基于樹莓派的遠程火災報警裝置設計＊

吳積鋒，宋志強

(1.南京信息工程大學濱江學院自動化學院，江蘇 無錫 214105；2.無錫學院自動化學院)

0 引言

現(xiàn)代社會隨著科技的飛速發(fā)展，電子產品的種類和數(shù)量也愈發(fā)多了起來，由于用電負荷日漸增大，家庭火災事故也因此頻繁發(fā)生?；馂陌l(fā)生時所產生的破壞性極大、影響力極強，并且火災的發(fā)生具有不確定性，因此會給人民的生命和財產安全帶來巨大的潛在危險[1]。為了有效防范火災，必須十分重視對火災的及時預警，本文提出了基于樹莓派的遠程火災報警裝置設計。該裝置通過溫濕度傳感器和煙霧傳感器對監(jiān)測環(huán)境進行數(shù)據的檢測，并將數(shù)據發(fā)送到手機app 達到實時監(jiān)測的效果。并且在發(fā)生火災時，能第一時間發(fā)送火災警報信息到手機app，警示監(jiān)測人員，從而實現(xiàn)火災的遠程報警。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)整體可以分為硬件部分和軟件部分，其中硬件部分由數(shù)據采集模塊、樹莓派模塊、手機監(jiān)測模塊組成。數(shù)據采集模塊對環(huán)境參數(shù)進行采集，手機監(jiān)測模塊通過WIFI 與樹莓派通信來實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測以及接收火災發(fā)生時來自樹莓派的報警信息[2]。它和傳統(tǒng)的火災報警裝置相比功能更加強大且方便，不再局限于距離這個缺點，即使你在公司工作時，若家里出現(xiàn)了火情，你也能通過自己的智能手機第一時間發(fā)現(xiàn)并且及時報警去處理火情。而且你也可以通過手機實時監(jiān)測家里的溫濕度參數(shù)并人為調整居家環(huán)境，從而有效避免火災的發(fā)生。系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。

圖1 總體設計

2 火災報警裝置硬件設計

本裝置的硬件部分采用樹莓派4B作為主控制器，將SD 卡作為內存硬盤，通過樹莓派自身板載的WIFI模塊、傳感器模塊完成監(jiān)控報警的任務。

2.1 主控制器

樹莓派4B 是一款基于ARM 的微型電腦主板，芯片采用BCM2711，頻率為1.5GHz，主板周圍有四個USB 接口（二個USB3.0 和二個USB2.0 接口）、二個Micro HDMI ports,40 個GPIO 接口，一個Micro SD卡插槽。以上部件全部集中在類似信用卡大小的主板上，并且?guī)缀鯎碛杏嬎銠C主機的所有功能[3]。并且通過GPIO 接口與傳感器引腳連接，可以對采集到的數(shù)據進行數(shù)據處理以及儲存管理，眾多的GPIO 接口使得裝置具有更好的拓展性，為以后火災報警裝置的功能拓展留有余地[4]。

2.2 WIFI模塊

該模塊是一個高度集成的單芯片WIFI模塊，具有功耗低，穩(wěn)定性高、運行速度快等特點[5]。該模塊支持2.4GHz 和5GHz 雙頻WIFI，支持藍牙5.0 以及調頻接收機，一個獨立的高速UART 提供藍牙/FM 主機接口[6]。

2.3 傳感器模塊

該模塊要做好對于監(jiān)測環(huán)境的溫濕度以及煙霧的探測，使火災的發(fā)現(xiàn)具有穩(wěn)定性和可靠性。鑒于各方面考慮，為了采集監(jiān)測環(huán)境下適用于判斷火災發(fā)生的參數(shù)，本設計選擇了溫濕度傳感器以及煙霧傳感器作為數(shù)據的采集模塊端。溫濕度傳感器模塊使用的是DHT11溫濕度傳感器，其主要是實現(xiàn)實時采集裝置所監(jiān)測環(huán)境的溫濕度數(shù)據。該模塊體積小，功耗低，并且自帶模數(shù)轉換芯片，可以直接輸出數(shù)字信號，信號傳輸距離可達20米以上。該傳感器測量范圍：濕度20-90%RH，溫度0-50℃。測量精度：濕度±5%RH，溫度±2℃；分辨率：濕度1%RH，溫度1℃[7]。煙霧傳感器模塊使用的是MQ-2 煙霧傳感器，MQ-2 的驅動電路簡單，工作性能較好，具有重復性和穩(wěn)定性，并且該器件對于火情的響應非常迅速。該氣敏元件有六只引腳，其中四只引腳用于信號的輸出以及二只腳用于提供加熱電阻。其檢測可燃氣體與煙霧的范圍是100～10000ppm（ppm 為濃度單位），供電電壓范圍寬，24V以下均可，加熱電壓5±0.2V。樹莓派不帶有數(shù)模轉換模塊，而需要MQ-2 傳感器輸出為模擬量，因此，本設計選擇外接Pcf8591模塊進行數(shù)模轉換。

