基于Raspberry Pi平台的火灾报警智能小车实现

中国卫星海上测控部 靳建彬 吴 昊 张海龙

1.引言

在有火灾隐患或者冒浓烟的环境中，如果人员进去查看火灾情况危险较高，容易发生意外状况，需要使用一个成本低廉的火灾报警设备检测情况。Raspberry Pi是一个微型的嵌入式硬件开发平台，体积小、功能全、资源开放，便于编程开发人员学习，也适用于微型系统的开发与应用。本文基于这个微型平台开发一个简单的火灾报警智能小车，智能小车灵活方便，可在狭小空间等环境下进行火灾情况的监测。这个报警系统投入小，可以防范火灾对人员的意外伤害，实用性强。

2.Raspberry Pi平台

2.1 Raspberry Pi硬件平台

Raspberry Pi, 简称Rpi或者RasPi，中文名称为“树莓派”，是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD卡为内存硬盘。主要用于教育用途，专为业余兴趣者和想学习编程的年轻人们设计的，提供一个具有最基本功能的，廉价的硬件平台。其尺寸只有信用卡大小，运行速度比台式机稍慢，但已具备了电脑的所有基本功能，只需接通电视机和键盘，就能执行如电子表格，文字处理，玩游戏，播放高清视频等诸多功能。Raspberry Pi的GPU运算能力达到1G pixel每秒，1.5Gtexel每秒或24 GFLOPs的普通运算，并且符合OpenGL 2.0标准，换而言之，它的图形能力跟初代Xbox的图形能力相约。Raspberry Pi有A，B两板。A板提供一个USB接口，配备256MB内存，功率2.5W，500mA； B板提供两个USB接口，HDMI输出和10/100自适应以太网端口，配备512MB内存，功率3.5W，700mA。

2.2 Raspberry Pi软件系统

支持安装以下操作系统及这些操作系统下的软件：

Debian GNU/Linux

Raspbian OS

Fedora

Arch Linux ARM

RISC OS

FreeBSD

另外还支持Android和多媒体中心XBMC。

Raspbian中预装Python，它是Raspberry Pi的官方编程语言，还有IDLE 3，一个Python的集成开发环境(IDE)。RPi下的许多应用都是用Python开发的，包括外围硬件如GPIO、串口、I2C等的控制都可以通过相应的Python库函数编程实现。使用Python可以编写出许多功能强大的，Raspberry Pi提供了许多功能丰富强大的Python扩展库，从简单数学计算和编写游戏，到网络通信，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。在嵌入式系统中常常有数量众多，但结构简单的外部设备，这些设备有的需要CPU为之提供控制手段，有的需要给CPU提供输入信号。这些接口只要求有关/开两种状态，比如灯亮与灭，所以在微控制器芯片上一般都会提供一个通用可编程IO接口，即GPIO。接口至少有两个寄存器，即“通用IO控制寄存器”与“通用IO数据寄存器”。数据寄存器的各位都直接引到芯片外部。在Python中通过调用相关的库函数，如官方提供的RPi.GPIO库，可以非常方便地通过编程控制GPIO等硬件接口。

3.系统设计与实现

3.1 保障条件

3.1.1Raspberry Pi

3.1.2 烟雾气体传感器、火焰传感器、遥控小车

3.1.3 LED灯

3.1.4 WIFI设备、充电宝、笔记本

3.2 系统组成

火灾报警系统主要由火焰传感器、烟雾气体传感器、树莓派单片机、遥控小车及LED报警灯组成。系统组成如下图所示：

图1 系统组成图

3.3 火焰传感器

火焰传感器对火焰最敏感，可以检测火焰或者波长在760纳米～1100纳米范围内的光源，一般用做火焰报警等用途。传感器与火焰要保持一定距离，以免高温损坏传感器，对打火机测试火焰距离为80cm，对火焰越大，测试距离越远。

火焰传感器性能特点：

3.3.1 探测角度60度左右，对火焰光谱特别灵敏

3.3.2 使用宽电压LM393比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA

3.3.3 工作电压3.3V-5V

3.3.4 输出形式 ：DO数字开关量输出（0和1）和AO模拟电压输出

3.3.5 设有固定螺栓孔，方便安装

3.4 烟雾气体传感器

烟雾气体传感器可以检测烟雾，当检测到舱室烟雾浓度达到设定值后，输出信号驱动LED指示灯报警，实现火灾报警功能。

烟雾气体传感器性能特点：

3.4.1 具有信号输出指示。

3.4.2 双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）

3.4.3 TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）

3.4.4 模拟量输出0～5V电压，浓度越高电压越高。

3.4.5 对液化气，烟雾有较好的灵敏度。

3.4.6 具有长期的使用寿命和可靠的稳定性

3.4.7 快速的响应恢复特性

3.5 系统工作流程

以烟雾气体传感器为例，说明系统工作流程。当烟雾传感器检测到烟雾气体且浓度达到设定值后，向单片机接口输出信号电压，单片机通过程序判断收到烟雾传感器报警信号，驱动LED灯点亮，发出火灾报警信号。火灾信号通过单片机发送给遥控小车，遥控小车根据获取的火灾信息，判断着火点方向，并向相反的方向运动，远离着火点。

3.6 系统实现及测试

传感器、LED灯通过GPIO接口连接到Raspberry Pi板卡上，Raspberry Pi通过GPIO接口与小车相连发送信号。系统由充电宝提供电源，WIFI设备提供远程控制通道。

测试过程为：笔记本通过WIFI信号与Raspberry Pi相连，控制小车向打火机提供的火源处行驶，当小车检测到火源后，LED灯闪烁报警，小车向远离火源方向行驶。经过测试，智能小车系统火灾报警功能实现正常。

6.结束语

本文根据实际需求Raspberry Pi这个微型的嵌入式硬件开发平台，通过火焰传感器、烟雾气体传感器和LED灯对火焰进行检测及报警。通过添加其他传感器，智能小车系统还可以实现其他功能，可扩展性强。系统成本低、实用性强，可广泛应用于教育、工作及生活领域。