基于Raspberry Pi平臺的火災報警智能小車實現

中國衛星海上測控部 靳建彬 吳 昊 張海龍

1.引言

在有火災隱患或者冒濃煙的環境中，如果人員進去查看火災情況危險較高，容易發生意外狀況，需要使用一個成本低廉的火災報警設備檢測情況。Raspberry Pi是一個微型的嵌入式硬件開發平臺，體積小、功能全、資源開放，便于編程開發人員學習，也適用于微型系統的開發與應用。本文基于這個微型平臺開發一個簡單的火災報警智能小車，智能小車靈活方便，可在狹小空間等環境下進行火災情況的監測。這個報警系統投入小，可以防范火災對人員的意外傷害，實用性強。

2.Raspberry Pi平臺

2.1 Raspberry Pi硬件平臺

Raspberry Pi, 簡稱Rpi或者RasPi，中文名稱為“樹莓派”，是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD卡為內存硬盤。主要用于教育用途，專為業余興趣者和想學習編程的年輕人們設計的，提供一個具有最基本功能的，廉價的硬件平臺。其尺寸只有信用卡大小，運行速度比臺式機稍慢，但已具備了電腦的所有基本功能，只需接通電視機和鍵盤，就能執行如電子表格，文字處理，玩游戲，播放高清視頻等諸多功能。Raspberry Pi的GPU運算能力達到1G pixel每秒，1.5Gtexel每秒或24 GFLOPs的普通運算，并且符合OpenGL 2.0標準，換而言之，它的圖形能力跟初代Xbox的圖形能力相約。Raspberry Pi有A，B兩板。A板提供一個USB接口，配備256MB內存，功率2.5W，500mA； B板提供兩個USB接口，HDMI輸出和10/100自適應以太網端口，配備512MB內存，功率3.5W，700mA。

2.2 Raspberry Pi軟件系統

支持安裝以下操作系統及這些操作系統下的軟件：

Debian GNU/Linux

Raspbian OS

Fedora

Arch Linux ARM

RISC OS

FreeBSD

另外還支持Android和多媒體中心XBMC。

Raspbian中預裝Python，它是Raspberry Pi的官方編程語言，還有IDLE 3，一個Python的集成開發環境(IDE)。RPi下的許多應用都是用Python開發的，包括外圍硬件如GPIO、串口、I2C等的控制都可以通過相應的Python庫函數編程實現。使用Python可以編寫出許多功能強大的，Raspberry Pi提供了許多功能豐富強大的Python擴展庫，從簡單數學計算和編寫游戲，到網絡通信，甚至可以直接控制Raspberry Pi的硬件接口。

2.3 GPIO接口

GPIO（General Purpose IO ports），也就是通用IO口。在嵌入式系統中常常有數量眾多，但結構簡單的外部設備，這些設備有的需要CPU為之提供控制手段，有的需要給CPU提供輸入信號。這些接口只要求有關/開兩種狀態，比如燈亮與滅，所以在微控制器芯片上一般都會提供一個通用可編程IO接口，即GPIO。接口至少有兩個寄存器，即“通用IO控制寄存器”與“通用IO數據寄存器”。數據寄存器的各位都直接引到芯片外部。在Python中通過調用相關的庫函數，如官方提供的RPi.GPIO庫，可以非常方便地通過編程控制GPIO等硬件接口。

3.系統設計與實現

3.1 保障條件

3.1.1Raspberry Pi

3.1.2 煙霧氣體傳感器、火焰傳感器、遙控小車

3.1.3 LED燈

3.1.4 WIFI設備、充電寶、筆記本

3.2 系統組成

火災報警系統主要由火焰傳感器、煙霧氣體傳感器、樹莓派單片機、遙控小車及LED報警燈組成。系統組成如下圖所示：

圖1 系統組成圖

3.3 火焰傳感器

火焰傳感器對火焰最敏感，可以檢測火焰或者波長在760納米～1100納米范圍內的光源，一般用做火焰報警等用途。傳感器與火焰要保持一定距離，以免高溫損壞傳感器，對打火機測試火焰距離為80cm，對火焰越大，測試距離越遠。

火焰傳感器性能特點：

3.3.1 探測角度60度左右，對火焰光譜特別靈敏

3.3.2 使用寬電壓LM393比較器輸出，信號干凈，波形好，驅動能力強，超過15mA

3.3.3 工作電壓3.3V-5V

3.3.4 輸出形式 ：DO數字開關量輸出（0和1）和AO模擬電壓輸出

3.3.5 設有固定螺栓孔，方便安裝

3.4 煙霧氣體傳感器

煙霧氣體傳感器可以檢測煙霧，當檢測到艙室煙霧濃度達到設定值后，輸出信號驅動LED指示燈報警，實現火災報警功能。

煙霧氣體傳感器性能特點：

3.4.1 具有信號輸出指示。

3.4.2 雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）

3.4.3 TTL輸出有效信號為低電平。（當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機）

3.4.4 模擬量輸出0～5V電壓，濃度越高電壓越高。

3.4.5 對液化氣，煙霧有較好的靈敏度。

3.4.6 具有長期的使用壽命和可靠的穩定性

3.4.7 快速的響應恢復特性

3.5 系統工作流程

以煙霧氣體傳感器為例，說明系統工作流程。當煙霧傳感器檢測到煙霧氣體且濃度達到設定值后，向單片機接口輸出信號電壓，單片機通過程序判斷收到煙霧傳感器報警信號，驅動LED燈點亮，發出火災報警信號。火災信號通過單片機發送給遙控小車，遙控小車根據獲取的火災信息，判斷著火點方向，并向相反的方向運動，遠離著火點。

3.6 系統實現及測試

傳感器、LED燈通過GPIO接口連接到Raspberry Pi板卡上，Raspberry Pi通過GPIO接口與小車相連發送信號。系統由充電寶提供電源，WIFI設備提供遠程控制通道。

測試過程為：筆記本通過WIFI信號與Raspberry Pi相連，控制小車向打火機提供的火源處行駛，當小車檢測到火源后，LED燈閃爍報警，小車向遠離火源方向行駛。經過測試，智能小車系統火災報警功能實現正常。

6.結束語

本文根據實際需求Raspberry Pi這個微型的嵌入式硬件開發平臺，通過火焰傳感器、煙霧氣體傳感器和LED燈對火焰進行檢測及報警。通過添加其他傳感器，智能小車系統還可以實現其他功能，可擴展性強。系統成本低、實用性強，可廣泛應用于教育、工作及生活領域。