牌脫落，砸傷9名過路群眾。事故頻發，不管是“天災”還是“人禍”，管理是解決問題的關鍵。若戶外廣告牌均安裝實時安全監測裝置，則廣告牌的安全狀態將得到在線監測，傳統監管模式中的人員巡查方式將為之替代。監測裝置不僅可以對廣告牌的危險狀態做出預警，減少巨大損失，還能代替傳統模式，節約大量人力物力資源。

本文采用MPU6050陀螺儀、干簧開關、樹莓派、攝像頭等低成本裝置，構建遠程監控、預警及信息傳輸為一體的通訊網絡遠程報警檢測系統，能對廣告牌進行有效的安全狀態分析預測，實現遠程監控及收發警報的功能，可以降低廣告牌因自身危險性給人、物帶來傷害或損失的概率，減少事故的發生。牌連有電路，牌體發生位移可能會導致電路短路發熱，引燃牌體上的可燃物，從而引發火災；從牌體本身來說，一旦發生事故，更換安裝等事宜也會給商家帶來一定的經濟損失。

戶外廣告牌在使用過程中，由于多方面因素的影響總是會出現安全隱患，這些安全隱患大大增加了戶外廣告牌的墜落風險。采用基于魚骨的FMEA分析法探究事故的致災模式有助于我們理清事故的因果。

魚骨圖是尋找問題“根本原因”的方法。它按出現機會的概率大小羅列產生問題的可能，利于展示各個原因之間的關系，全面查找問題的致因[1]。利用魚骨圖對廣告牌墜落潛在事故的起因進行分析，如圖1。

圖1 墜落致因魚骨圖Fig.1 Fishbone diagram of the falling cause

1 戶外廣告牌的危險性分析

廣告牌設置在人口密集的公共場所，一旦發生安全事故，勢必會帶來一系列不良影響。廣告牌一般設置在半空中，牌體一旦墜落，其能量可能導致過往行人受傷甚至死亡；廣告牌安置附近常停有車輛，傾倒的廣告牌可能會造成車輛及周邊設施的損傷；常見的廣告牌一般附設在建筑物墻體表面，墜落的廣告牌勢必會對墻體造成一定的損傷，可能會帶來后續的墻體表面物體的墜落問題；一些廣告

FMEA分析法即故障模式影響分析，是一種通過分析產品設計和加工過程中各種潛在的故障對其可靠性的影響分析法。FMEA分析法以產品的元件、零件或系統為分析對象，通過分析預測其在裝配或工作時可能發生的故障，產生故障的原因，故障的嚴重程度并提出解決方案。該分析法通過識別潛在的失效模式和失效后果，確定故障嚴重程度（S），分析潛在失效起因機理確定發生率（O），分析故障檢測的難易程度進行評價得到探測度（D），據風險順序數（RNP）=嚴重度（S）×發生率（O）×探測度（D），計算出風險順序數。利用FMEA分析戶外廣告牌致災模式，見表1。

2 現有安全監測方法與產品

戶外廣告牌在安全狀態下十分穩定，一旦出現松動即存在危險隱患。根據市面上的廣告牌分布、廣告牌的安裝位置分類，廣告牌大致可分為商鋪懸掛的掛墻式廣告牌、戶外開闊地帶的大型落地式廣告牌與安裝于建筑物頂部的屋頂式廣告牌3類。

表1 FMEA分析致災模式Tab.1 Analysis of the disaster model based on FMEA

掛墻式廣告牌主要分布于各個商鋪等小型建筑物外墻，分為廣告牌牌體、墻面與支座3部分，用螺栓直接固定于墻體。落地式廣告牌多為大型廣告牌，主要分布于戶外開闊地帶，由底座、支柱和牌體組成。大型建筑物頂端多設頂部式廣告牌，體積大、安放位置高，由廣告牌牌體、支架、錨栓組成。