2.4 Pcf8591模塊

Pcf8591 是一個單片集成、低功耗的、并且單獨供電(其操作電壓范圍為2.5V～6V)、8-bit CMOS 數(shù)據獲取器件。該器件具有四個模擬輸入（可編程為單端型或差分輸入）、一個模擬輸出以及一個串行I2C 總線接口。因此具有多路模擬輸入、內置跟蹤保持、8-bit 模數(shù)和數(shù)模轉換的功能，該器件的最大轉換速率由I2C總線的最大速率決定。

3 系統(tǒng)軟件技術

系統(tǒng)軟件在樹莓派的Raspbian 操作系統(tǒng)基礎上開發(fā)，以Python 作為主要開發(fā)語言，對采集到的數(shù)據進行快速處理，以Blynk 平臺設計手機實時監(jiān)測界面，火災信息可通過發(fā)送郵件到用戶郵箱實現(xiàn)火災報警。

3.1 操作系統(tǒng)

樹莓派安裝Raspbian 操作系統(tǒng)，Raspbian 能運行主要的軟件工具和應用程序，在樹莓派硬件上搭載Raspbian 系統(tǒng)，可以根據自身的需求對Raspbian 進行完善，使得能夠運行各類程序并滿足用戶需求，進行所需的運算處理[8]。

3.2 系統(tǒng)環(huán)境配置

為了使傳感器能在樹莓派中正常使用，需要導入相應的數(shù)據庫[9]。有Adafruit DHT11 庫、GPIO 模塊、數(shù)模轉換模塊庫、時間模塊庫、OS模塊庫等，并且需要在樹莓派中建立Blynk 本地服務器，才可以將采集的數(shù)據與在Blynk中建立的項目模塊相聯(lián)系。

3.3 基于Blynk的監(jiān)測界面設計

Blynk 是一種物聯(lián)網服務，其目的是在于使遠程控制和從外圍設備中讀取傳感器數(shù)據的速度盡可能的快和容易。本設計將傳感器采集到的數(shù)據通過在Blynk設計的界面呈現(xiàn)，如圖2所示。采用四個模塊分別顯示溫度、濕度、煙霧的數(shù)據，以及最終判斷是否發(fā)生火災的提示；添加了兩個趨勢圖，可以更好的呈現(xiàn)監(jiān)測環(huán)境的溫濕度變化情況，利于用戶更好的調整監(jiān)測環(huán)境，有效的避免火災的發(fā)生。

圖2 手機監(jiān)測界面設計

3.4 郵件報警

鑒于用戶不會時時刻刻在監(jiān)測頁面查看的情況，因此添加郵件報警的功能。開啟網易163 郵箱以及QQ 郵箱的SMTP 服務，采用樹莓派的發(fā)送郵件功能。在主程序的設計語句中，進行是否發(fā)生火災的判斷，發(fā)生火災，則發(fā)送報警信息。

3.5 軟件程序設計

在搭建好樹莓派的系統(tǒng)環(huán)境及配置后，需要根據設計內容進行程序的編寫。圖3 為基本操作流程圖，先分析火災報警信號的采集、傳輸、故障處理環(huán)節(jié)的程序編寫。其主要代碼如下：

圖3 基本操作流程圖

將采集數(shù)據傳遞到app 顯示端，編寫判斷火災是否發(fā)生的程序，程序主要代碼如下：

最后編寫發(fā)生火災時App顯示的狀況以及郵件報警的程序，實現(xiàn)了遠程火災的報警功能。其主要代碼如下：

4 性能測試

選擇各模塊與樹莓派進行連接后，將樹莓派通電并運行Python 程序。所設置的Blynkapp 頁面在一秒后響應，會立即顯示出所監(jiān)測環(huán)境的溫濕度以及煙霧數(shù)據。在不同環(huán)境下測試，多次運行均未發(fā)現(xiàn)異常，app 界面的數(shù)據更新迅速，使用戶能夠做到實時監(jiān)測。為了模擬火災發(fā)生情況，通過局部位置燃燒物品產生的溫度以及濃煙?？梢杂^察到App界面的趨勢圖明顯的變化，當達到報警閾值時，郵箱接收到來自樹莓派的報警信息。

5 結束語

基于樹莓派的遠程火災報警裝置可以實時采集所監(jiān)測環(huán)境的數(shù)據并在用戶的手機App 中呈現(xiàn)出來，該裝置采用的傳感器對于火情反應比較靈敏，檢測范圍很適合放在家中使用。系統(tǒng)整體小巧，不會占太多的空間。系統(tǒng)后續(xù)可以通過樹莓派USB 等接口拓展攝像頭功能，做到監(jiān)測火災的同時能實時監(jiān)控家中的情況。該系統(tǒng)成本較低，運行穩(wěn)定，準確度較高，具有一定的應用前景。