基于Raspberry Pi和Arduino的智慧家庭消防監控系統

盛希寧

（江蘇聯合職業技術學院常州劉國鈞分院，江蘇常州 213000）

0 引言

隨著科技的發展，人們越來越重視居家生活的高效、舒適、安全和便利性，兼顧網絡通信、自動化管理等功能為一體的智慧家庭監控系統也逐漸發展成型[1]。因此，開發具有警報和防護功能的智慧家庭消防系統對于提升居家環境的安全防范性即顯得尤為重要。

本研究提出的基于樹莓派Raspberry Pi 3和Arduino Mega2560平臺的智慧家庭消防監控系統，利用無線傳感器網絡的概念，結合多種傳感器測量技術[2]，通過監測居家環境中的火源和一氧化碳濃度，為保護家庭成員的生命和財產安全提供有效的預警機制。

1 系統硬件架構設計

本研究的目的在于提出一種成本合理、品質穩定、架構開放、具有較高精確度、豐富的軟硬件支持及擴展性良好的智慧家庭消防監控系統，讓使用者能充分掌握來自于系統的火源和一氧化碳濃度等監測數據結果。本系統的硬件架構設計如圖1所示。

基于Raspberry Pi 3和Adruino平臺設計的智慧家庭消防監控系統的硬件架構具體分為3個單元：（1）控制器單元，包括Raspberry Pi 3 GPIO控制板、Arduino Mega2560模塊和基本擴展板，兩者通過USB方式進行連接；（2）監測單元，包括火焰傳感器模塊、氣體傳感器模塊、Raspberry Pi NoIR Camera樹莓派紅外夜視監控攝像頭；（3）數據處理及通信單元，Raspberry Pi 3，負責執行程序與進行數據的輸入、處理和輸出，其內部有工作頻率達1.2 GHz的四核處理器、1 GB LPDDR2存儲器和藍牙4.1芯片。

圖1 智慧家庭消防監控系統硬件架構

以Raspberry Pi和Adruino模塊實現的智慧家庭消防監控系統硬件如圖2所示。

圖2 智慧家庭消防監控系統硬件實物

1.1 Raspberry Pi 3和Adruino開發平臺

本系統采用樹莓派3作為核心軟硬件平臺，它提供了內建無線上網功能，能與Arduino模塊進行信號傳輸及通信，并執行Python程式驅動火焰傳感器模塊、氣體傳感器模塊和樹莓派紅外夜視監控攝像頭。Arduino模塊與樹莓派GPIO控制板負責連接和控制各個傳感器模塊，并接收來自樹莓派中執行的Python或Arduino IDE程序指令，進行測量操作并返回測量的數據結果。

Arduino Mega2560和傳感器的主要功能是監測火焰和一氧化碳濃度，當系統判定有危險時發出警報，并立即進行現場控制處理。傳感器實時采集的數據將傳至Raspber?ry Pi 3，由其將監測的數據進行保存，后續將進一步設計經由Adruino微控制器處理后傳至云端服務器，并把即時信息發送給使用者。同時，啟動Raspberry Pi NoIR Camera樹莓派紅外夜視監控攝像頭進行現場監控，使用者可以通過智能手機和計算機等終端提供的監控軟件實時查看視頻，在系統所處空間中監測到危險時進行及時處理。

1.2 火焰傳感器模塊

火焰傳感器是以紅外線接收管為核心的傳感器模塊。火焰是由各種燃燒生成物、中間物、高溫氣體、碳氫物質以及無機物質為主體的高溫固體微粒構成的[3]。火焰的熱輻射具有離散光譜的氣體輻射和連續光譜的固體輻射，不同燃燒物的火焰光輻射強度與紅外線波長分布有所差異。它即利用了光的折射與反射特性，通過紅外線接收管檢測火焰，將火焰的亮度轉換為高低變化的電平信號。本文使用了5路火焰傳感器監測火源，能夠探測火焰發出的波段范圍為700～1 100 nm的短波近紅外線，探測角度大于120°，其廣角度的探測范圍較之普通的火焰傳感器的探測范圍更大，同時，其探測距離和模擬輸出電流的靈敏度可以根據具體需要進行調節。火焰越大，測試距離越遠，適用于各種場合。

1.3 MQ-7型氣體傳感器模塊

氣體傳感器是將氣體（一般指空氣）中含有的特定氣體（即待測氣體）濃度轉換為相應的電信號[4]。本文選用了MQ-7型氣體傳感器，它所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫，采用高低溫循環的檢測方式，在1.5 V低溫加熱模式時檢測一氧化碳。傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，在5 V高溫加熱模式時清洗低溫時吸附的雜散氣體，使用簡單的電路即可以將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的電信號輸出。MQ-7氣體傳感器對一氧化碳氣體濃度的檢測靈敏度高、使用壽命長、成本低，這種傳感器可以檢測多種含一氧化碳的氣體，檢測范圍可達20～2 000 ppm，是一款適合于庭家用燃氣泄漏監測、工業用一氧化碳氣體監測等多種應用環境的低成本傳感器。本研究中應用MQ-7進行一氧化碳濃度監測的電路設計，如圖3所示。