墻面式廣告牌是最常見、應用最廣泛的廣告牌，是本裝置主要檢測的廣告牌類型。

日常懸掛于墻面的的戶外廣告牌通常用膨脹螺絲固定，螺絲由于銹蝕而與螺栓緊密連接，故膨脹螺絲松動問題多出現在螺絲墻體連接處。若連接處發生松動，懸掛物由于外力等因素極易脫落，有墜物的危險；且一旦廣告牌存在不安全狀態，造成事故前必然有懸掛物體因受外力作用而與墻體有相對位移或晃動幅度超出安全范圍的現象。本裝置著手于連接處微小力的動態變化，檢測懸掛物體的相對位移和晃動幅度并將其作為檢測目標的雙重預警，提高裝置的準確性。

目前而言，市面上存在的對廣告牌的安全監測裝置主要有在線視頻監測和基于RFID的射頻識別兩種類型[2]。

在線視頻監控主要由攝像頭和4G網絡對監控目標進行算法處理實現服務端自動識別不安全狀態并預警的裝置。由于圖像處理技術的限制，一些被遮擋或拍攝重疊的廣告牌不能被有效監控；該裝置更適用于大型戶外廣告牌，對一些小型廣告牌密集的商業區達不到理想的效果；且該裝置對能見度有較高要求，在惡劣天氣狀況下功能受到極大限制；且該裝置只能發現明顯傾斜，易造成預警不及時的情況。

RFID射頻識別裝置是基于RFID的射頻識別系統（又稱電子標簽），通過無線電訊號識別目標及一系列讀寫程序，由手持終端設備讀取目標數據實現監測廣告牌狀況的功能[3]。該設計有效節約人力物力監測廣告牌，監測員僅通過手持終端即可了解廣告牌的各項數據信息。但該設備無法遠距離傳輸，只能傳輸5～8m，不適用于頂部式與落地式等大型廣告牌；另外，由于需駕車前往各個廣告牌所在處，而車內其他電子設備與手機等均產生電磁波，對手持終端產生干擾，影響最終的監測。

3 新型戶外廣告牌安全監測系統設計

3.1 風載荷對檢測物體的影響

在外界環境因素中選取最為典型的風力因素作為研究對象，分析風載荷對廣告牌的影響[4-5]。

根據我國《高聳結構設計規范》和《戶外廣告牌設施鋼結構技術規程》，作用在戶外廣告牌上高度h處的單位面積風荷載的標準值ωK：

式中：

ωK—高度為h處單位面積的風荷載標準值；

βh—高度h處的風振系數；

μS—風載荷體型系數；

ω0—基本風壓；

μh—風壓高度變化系數。

風振系數βh值由《戶外廣告設施鋼結構技術規程》中選取。 由《建筑結構載荷規范》可知，建筑物表面受風荷載作用時，因壓力分布不均勻會有局部風壓超過整體平均風壓的情況。墻體風荷載體型系數：迎風面壓力μS=1.0；背風面吸力μS=-0.6。

