基于Raspberry Pi和Arduino的智慧家庭消防监控系统

盛希宁

（江苏联合职业技术学院常州刘国钧分院，江苏常州 213000）

0 引言

随着科技的发展，人们越来越重视居家生活的高效、舒适、安全和便利性，兼顾网络通信、自动化管理等功能为一体的智慧家庭监控系统也逐渐发展成型[1]。因此，开发具有警报和防护功能的智慧家庭消防系统对于提升居家环境的安全防范性即显得尤为重要。

本研究提出的基于树莓派Raspberry Pi 3和Arduino Mega2560平台的智慧家庭消防监控系统，利用无线传感器网络的概念，结合多种传感器测量技术[2]，通过监测居家环境中的火源和一氧化碳浓度，为保护家庭成员的生命和财产安全提供有效的预警机制。

1 系统硬件架构设计

本研究的目的在于提出一种成本合理、品质稳定、架构开放、具有较高精确度、丰富的软硬件支持及扩展性良好的智慧家庭消防监控系统，让使用者能充分掌握来自于系统的火源和一氧化碳浓度等监测数据结果。本系统的硬件架构设计如图1所示。

基于Raspberry Pi 3和Adruino平台设计的智慧家庭消防监控系统的硬件架构具体分为3个单元：（1）控制器单元，包括Raspberry Pi 3 GPIO控制板、Arduino Mega2560模块和基本扩展板，两者通过USB方式进行连接；（2）监测单元，包括火焰传感器模块、气体传感器模块、Raspberry Pi NoIR Camera树莓派红外夜视监控摄像头；（3）数据处理及通信单元，Raspberry Pi 3，负责执行程序与进行数据的输入、处理和输出，其内部有工作频率达1.2 GHz的四核处理器、1 GB LPDDR2存储器和蓝牙4.1芯片。

图1 智慧家庭消防监控系统硬件架构

以Raspberry Pi和Adruino模块实现的智慧家庭消防监控系统硬件如图2所示。

图2 智慧家庭消防监控系统硬件实物

1.1 Raspberry Pi 3和Adruino开发平台

本系统采用树莓派3作为核心软硬件平台，它提供了内建无线上网功能，能与Arduino模块进行信号传输及通信，并执行Python程式驱动火焰传感器模块、气体传感器模块和树莓派红外夜视监控摄像头。Arduino模块与树莓派GPIO控制板负责连接和控制各个传感器模块，并接收来自树莓派中执行的Python或Arduino IDE程序指令，进行测量操作并返回测量的数据结果。

Arduino Mega2560和传感器的主要功能是监测火焰和一氧化碳浓度，当系统判定有危险时发出警报，并立即进行现场控制处理。传感器实时采集的数据将传至Raspber⁃ry Pi 3，由其将监测的数据进行保存，后续将进一步设计经由Adruino微控制器处理后传至云端服务器，并把即时信息发送给使用者。同时，启动Raspberry Pi NoIR Camera树莓派红外夜视监控摄像头进行现场监控，使用者可以通过智能手机和计算机等终端提供的监控软件实时查看视频，在系统所处空间中监测到危险时进行及时处理。

1.2 火焰传感器模块

火焰传感器是以红外线接收管为核心的传感器模块。火焰是由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的[3]。火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射，不同燃烧物的火焰光辐射强度与红外线波长分布有所差异。它即利用了光的折射与反射特性，通过红外线接收管检测火焰，将火焰的亮度转换为高低变化的电平信号。本文使用了5路火焰传感器监测火源，能够探测火焰发出的波段范围为700～1 100 nm的短波近红外线，探测角度大于120°，其广角度的探测范围较之普通的火焰传感器的探测范围更大，同时，其探测距离和模拟输出电流的灵敏度可以根据具体需要进行调节。火焰越大，测试距离越远，适用于各种场合。

1.3 MQ-7型气体传感器模块

气体传感器是将气体（一般指空气）中含有的特定气体（即待测气体）浓度转换为相应的电信号[4]。本文选用了MQ-7型气体传感器，它所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡，采用高低温循环的检测方式，在1.5 V低温加热模式时检测一氧化碳。传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，在5 V高温加热模式时清洗低温时吸附的杂散气体，使用简单的电路即可以将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的电信号输出。MQ-7气体传感器对一氧化碳气体浓度的检测灵敏度高、使用寿命长、成本低，这种传感器可以检测多种含一氧化碳的气体，检测范围可达20～2 000 ppm，是一款适合于庭家用燃气泄漏监测、工业用一氧化碳气体监测等多种应用环境的低成本传感器。本研究中应用MQ-7进行一氧化碳浓度监测的电路设计，如图3所示。

