基于树莓派的户外广告牌远程监控报警系统的研究

线媛媛 张亚娟庆民

（郑州航空工业管理学院 管理工程学院，河南 郑州 450046）

0 引言

广告牌一般分为挂墙式、落地式与顶部式3类。挂墙式广告牌采用螺栓直接固定于墙体，落地式广告牌多为大型广告牌，顶部式广告牌体积较大、安放位置较高。广告牌的各类安全问题随着广告牌数量的增加而日渐突出，多数发达国家的管理已经十分完善。如：法国对广告牌的材料密度与尺寸都有严格要求，且要求商铺的招牌只挂在自己商铺且不允许遮挡建筑物；地震频发的日本对广告牌的要求更为严格，日本新版本的《户外广告法》还创立了户外广告业注册制度，于2017年实施了《户外广告管理条例》。

我国《户外广告管理办法》第十七条规定：“户外广告的设计、制作和施工安装应符合相应的技术、质量标准”。然而目前国内广告牌的监督管理并不到位，现行的户外广告没有统一的管理主体，而且经审批后在广告牌的制作、取材用料、安装等环节普遍处于零监管状态，使广告牌的质量缺乏有效监管，加之广告牌安装后由于载荷、环境等问题日益老化锈蚀，为坠落事故的发生埋下安全隐患。近年来广告牌安全事故频频发生：2016年7月16日，河南郑州一装饰公司巨型广告牌突然坠落，导致两名小女孩不幸被砸；2017年8月31日，东莞一T型广告牌被风吹倒，直接造成6辆小车不同程度损坏；2018年8月12日，上海市一商铺广告牌脱落，砸伤9名过路群众。事故频发，不管是“天灾”还是“人祸”，管理是解决问题的关键。若户外广告牌均安装实时安全监测装置，则广告牌的安全状态将得到在线监测，传统监管模式中的人员巡查方式将为之替代。监测装置不仅可以对广告牌的危险状态做出预警，减少巨大损失，还能代替传统模式，节约大量人力物力资源。

本文采用MPU6050陀螺仪、干簧开关、树莓派、摄像头等低成本装置，构建远程监控、预警及信息传输为一体的通讯网络远程报警检测系统，能对广告牌进行有效的安全状态分析预测，实现远程监控及收发警报的功能，可以降低广告牌因自身危险性给人、物带来伤害或损失的概率，减少事故的发生。牌连有电路，牌体发生位移可能会导致电路短路发热，引燃牌体上的可燃物，从而引发火灾；从牌体本身来说，一旦发生事故，更换安装等事宜也会给商家带来一定的经济损失。

户外广告牌在使用过程中，由于多方面因素的影响总是会出现安全隐患，这些安全隐患大大增加了户外广告牌的坠落风险。采用基于鱼骨的FMEA分析法探究事故的致灾模式有助于我们理清事故的因果。

鱼骨图是寻找问题“根本原因”的方法。它按出现机会的概率大小罗列产生问题的可能，利于展示各个原因之间的关系，全面查找问题的致因[1]。利用鱼骨图对广告牌坠落潜在事故的起因进行分析，如图1。

图1 坠落致因鱼骨图Fig.1 Fishbone diagram of the falling cause

1 户外广告牌的危险性分析

广告牌设置在人口密集的公共场所，一旦发生安全事故，势必会带来一系列不良影响。广告牌一般设置在半空中，牌体一旦坠落，其能量可能导致过往行人受伤甚至死亡；广告牌安置附近常停有车辆，倾倒的广告牌可能会造成车辆及周边设施的损伤；常见的广告牌一般附设在建筑物墙体表面，坠落的广告牌势必会对墙体造成一定的损伤，可能会带来后续的墙体表面物体的坠落问题；一些广告

FMEA分析法即故障模式影响分析，是一种通过分析产品设计和加工过程中各种潜在的故障对其可靠性的影响分析法。FMEA分析法以产品的元件、零件或系统为分析对象，通过分析预测其在装配或工作时可能发生的故障，产生故障的原因，故障的严重程度并提出解决方案。该分析法通过识别潜在的失效模式和失效后果，确定故障严重程度（S），分析潜在失效起因机理确定发生率（O），分析故障检测的难易程度进行评价得到探测度（D），据风险顺序数（RNP）=严重度（S）×发生率（O）×探测度（D），计算出风险顺序数。利用FMEA分析户外广告牌致灾模式，见表1。

