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

現代社會隨著科技的飛速發展，電子產品的種類和數量也愈發多了起來，由于用電負荷日漸增大，家庭火災事故也因此頻繁發生。火災發生時所產生的破壞性極大、影響力極強，并且火災的發生具有不確定性，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測環境進行數據的檢測，并將數據發送到手機app 達到實時監測的效果。并且在發生火災時，能第一時間發送火災警報信息到手機app，警示監測人員，從而實現火災的遠程報警。

1 系統總體設計

系統整體可以分為硬件部分和軟件部分，其中硬件部分由數據采集模塊、樹莓派模塊、手機監測模塊組成。數據采集模塊對環境參數進行采集，手機監測模塊通過WIFI 與樹莓派通信來實現環境參數的實時監測以及接收火災發生時來自樹莓派的報警信息[2]。它和傳統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，若家里出現了火情，你也能通過自己的智能手機第一時間發現并且及時報警去處理火情。而且你也可以通過手機實時監測家里的溫濕度參數并人為調整居家環境，從而有效避免火災的發生。系統的總體設計如圖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，并且幾乎擁有計算機主機的所有功能[3]。并且通過GPIO 接口與傳感器引腳連接，可以對采集到的數據進行數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測環境的溫濕度以及煙霧的探測，使火災的發現具有穩定性和可靠性。鑒于各方面考慮，為了采集監測環境下適用于判斷火災發生的參數，本設計選擇了溫濕度傳感器以及煙霧傳感器作為數據的采集模塊端。溫濕度傳感器模塊使用的是DHT11溫濕度傳感器，其主要是實現實時采集裝置所監測環境的溫濕度數據。該模塊體積小，功耗低，并且自帶模數轉換芯片，可以直接輸出數字信號，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 模數和數模轉換的功能，該器件的最大轉換速率由I2C總線的最大速率決定。

3 系統軟件技術

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

3.1 操作系統

樹莓派安裝Raspbian 操作系統，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，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 系統環境配置

為了使傳感器能在樹莓派中正常使用，需要導入相應的數據庫[9]。有Adafruit DHT11 庫、GPIO 模塊、數模轉換模塊庫、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，才可以將采集的數據與在Blynk中建立的項目模塊相聯系。

3.3 基于Blynk的監測界面設計

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

圖2 手機監測界面設計

3.4 郵件報警

鑒于用戶不會時時刻刻在監測頁面查看的情況，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，采用樹莓派的發送郵件功能。在主程序的設計語句中，進行是否發生火災的判斷，發生火災，則發送報警信息。

3.5 軟件程序設計

在搭建好樹莓派的系統環境及配置后，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、故障處理環節的程序編寫。其主要代碼如下：

圖3 基本操作流程圖

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

最后編寫發生火災時App顯示的狀況以及郵件報警的程序，實現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，會立即顯示出所監測環境的溫濕度以及煙霧數據。在不同環境下測試，多次運行均未發現異常，app 界面的數據更新迅速，使用戶能夠做到實時監測。為了模擬火災發生情況，通過局部位置燃燒物品產生的溫度以及濃煙。可以觀察到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測環境的數據并在用戶的手機App 中呈現出來，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。系統整體小巧，不會占太多的空間。系統后續可以通過樹莓派USB 等接口拓展攝像頭功能，做到監測火災的同時能實時監控家中的情況。該系統成本較低，運行穩定，準確度較高，具有一定的應用前景。