μh是 隨著高度h增加的變化系數。其計算公式為在高度為300～550m選用n、α值，見表2。

表2 n、α與據地高度h的對應關系Tab.2 Corresponding relationship of n、α and h

用基本風壓來表示風力作用的大小，將低速運動的空氣看作是不可壓縮的流體，根據伯努利方程，基本風壓為：

式中：

V0—基本風速，其值參考《全國基本分壓分布》選取適宜值；

ρ—空氣密度，其值參考《全國基本風壓分布圖》選取適宜值。

3.2 系統框架設計與工作原理

裝置主要由干簧開關、MPU6050陀螺儀、攝像頭、樹莓派、聲光報警器等組成。前二者作為傳感器，采集監測目標的具體數據，是裝置感知層的主要組成部分。

感知層與以樹莓派搭建的網絡層和應用層構成裝置的3大層級，相對應的傳感器、服務端、客戶端形成3層硬件構架支撐起裝置的運作。

感知層應用傳感器實時采集監測目標狀態信息并執行數據處理程序；樹莓派搭建的網絡層主要采用WiFi協議和ZigBee協議保證各個部分的數據傳輸，通過TCP/IP協議互聯網連接為信息的傳送提供了不同的路徑，信息在這一層傳輸，同時完成作出判斷和處理；應用層則主要是實現控制和預警的功能，有助于對過往行人預警及外出路線的合理規劃。應用層即對攝像頭，聲光報警器開斷的遠程控制以及預警短信提示的發送。其中，聲光報警分為三級：一級預警（目測有明顯傾斜晃動嚴重損傷且超出臨界值過大）：3盞紅色信號，燈警報器播放“廣告牌十分危險，請立即遠離繞行。”二級預警（目測有傾斜晃動一般損傷且超出臨界值稍大）：2盞紅色信號燈，警報器播放“廣告牌危險，請遠離。”三級預警（目測無明顯傾斜晃動略損傷且達到臨界值附近）：1盞紅色信號燈，警報器播放“廣告牌危險，請注意安全。”

裝置采用Python語言編程開發，主要具備監測、預警、傳輸3大功能。

選用干簧開關傳感器、MPU6050作為傳感器，考慮到風力和車輛路過產生振動對十分靈敏的陀螺儀極易產生干擾，使用MPU6050陀螺儀監測廣告牌的傾斜角度為主要檢測目標，以干簧開關檢測墻體和廣告牌牌身之間的相對運動為次要監測目標，對廣告牌的狀態進行預測。當檢測值達到設定值時，數據經過ZigBee傳輸到達樹莓派啟動默認報警程序進行現場聲光報警；同時監管人員收到預警信息在電腦端打開攝像頭進行現場確認，監管人員通過監控圖像對現場的危險程度做出判斷后可以選擇預警級別，改變現場的預警模式，同時向客戶端發送信息對過往行人予以警示，并組織維修人員進行相應的維修。目前應用于樹莓派的攝像頭主要有500w和800w像素兩種類型，可視距離為5～10m，由于檢測目標及其所處環境復雜多樣，在監測目標密集的地域最多可以檢測此范圍內約6-7個廣告牌。此范圍內的各個監測目標的信息通過ZigBee將數據傳輸給樹莓派，再經過云服務器傳遞給電腦端，顯示具體危險目標的位置。裝置形成無線傳感網絡進行遠程監控。通過程序的運行和電腦端監控人員利用攝像頭對現場情況的判斷，可以調控預警級別，達到此區域內預警的功能。其工作形式，如圖2、3。

圖2 產品結構圖Fig.2 Product structure

圖3 工作流程圖Fig.3 Working process

4 新型廣告牌安全監測硬件裝置

4.1 MPU6050陀螺儀

MPU6050由陀螺儀和加速度傳感器組成。用陀螺儀來保持方向，再設法讀取軸所指示的方向，并自動將數據信號傳給控制系統。加速度傳感器在加速過程中，通過對質量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。

相比于其他傾角傳感器，MPU6050具有特有的優勢，見表3。

傳感器類別 可測范圍 角度誤差 價格MPU6050 6軸 ≤1° 約15元ADXL345 3軸 ≤1° 約8元SCA100T 2軸 約0.1° 約160元

將MPU6050附著于廣告牌面板，廣告牌安全狀態下數據在預設限定范圍內，一旦出現異常情況，模塊采集到的加速度、角速度等參量經傳輸判斷超過設定閾值，啟動預設程序，電腦端出現預警。由于MPU6050十分敏感，牌體受到微小的擾動就可以監測到，因此與干簧開關相互配合可以提高裝置的準確度，它也是進行大數據分析的基礎。

4.2 干簧開關傳感器

干簧開關通常是由兩個無磁時斷開的軟磁性金屬簧片做成的[6]。簧片充當磁通導體，當通過永久磁鐵或者電磁線圈產生的磁場時兩片簧片產生不同的磁極，當吸引力大于簧片的彈力時兩片磁片吸合導通電路；當磁場減弱或消失后，接點因簧片的彈力自動彈開。

MKA14103是一款單觸點型磁控開關，主要用來與MPU6050相互配合，實現自檢功能。根據兩傳感器的狀態，見表4，可分為以下4種情況（以下簡稱MPU6050為M，干簧管為R）：

