基于Raspberry Pi的超聲波測距防盜報警系統

陳俊濤??

摘要：文中詳細介紹了基于Raspberry Pi3的超聲波測距報警系統的設計與實現方法。本系統以Raspberry Pi3為核心，應用超聲波測距傳感器對待測物體進行測距、蜂鳴器模塊進行報警。該系統可應用于貴重物品防盜報警、盲人便攜式報警器等。

關鍵詞：Raspberry Pi；超聲波傳感器；報警系統

當前，基于樹莓派和各種集成應用系統層出不窮。本文就是基于樹莓派并集成了超聲波測距傳感器和蜂鳴器設計實現的一個報警系統。

超聲波測距傳感器中主要利用了超聲波的特性。超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過程中衰減較小、反射能力較強等優點，超聲波傳感器可廣泛應用于非接觸式檢測方法，因而采用仿真技術進行超聲波測距。采用超聲波技術生產的超聲波傳感器與樹莓派結合使用，可以構建超聲波測距防盜報警系統。

1 硬件簡介

1.1樹莓派簡介

Raspberry Pi（中文名為“樹莓派”，即Raspberry Pi電腦板，簡寫為RPi，或者RasPi / RPI）是一種只有信用卡大小的微型電腦。它由英國慈善組織“Raspberry Pi慈善基金會”開發，2012年3月正式對外發售，號稱世界上最小的臺式機，又稱卡片式電腦，卻具有電腦的所有基本功能。樹莓派具有編程靈活、可定制信號類型和易于適應現有設備等優點，為工業領域帶來許多益處。它能成為普通工業設備的替代品，成本低廉且靈活，為小型傳統工業系統添加遠程控制和監控功能。當前，RPi被廣泛應用于智能家居、快速電子成型和家庭DIY等方面。本文將以樹莓派3代B型機作為開發機，它采用了Broadcom的BCM2837芯片，CPU基于ARM CortexA53架構，共4個核心，運行頻率1200MHz，具有1GB DDR2內存。樹莓派3代B型機接口豐富，擁有4個USB2.0規范接口，1個HDMI接口，1個RJ45接口；還有1個MicroSD卡槽，17個GPIO及HAT（擴展板）規格鋪設；15針頭 MIPI 相機 （CSI） 界面，可被樹莓派相機或樹莓派相機（無紅外線版）使用。

1.2 其他使用的硬件

系統中還使用了超聲波測距傳感器和蜂鳴器。

2 系統設計方案

2.1 硬件設計方案

系統中，樹莓派作為系統的中央控制器，在系統啟動后，樹莓派先向超聲波測距傳感器（HCSR04）的TRIG針腳發送至少10us的觸發信號，超聲波測距傳感器模塊內部將發出8個40kHz 周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則ECHO針腳輸出一高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，測量距離=（高電平時間*聲速（340m/s））/2，該距離即為貴重物品與超聲波測距傳感器之間的距離。

系統再根據所測距離值與系統設定的閾值（貴重物品與超聲波傳感器之間的預設距離）進行比較，如超出閾值范圍，說明貴重物品被移開（即被盜），樹莓派將激活蜂鳴器進行報警。

2.2 軟件設計方案

軟件編程主要使用Python編程語言，調用Raspbian操作系統中基于Python的RPI.GPIO庫來對連接在樹莓派GPIO接口的超聲波測距傳感器、蜂鳴器等設備進行控制。超聲波測距傳感器（HCSR04）在測距中的關鍵代碼如下：

# 初始化；注意輸出與輸入的接口，17為發射，18為接收

Trig_Pin = 17

Echo_Pin = 18

GPIO.setmode（GPIO.BCM）

GPIO.setup（Trig_Pin，GPIO.OUT，initial = GPIO.LOW）

GPIO.setup（Echo_Pin，GPIO.IN）

GPIO.output（Trig_Pin，False）

while 1：

time.sleep（1）

# I/O 觸發，發送10us以上的高電平，模塊自動發送8個40khz的方波

GPIO.output（Trig_Pin，GPIO.HIGH）

time.sleep（0.00001）

t1 = time.time（）

# 未接收為False，循環檢查開始接收點，轉為True為開始接收

while GPIO.input（Echo_Pin）==FALSE：

pass

# 循環檢查開始接收，轉為False，則為接受完畢

while GPIO.input（Echo_Pin）：

pass

t2 = time.time（）

# 計算發送與接收時間差

t3 = t2t1

# 空氣中1個標準大氣壓在溫度15攝氏度時速度為340m/s

# 所以按照一秒鐘34000厘米計算

# 根據硬件說明文檔，該模塊探測距離在2450cm之間

# 測試范圍的時間間隔應該為0.000132到0.023529

# 為了方便取值自行變化一點

if 0.0235 > t3 > 0.00015：

return t3*34000/2

3 結語

基于Raspberry Pi的超聲波測距防盜報警系統解決方案能較好地實現進行超聲波測距，并根據所測距離與設定閾值進行比較，判斷貴重物品的距離是否超過閾值，如果超出閾值范圍的距離就進行報警。該系統可應用于貴重物品防盜報警（一旦貴重物品被移開超過設定的距離值即報警），還可用于設計盲人便攜式報警裝置等，并且樹莓派的功耗極低，能保持長時間穩定運行，系統設計簡單、成本低廉，未來將會在更多領域發揮積極作用。

參考文獻：

[1]黃迪.物聯網的應用和發展研究[D].北京：北京郵電大學，2011.

[2]張鴻濤.物聯網關鍵技術及系統應用（第2版）[M].北京：機械工業出版社，2017.

[3]吳建平.傳感器原理及應用（第3版）[M].北京：機械工業出版社，2016.

[4]張永安.基于樹莓派的智能家居系統[J].電子世界，2016（15）.

作者簡介：陳俊濤（1977），男，講師，碩士，主要研究方向為嵌入式系統、物聯網等。