2 现有安全监测方法与产品

户外广告牌在安全状态下十分稳定，一旦出现松动即存在危险隐患。根据市面上的广告牌分布、广告牌的安装位置分类，广告牌大致可分为商铺悬挂的挂墙式广告牌、户外开阔地带的大型落地式广告牌与安装于建筑物顶部的屋顶式广告牌3类。

表1 FMEA分析致灾模式Tab.1 Analysis of the disaster model based on FMEA

挂墙式广告牌主要分布于各个商铺等小型建筑物外墙，分为广告牌牌体、墙面与支座3部分，用螺栓直接固定于墙体。落地式广告牌多为大型广告牌，主要分布于户外开阔地带，由底座、支柱和牌体组成。大型建筑物顶端多设顶部式广告牌，体积大、安放位置高，由广告牌牌体、支架、锚栓组成。

墙面式广告牌是最常见、应用最广泛的广告牌，是本装置主要检测的广告牌类型。

日常悬挂于墙面的的户外广告牌通常用膨胀螺丝固定，螺丝由于锈蚀而与螺栓紧密连接，故膨胀螺丝松动问题多出现在螺丝墙体连接处。若连接处发生松动，悬挂物由于外力等因素极易脱落，有坠物的危险；且一旦广告牌存在不安全状态，造成事故前必然有悬挂物体因受外力作用而与墙体有相对位移或晃动幅度超出安全范围的现象。本装置着手于连接处微小力的动态变化，检测悬挂物体的相对位移和晃动幅度并将其作为检测目标的双重预警，提高装置的准确性。

目前而言，市面上存在的对广告牌的安全监测装置主要有在线视频监测和基于RFID的射频识别两种类型[2]。

在线视频监控主要由摄像头和4G网络对监控目标进行算法处理实现服务端自动识别不安全状态并预警的装置。由于图像处理技术的限制，一些被遮挡或拍摄重叠的广告牌不能被有效监控；该装置更适用于大型户外广告牌，对一些小型广告牌密集的商业区达不到理想的效果；且该装置对能见度有较高要求，在恶劣天气状况下功能受到极大限制；且该装置只能发现明显倾斜，易造成预警不及时的情况。

RFID射频识别装置是基于RFID的射频识别系统（又称电子标签），通过无线电讯号识别目标及一系列读写程序，由手持终端设备读取目标数据实现监测广告牌状况的功能[3]。该设计有效节约人力物力监测广告牌，监测员仅通过手持终端即可了解广告牌的各项数据信息。但该设备无法远距离传输，只能传输5～8m，不适用于顶部式与落地式等大型广告牌；另外，由于需驾车前往各个广告牌所在处，而车内其他电子设备与手机等均产生电磁波，对手持终端产生干扰，影响最终的监测。

3 新型户外广告牌安全监测系统设计

3.1 风载荷对检测物体的影响

在外界环境因素中选取最为典型的风力因素作为研究对象，分析风载荷对广告牌的影响[4-5]。

根据我国《高耸结构设计规范》和《户外广告牌设施钢结构技术规程》，作用在户外广告牌上高度h处的单位面积风荷载的标准值ωK：

式中：

ωK—高度为h处单位面积的风荷载标准值；

βh—高度h处的风振系数；

μS—风载荷体型系数；

ω0—基本风压；

μh—风压高度变化系数。

风振系数βh值由《户外广告设施钢结构技术规程》中选取。 由《建筑结构载荷规范》可知，建筑物表面受风荷载作用时，因压力分布不均匀会有局部风压超过整体平均风压的情况。墙体风荷载体型系数：迎风面压力μS=1.0；背风面吸力μS=-0.6。