圖3 一氧化碳濃度監測電路

1.4 系統可擴展的功能模塊

本系統可擴展的模塊包括Raspberry Pi NoIR Camera樹莓派紅外夜視監控攝像頭，它與樹莓派兼容，自帶紅外補光燈，增加了紅外夜視處理的功能，對角視場角為160°，較普通鏡頭的視野更為開闊，因此應用范圍更加廣泛。

很多大電流或高電壓的設備通常無法直接使用Ardui?no芯片的數字I/O端口進行驅動，本系統使用了繼電器控制風扇和電磁閥，彼此間還存在聯動控制關系，因此，需要使用8路繼電器模塊來控制多個負載，例如電磁閥、伺服電機等[5]。

為了支持5路火焰傳感器和Raspberry Pi NoIR Camera樹莓派紅外夜視監控攝像頭左右轉動進行監測，本設計特選用了輝盛SG90伺服電機，它采用高強度的ABS透明外殼配合內部高精度尼龍齒輪組、精準的控制電路、高檔輕量化空心杯電機。該微型馬達的重量僅有10 g，而輸出扭力可達18 N。

2 系統軟件設計

本系統的軟件部分主要以Linux為核心，使用樹莓派官方網站提供的Raspbin4.4版本。在Raspberry Pi 3開發主機上撰寫Arduino程序，開啟終端機功能后，啟動Arduino IDE即可編譯程序。系統軟件功能主要包括：電源穩壓管理、伺服電機控制、Raspberry Pi NoIR Camera紅外夜視監控攝像頭監測、火焰傳感器監測、一氧化碳濃度監測等。圖4所示為在Arduino IDE中執行的一氧化碳濃度監測程序。在未監測到超標時繼續監測；若監測到一氧化碳濃度數值超過安全限制的100 ppm，則蜂鳴器響起，啟動繼電器，風扇開始工作散熱，并實時顯示監測到的一氧化碳濃度數值。如警報解除則返回開始持續監測一氧化碳濃度。

圖4 Arduino IDE執行一氧化碳濃度監測程序

圖5 Arduino IDE執行伺服電機的控制程序

經系統實際測試，Arduino IDE執行一氧化碳濃度監測程序可以得到正常的動作和結果。以伺服電機驅動5路火焰傳感器來擴大其監測范圍。Arduino IDE執行伺服電機的具體控制程序如圖5所示。

3 智慧家庭消防監控系統模擬測試

在系統的模擬測試中，將打火機作為火源，并將瓶裝一氧化碳釋放到空氣中。MQ-7氣體傳感器監測空氣中的一氧化碳濃度。當一氧化碳濃度超過安全限制的100 ppm，蜂鳴器響起，并啟動風扇動作。伺服電機配合五路火焰傳感器的應用將原有的監測范圍120°擴展為300°。當監測到有火焰時，伺服電機停止動作，進入固定方向的監測。

通過實測發現，火焰的監測在有燈光和無燈光時有一定的差異。因此，需要通過調節MQ-7氣體傳感器的電位器測試出日光下與黑暗中其TTL電平輸出靈敏度與打火機火焰間監測距離的關系，模擬測量的結果如表1所示。

表1 有無燈光下火焰的監測距離與MQ-7靈敏度的關系

通過Arduino IDE的串行數據觀察窗口顯示傳感器監測的實時數據，如圖6所示。當未檢測到火焰時串行數據觀察窗口顯示“Safe！”；當檢測到火焰時則顯示“Warn?ing！！”當MQ-7檢測到的一氧化碳濃度超過100 ppm時，程序即判定環境處于危險范圍。

Raspberry Pi 3上直接執行撰寫好的Python腳本，即可以開啟Raspberry Pi 3的終端機功能。執行以下指令：pi@raspberrypi:～$python ttt.py，即會在終端機上同步顯示出Arduino串行數據觀察窗口的傳感器測量數值，如圖7所示。

圖6 Arduino IDE的串行數據觀察窗口

圖7 終端機顯示一氧化碳濃度與火焰監測數值

在本系統的綜合模擬測試中，有火源即顯示狀態1，無火源即顯示狀態0，如圖8所示。一氧化碳濃度從0 ppm上升至最高點192 ppm，在啟動風扇工作后使其逐漸下降，如圖9所示。本研究使用的攝像頭兼具紅外夜視的處理功能，因此模擬測試在黑暗中出現火焰時的畫面呈現綠色的火光。

圖8 火源監測數值

圖9 CO濃度監測數值

4 結束語

本文實現的基于Raspberry Pi和Adruino的智慧家庭消防監控系統具有低成本、易擴展、應用范圍廣等特性，系統性能良好，有助于避免居家環境中火災和一氧化碳中毒事件的發生。后續可以通過智能手機或計算機進行無線網絡外接Raspberry Pi紅外夜視監控鏡頭，進一步多方即時監控，將實時的監控畫面通過Raspberry Pi傳輸至手機App，使得使用者可以隨時隨地了解家中的安全狀態。如需要擴大監測的范圍，可以再擴展更多類型的傳感器，如溫濕度、二氧化碳和人體紅外線傳感器等，通過二次開發以達到更多元預警災害與監控的功能，提升居家生活的便利性與安全性，提高人們生活的品質與水準。