图3 一氧化碳浓度监测电路

1.4 系统可扩展的功能模块

本系统可扩展的模块包括Raspberry Pi NoIR Camera树莓派红外夜视监控摄像头，它与树莓派兼容，自带红外补光灯，增加了红外夜视处理的功能，对角视场角为160°，较普通镜头的视野更为开阔，因此应用范围更加广泛。

很多大电流或高电压的设备通常无法直接使用Ardui⁃no芯片的数字I/O端口进行驱动，本系统使用了继电器控制风扇和电磁阀，彼此间还存在联动控制关系，因此，需要使用8路继电器模块来控制多个负载，例如电磁阀、伺服电机等[5]。

为了支持5路火焰传感器和Raspberry Pi NoIR Camera树莓派红外夜视监控摄像头左右转动进行监测，本设计特选用了辉盛SG90伺服电机，它采用高强度的ABS透明外壳配合内部高精度尼龙齿轮组、精准的控制电路、高档轻量化空心杯电机。该微型马达的重量仅有10 g，而输出扭力可达18 N。

2 系统软件设计

本系统的软件部分主要以Linux为核心，使用树莓派官方网站提供的Raspbin4.4版本。在Raspberry Pi 3开发主机上撰写Arduino程序，开启终端机功能后，启动Arduino IDE即可编译程序。系统软件功能主要包括：电源稳压管理、伺服电机控制、Raspberry Pi NoIR Camera红外夜视监控摄像头监测、火焰传感器监测、一氧化碳浓度监测等。图4所示为在Arduino IDE中执行的一氧化碳浓度监测程序。在未监测到超标时继续监测；若监测到一氧化碳浓度数值超过安全限制的100 ppm，则蜂鸣器响起，启动继电器，风扇开始工作散热，并实时显示监测到的一氧化碳浓度数值。如警报解除则返回开始持续监测一氧化碳浓度。

图4 Arduino IDE执行一氧化碳浓度监测程序

图5 Arduino IDE执行伺服电机的控制程序

经系统实际测试，Arduino IDE执行一氧化碳浓度监测程序可以得到正常的动作和结果。以伺服电机驱动5路火焰传感器来扩大其监测范围。Arduino IDE执行伺服电机的具体控制程序如图5所示。

3 智慧家庭消防监控系统模拟测试

在系统的模拟测试中，将打火机作为火源，并将瓶装一氧化碳释放到空气中。MQ-7气体传感器监测空气中的一氧化碳浓度。当一氧化碳浓度超过安全限制的100 ppm，蜂鸣器响起，并启动风扇动作。伺服电机配合五路火焰传感器的应用将原有的监测范围120°扩展为300°。当监测到有火焰时，伺服电机停止动作，进入固定方向的监测。

通过实测发现，火焰的监测在有灯光和无灯光时有一定的差异。因此，需要通过调节MQ-7气体传感器的电位器测试出日光下与黑暗中其TTL电平输出灵敏度与打火机火焰间监测距离的关系，模拟测量的结果如表1所示。

表1 有无灯光下火焰的监测距离与MQ-7灵敏度的关系

通过Arduino IDE的串行数据观察窗口显示传感器监测的实时数据，如图6所示。当未检测到火焰时串行数据观察窗口显示“Safe！”；当检测到火焰时则显示“Warn⁃ing！！”当MQ-7检测到的一氧化碳浓度超过100 ppm时，程序即判定环境处于危险范围。

Raspberry Pi 3上直接执行撰写好的Python脚本，即可以开启Raspberry Pi 3的终端机功能。执行以下指令：pi@raspberrypi:～$python ttt.py，即会在终端机上同步显示出Arduino串行数据观察窗口的传感器测量数值，如图7所示。

图6 Arduino IDE的串行数据观察窗口

图7 终端机显示一氧化碳浓度与火焰监测数值

在本系统的综合模拟测试中，有火源即显示状态1，无火源即显示状态0，如图8所示。一氧化碳浓度从0 ppm上升至最高点192 ppm，在启动风扇工作后使其逐渐下降，如图9所示。本研究使用的摄像头兼具红外夜视的处理功能，因此模拟测试在黑暗中出现火焰时的画面呈现绿色的火光。

图8 火源监测数值

图9 CO浓度监测数值

4 结束语

本文实现的基于Raspberry Pi和Adruino的智慧家庭消防监控系统具有低成本、易扩展、应用范围广等特性，系统性能良好，有助于避免居家环境中火灾和一氧化碳中毒事件的发生。后续可以通过智能手机或计算机进行无线网络外接Raspberry Pi红外夜视监控镜头，进一步多方即时监控，将实时的监控画面通过Raspberry Pi传输至手机App，使得使用者可以随时随地了解家中的安全状态。如需要扩大监测的范围，可以再扩展更多类型的传感器，如温湿度、二氧化碳和人体红外线传感器等，通过二次开发以达到更多元预警灾害与监控的功能，提升居家生活的便利性与安全性，提高人们生活的品质与水准。