μh是 随着高度h增加的变化系数。其计算公式为在高度为300～550m选用n、α值，见表2。

表2 n、α与据地高度h的对应关系Tab.2 Corresponding relationship of n、α and h

用基本风压来表示风力作用的大小，将低速运动的空气看作是不可压缩的流体，根据伯努利方程，基本风压为：

式中：

V0—基本风速，其值参考《全国基本分压分布》选取适宜值；

ρ—空气密度，其值参考《全国基本风压分布图》选取适宜值。

3.2 系统框架设计与工作原理

装置主要由干簧开关、MPU6050陀螺仪、摄像头、树莓派、声光报警器等组成。前二者作为传感器，采集监测目标的具体数据，是装置感知层的主要组成部分。

感知层与以树莓派搭建的网络层和应用层构成装置的3大层级，相对应的传感器、服务端、客户端形成3层硬件构架支撑起装置的运作。

感知层应用传感器实时采集监测目标状态信息并执行数据处理程序；树莓派搭建的网络层主要采用WiFi协议和ZigBee协议保证各个部分的数据传输，通过TCP/IP协议互联网连接为信息的传送提供了不同的路径，信息在这一层传输，同时完成作出判断和处理；应用层则主要是实现控制和预警的功能，有助于对过往行人预警及外出路线的合理规划。应用层即对摄像头，声光报警器开断的远程控制以及预警短信提示的发送。其中，声光报警分为三级：一级预警（目测有明显倾斜晃动严重损伤且超出临界值过大）：3盏红色信号，灯警报器播放“广告牌十分危险，请立即远离绕行。”二级预警（目测有倾斜晃动一般损伤且超出临界值稍大）：2盏红色信号灯，警报器播放“广告牌危险，请远离。”三级预警（目测无明显倾斜晃动略损伤且达到临界值附近）：1盏红色信号灯，警报器播放“广告牌危险，请注意安全。”

装置采用Python语言编程开发，主要具备监测、预警、传输3大功能。

选用干簧开关传感器、MPU6050作为传感器，考虑到风力和车辆路过产生振动对十分灵敏的陀螺仪极易产生干扰，使用MPU6050陀螺仪监测广告牌的倾斜角度为主要检测目标，以干簧开关检测墙体和广告牌牌身之间的相对运动为次要监测目标，对广告牌的状态进行预测。当检测值达到设定值时，数据经过ZigBee传输到达树莓派启动默认报警程序进行现场声光报警；同时监管人员收到预警信息在电脑端打开摄像头进行现场确认，监管人员通过监控图像对现场的危险程度做出判断后可以选择预警级别，改变现场的预警模式，同时向客户端发送信息对过往行人予以警示，并组织维修人员进行相应的维修。目前应用于树莓派的摄像头主要有500w和800w像素两种类型，可视距离为5～10m，由于检测目标及其所处环境复杂多样，在监测目标密集的地域最多可以检测此范围内约6-7个广告牌。此范围内的各个监测目标的信息通过ZigBee将数据传输给树莓派，再经过云服务器传递给电脑端，显示具体危险目标的位置。装置形成无线传感网络进行远程监控。通过程序的运行和电脑端监控人员利用摄像头对现场情况的判断，可以调控预警级别，达到此区域内预警的功能。其工作形式，如图2、3。

图2 产品结构图Fig.2 Product structure

图3 工作流程图Fig.3 Working process

4 新型广告牌安全监测硬件装置

4.1 MPU6050陀螺仪

MPU6050由陀螺仪和加速度传感器组成。用陀螺仪来保持方向，再设法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。加速度传感器在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。

相比于其他倾角传感器，MPU6050具有特有的优势，见表3。

传感器类别 可测范围 角度误差 价格MPU6050 6轴 ≤1° 约15元ADXL345 3轴 ≤1° 约8元SCA100T 2轴 约0.1° 约160元

将MPU6050附着于广告牌面板，广告牌安全状态下数据在预设限定范围内，一旦出现异常情况，模块采集到的加速度、角速度等参量经传输判断超过设定阈值，启动预设程序，电脑端出现预警。由于MPU6050十分敏感，牌体受到微小的扰动就可以监测到，因此与干簧开关相互配合可以提高装置的准确度，它也是进行大数据分析的基础。

4.2 干簧开关传感器

干簧开关通常是由两个无磁时断开的软磁性金属簧片做成的[6]。簧片充当磁通导体，当通过永久磁铁或者电磁线圈产生的磁场时两片簧片产生不同的磁极，当吸引力大于簧片的弹力时两片磁片吸合导通电路；当磁场减弱或消失后，接点因簧片的弹力自动弹开。

