基于樹莓派的室內煙霧檢測系統的設計與實現

陳佳

摘 要：文章介紹了Linux操作系統環境下基于樹莓派微型計算機的室內煙霧檢測系統的設計與實現。本系統集合了嵌入式開發的模塊化優點和計算機處理復雜問題的能力，而且可以長期穩定運行。檢測系統是面向所有用戶的，以實現超過設定濃度值報警為基礎功能，結合溫度濕度的錄入，并且給用戶提供可以對實時狀態進行查詢的渠道。

關鍵詞：煙霧檢測；報警；樹莓派；Python；電子郵件

煙霧檢測在生活生產中十分必要，因為隨著火力、電力的完全普及，人們的生活越來越方便。但是無論是家庭使用還是工廠生產，能源使用的安全隱患是一定存在的。所以，危害檢測系統已經發展了很長時間，可以有效減少危機的擴大。物質在燃燒過程中產生大量的煙和熱，所以煙霧濃度和環境溫度的檢測，可以有效預防火災。

本系統采用的樹莓派由于其體積小，安裝也極其方便。更重要的是，樹莓派基于Linux系統，在實現基本功能之后，還可以根據自身需要，編輯更多的配套功能。相比于現在如單片機的嵌入式開發的檢測系統，樹莓派擁有潛力和更多的可能性。比如借助于樹莓派的網絡連接功能，數個檢測系統可以同時或者分時工作構成一個傳感系統網，并且和大數據技術相結合，或者成為今后智能家居系統的一部分，有效減少系統固有成本和維護復雜度，增加運行穩定性，靈活拓展性和智能化。

1 系統架構設計

1.1 系統總體結構

用戶可以在檢測濃度超過警戒值時收到郵件報警通知，如果當時位于設備附近，當溫度，煙霧超標時，還會聽到蜂鳴器的警示聲音。用戶還可以調整溫度以及煙霧濃度提示的警戒值。用戶也可以操作樹莓派或者遠程訪問樹莓派內安裝的MySQL數據庫，進行增刪改查工作，并且可以更改用戶的郵箱地址。還可以通過簡單的信息轉入，得到一段溫濕度數據的折線圖分析和煙霧報警狀態的集中分析[1]。系統各功能模塊結構如圖1所示。

1.2 數據庫設計

本設計數據庫結構簡單，數據較少，包括兩個信息表：煙霧狀態信息表、溫度濕度信息表。

1.2.1 煙霧狀態信息表

煙霧狀態信息表用來儲存MQ-2傳感器得出的狀態信息并且記錄時間，具體如表1所示。

1.2.2 溫度濕度信息表

溫度濕度信息表用來存儲DHT11傳感器獲取的溫度濕度數據的整數部分以及記錄時間，具體如表2所示。

2 關鍵技術

2.1 Linux操作

Linux操作系統是一種克隆系統，由UNIX操作系統發展而來，自誕生已有近30年。特點是高效、靈活，其模塊化設計可以在龐大的工作站抑或是微型PC機上，具有多任務、多用戶的能力。操作系統的軟件包包括了文本編輯器、高級語言編譯器等應用軟件。

在本課題設計中，多次使用LX命令端下的sudo命令，就是一種Linux的系統管理指令。它讓系統的管理員允許普通用戶執行部分或者全部的root命令。例如，sudonano是以最高權限啟動nano文本編輯器，這樣可以對系統內部文件進行修改。

2.2 基于Python的STMP協議email模塊使用

Python的smtplib提供了一種很方便的途徑發送電子郵件。它對smtp協議進行了簡單的封裝。

smtp協議的基本命令包括：（1）HELLO：向服務器標識用戶身份。（2）MAIL：初始化郵件傳輸mail from。（3）RCPT：標識單個的郵件接收人；常在MAIL命令后面，可有多個rcpt to。（4）DATA：在單個或多個RCPT命令后，表示所有的郵件接收人已標識，并初始化數據傳輸，以“.”結束。（5）VRFT：用于驗證指定的用戶/郵箱是否存在；由于安全方面的原因，服務器常禁止此命令。（6）EXPN：驗證給定的郵箱列表是否存在，擴充郵箱列表，也常被禁用。（7）HELP：查詢服務器支持什么命令。（8）NOOP：無操作，服務器響應OK。（9）QUIT：結束會話。（10）RSET：重置會話，當前傳輸取消。（11）MAIL FROM：指定發送者地址。（12）RCPT TO：指定接收者地址。

2.3 樹莓派GPIO模塊

通用輸入/輸出（General Purpose Input Output，GPIO）又稱為總線擴展器，利用工業標準I2C，SMBus或串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）簡化了I/O口的擴展。當微控制器或芯片組沒有足夠的I/O端口，或當系統需要采用遠端串行通信或控制時，GPIO產品能夠提供額外的控制和監視功能。

2.4 LibreOfficeCalc

LibreOffice是一款功能強大的辦公軟件，默認使用開放文檔格式，并支持其他多種文檔格式，比如*.docx，*.xlsx，*.pptx等。它是跨平臺軟件，可運行于Microsoft Windows，GNU Linux以及Mac OS X等操作系統上，這是選擇這款應用的一大原因。它是自由軟件，對個人和企業用戶均免費。另一方面則是因為它在保證功能實現的基礎上非常輕量化，保證了在樹莓派上的可操作性和穩定性[2]。

3 結語

本課題基于樹莓派系統，具有電腦的所有基本功能，是一個具有彈性的平臺，但是功耗發熱小，體積不大，方便攜帶。經過測試，程序運行穩定，進行修改和調整也十分方便，而且開源軟件也可以避免軟件收費之爭[3]。其CPU時鐘默認為700 MHz，并允許超頻工作在1 GHz以上[4]，相比各式單片機具有方便拓展的優勢。系統工作時，在溫度高于40 ℃的時候，會判定為有發生火災，產生煙霧的隱患，則會使蜂鳴器工作，發出鳴響，提醒用戶檢查環境是否安全。而在檢測到煙霧超標信號時可以及時給設定郵箱發送用于警告的電子郵件，并且在問題解除之后更新郵件信息。整個流程穩定可控，數據也可以從數據庫里進行查看。

如今，網絡使用已經深入千家萬戶，智能設備的發展更是備受歡迎。今后，能將樹莓派開發與智能家居相結合，打造更便捷的居住環境，才會在未來的發展中占據優勢。

[參考文獻]

[1]王景春.火災中煙霧危害及防控對策[J].中國新技術新產品，2012（3）：252.

[2]陳智銘.Android架構的視頻監控系統及其煙霧檢測的研究與實現[D].福建：華僑大學，2013：2-3.

[3]吳敏，劉旭明.基于AT89S52單片機的火災自動報警系統的仿真設計[J].金陵科技學院學報，2012（3）：29-34.

[4]李杰，朱海鷹.便攜式氣體檢測儀在石化廠的運用[J].石油化工安全技術，2000（1）：37-40.

Abstract：This paper introduces the design and implementation of indoor smoke detection system based on Raspberry Pi microcomputer under Linux operating system environment. The system integrates the modular advantages of embedded development and the ability of computer to handle complex issues， and can operate stably for a long time. The detection system is for all users， in order to achieve more than the set value of alarm-based functions， combined with temperature and humidity input， and to provide channel for users to query real-time status.

Key words：smoke detection； alarm； Raspberry Pi； Python； E-mailendprint