表4 MKA14103參數Tab.4 Parameters of MKA14103

將廣告牌的重心位置處貼合一塊永久磁鐵片，干簧開關固定在墻體上，使干簧開關初始位置在磁鐵片的正上方，干簧開關處于閉合狀態。若廣告牌松動產生相對位移，干簧開關閉合，導通電路。

4.3 ZigBee無線控制收發模塊

ZigBee是一種廉價的短距離、低功耗的短途無線組網通訊技術，目前廣泛應用于自動控制和遠程控制等領域[7]。

ZigBee無線控制收發模塊既要負責傳感器數據的讀取和預處理，又是組建無線網絡的基礎。采用射頻CC2530芯片用于實現 ZigBee模塊無線通信和收發采集數據[9]。CC2530芯片內部集成了無線射頻RF收發器，可以運行不同的模式，滿足超低功耗的需求。CC2530室外傳輸可達100m，滿足小范圍內的數據傳輸。

樹莓派只需要連接ZigBee協調器模塊就能輕松組建ZigBee網絡。Arduino是一個開放源代碼的平臺，該平臺含有簡單功能的電路板和程序開發軟件。傳感器和執行器模塊可以使用Arduino與ZigBee連接實現傳輸。故ZigBee協調器模塊借助Arduino+ZigBee開發板與樹莓派連接完成。

4.4 樹莓派

樹莓派采用ARM架構的嵌入式系統，以SD卡為內存硬盤，GPIO接口可以對外控制，實現與外部世界交互。樹莓派可以直接進行編程、編譯、運行，具備所有PC的基本功能。若通過網絡把它掛接到Internet上，可以遠程進行操作。

樹莓派上擁有專供攝像頭使用的CSI接口，只要將攝像頭連接到樹莓派上的CSI接口并通過特定指令啟動攝像頭模塊，就可以使用攝像頭實現遠程視頻監控。使用開源軟件mjpg-streamer，再利用互聯網就能遠程查看攝像頭所捕獲的畫面。mjpgstreamer從webcam攝像頭采集圖像，再以流的形式傳到網絡瀏覽器[10]。

樹莓派3B版相對而言功耗低、成本低，可滿足實現其各項功能。目前推出應用于樹莓派的攝像頭CCD主要為1/4英寸，像素以500w和800w為主，其中8000w靜態像素可達3280×2464，分為標準版和夜視版兩款類型，可視距離可達10m，標準版夜視效果不佳。本文采用500w通用款，具體參數，見表5。

表5 樹莓派常用攝像頭比較Tab.5 Comparison of common cameras of Raspberry Pi

使用繼電器控制聲光報警器的工作。樹莓派定期會檢查服務器數據庫中廣告牌的狀態數據，若有異常，控制繼電器連接的GPIO輸出電平的高低來控制繼電器的狀態以達到控制聲光報警器的目的。

樹莓派GIPO口上的串口與Arduino串口連接，實現串口通信[11]。

5 結論

（1）基于戶外廣告牌傾倒或墜落的危險性，為了更加有效地防止廣告牌的不安全狀態的存在，本文提出了一款基于樹莓派的戶外廣告牌遠程監測報警系統。該系統基于樹莓派的設計，利用MPU6050陀螺儀，干簧開關作為傳感器能夠有效地實時監測檢測戶外廣告牌的狀態。

（2）裝置體積小，成本低，可進行聲光雙重報警和遠程監控，有效地起到預警和提醒的作用；構建無線傳感器網絡，若結合GPS定位和云計算處理和數據分析，考慮不同區域的環境和建筑設施等外界因素（如區域風力大小，化工酸堿排放物）的影響。同時，裝置可以在商業區和居民區等區域重點監測。考慮到戶外廣告牌的使用壽命和安裝年限，可依據歷史預警數據對戶外廣告牌的安全性進行更加精準的安全預測。

（3）目前針對廣告牌及類似懸掛物的安全隱患進行防范的裝置較少。此裝置不僅可以檢測商業廣告牌及類似懸掛物，對于護欄、鐵塔，橋梁，輸電線等都可以起到預警作用。