MKA14103是一款单触点型磁控开关，主要用来与MPU6050相互配合，实现自检功能。根据两传感器的状态，见表4，可分为以下4种情况（以下简称MPU6050为M，干簧管为R）：

表4 MKA14103参数Tab.4 Parameters of MKA14103

将广告牌的重心位置处贴合一块永久磁铁片，干簧开关固定在墙体上，使干簧开关初始位置在磁铁片的正上方，干簧开关处于闭合状态。若广告牌松动产生相对位移，干簧开关闭合，导通电路。

4.3 ZigBee无线控制收发模块

ZigBee是一种廉价的短距离、低功耗的短途无线组网通讯技术，目前广泛应用于自动控制和远程控制等领域[7]。

ZigBee无线控制收发模块既要负责传感器数据的读取和预处理，又是组建无线网络的基础。采用射频CC2530芯片用于实现 ZigBee模块无线通信和收发采集数据[9]。CC2530芯片内部集成了无线射频RF收发器，可以运行不同的模式，满足超低功耗的需求。CC2530室外传输可达100m，满足小范围内的数据传输。

树莓派只需要连接ZigBee协调器模块就能轻松组建ZigBee网络。Arduino是一个开放源代码的平台，该平台含有简单功能的电路板和程序开发软件。传感器和执行器模块可以使用Arduino与ZigBee连接实现传输。故ZigBee协调器模块借助Arduino+ZigBee开发板与树莓派连接完成。

4.4 树莓派

树莓派采用ARM架构的嵌入式系统，以SD卡为内存硬盘，GPIO接口可以对外控制，实现与外部世界交互。树莓派可以直接进行编程、编译、运行，具备所有PC的基本功能。若通过网络把它挂接到Internet上，可以远程进行操作。

树莓派上拥有专供摄像头使用的CSI接口，只要将摄像头连接到树莓派上的CSI接口并通过特定指令启动摄像头模块，就可以使用摄像头实现远程视频监控。使用开源软件mjpg-streamer，再利用互联网就能远程查看摄像头所捕获的画面。mjpgstreamer从webcam摄像头采集图像，再以流的形式传到网络浏览器[10]。

树莓派3B版相对而言功耗低、成本低，可满足实现其各项功能。目前推出应用于树莓派的摄像头CCD主要为1/4英寸，像素以500w和800w为主，其中8000w静态像素可达3280×2464，分为标准版和夜视版两款类型，可视距离可达10m，标准版夜视效果不佳。本文采用500w通用款，具体参数，见表5。

表5 树莓派常用摄像头比较Tab.5 Comparison of common cameras of Raspberry Pi

使用继电器控制声光报警器的工作。树莓派定期会检查服务器数据库中广告牌的状态数据，若有异常，控制继电器连接的GPIO输出电平的高低来控制继电器的状态以达到控制声光报警器的目的。

树莓派GIPO口上的串口与Arduino串口连接，实现串口通信[11]。

5 结论

（1）基于户外广告牌倾倒或坠落的危险性，为了更加有效地防止广告牌的不安全状态的存在，本文提出了一款基于树莓派的户外广告牌远程监测报警系统。该系统基于树莓派的设计，利用MPU6050陀螺仪，干簧开关作为传感器能够有效地实时监测检测户外广告牌的状态。

（2）装置体积小，成本低，可进行声光双重报警和远程监控，有效地起到预警和提醒的作用；构建无线传感器网络，若结合GPS定位和云计算处理和数据分析，考虑不同区域的环境和建筑设施等外界因素（如区域风力大小，化工酸碱排放物）的影响。同时，装置可以在商业区和居民区等区域重点监测。考虑到户外广告牌的使用寿命和安装年限，可依据历史预警数据对户外广告牌的安全性进行更加精准的安全预测。

（3）目前针对广告牌及类似悬挂物的安全隐患进行防范的装置较少。此装置不仅可以检测商业广告牌及类似悬挂物，对于护栏、铁塔，桥梁，输电线等都可以起到预警作用。