一款基于树莓派的便携式智能灭火器设计

安恒跃，倪振辉，宗峰

（山东英才学院工学院，山东济南，250104）

0 引言

近年来，随着我国社会经济的飞速发展，人们的生活水平不断提高，家居环境的装饰越来越繁华，大功率家用电器的种类和数量也越来越多，并且使用愈加频繁。装饰材料的易燃性、电线短路和过载运行等因素导致我国家庭火灾事故频发。同样地，每年在各中等以上城市，关于汽车自燃的报道也屡见不鲜。相关报道表明，80% 以上的汽车火灾会造成车辆报废，甚至导致人员的伤亡。

本文中设计了一款以树莓派作为核心，多种传感器协同工作的新型灭火器，能够实时进行环境监测，当用户家庭出现异常高温或异常烟雾时，能迅速做出反应，发出报警提醒信息，提醒家庭人员快速处理发生的问题，最大限度地减少火灾所带来的严重的生命财产损失。

1 系统设计

1.1 瓶体模块

由于内外接触环境不同，我们采用ABS阻燃材质作为外部罐体，内部采用J-L·霍夫曼、A·朱宾设计发明的用于气溶胶罐的铝合金。外部采用的 ABS树脂具有强度高、韧性好、耐腐蚀、易加工成型等优点。同时具有优良的综合物理和机械性能、尺寸稳定性以及抗冲击性能。熔融温度在217-237℃，热分解温度在250℃以上。内部则采用J-L·霍夫曼 、A·朱宾设计发明的用于气溶胶罐的铝合金，挤压成型即可。两部分嵌套固定。瓶底设有安全拉环，打开拉环，喷头对准火源，按住启动按钮即可灭火。

1.2 存储模块

采用的是气溶胶灭火器所使用的无压存储S型气溶胶的方式。将固体灭火粒子和高效产气药剂相结合，利用产气药剂产生气体的热量和动力使灭火粒子发生剂分解出高效的灭火微粒子。两部分物质在瓶内相隔分装，当使用灭火器时，填充的固体灭火粒子发生剂与钾盐类产气药剂的相互作用会分解出大量可以高效灭火的物质，将此物质以气溶胶的形式喷出，即可达到灭火的目的。S型气溶胶喷放出来的产物不会因导电性而对被保护的电气设备造成再一次的损害。喷放后，降尘率小于或等于0.8，几乎可以达到无残渣、无二次污染。

正是因为S型气溶胶的无压存储方式和ABS阻燃材质的使用，我们有了两种灭火方式：

（1）在可控情况下，可以采用一直按着喷发的方式灭火。

（2）在紧急情况下，将灭火器丢入火源附近自动灭火。

该款灭火器模型如图1所示。

图1 便携式智能灭火器模型图

1.3 远程监测与报警模块

建立基于树莓派的远程监控系统。树莓派作为中央控制器，各种传感器采集信息，然后通过外部方式远程传输数据。实现对灭火器周边环境的远程监控。在树莓派中建立基于Linux 的 Raspbian 操作系统，主控系统采用智能家居控制程序构建，实现环境的远程监控：实时收集家居及车内的温度及气体信息并反馈给用户；检测到浓烟或者火焰（也可检测有毒气体）时，向用户手机发送报警信息。

2 硬件选择和软件设计

2.1 硬件选择

（1）树莓派

本设计所采用的树莓派3B，是一种基于arm的微型电脑主板，以SD卡为内存硬盘，只有身份证大小，虽然体积不大，但是拥有PC的基本功能，可以同时连接键盘、网线和鼠标，具有视频模拟信号的电视输出，同时具有丰富的外接接口。本设计使用的是支持 WIFI 和蓝牙模块的树莓派版本，可以在一定的范围内进行无线传输数据。它拥有一个简洁的操作系统，大大提高了处理效率，是一个比较理想的嵌入式开发平台。相比于其他功能简单的开发板，在性能和接口方面都远超过它们，经常用于物联网设备上。

（2）温度传感器

总体来说，一般可燃物在燃烧的时候会产生可燃气体，随后是烟雾，并且会发出许多热量，促使当前环境的温度提升。因此温度传感器在报警系统中很是重要。

本次设计使用 DS18B20 温度传感器，它是一种数字型的温度传感器，测量范围为-55～+125℃，测量误差为±0.5℃。该类传感器不仅具有体积小、精度高、功耗低等优点[1]，而且实用性强，价格也相对低廉。作为一个温度检测工具，具有良好的测量速度，可以在很短的时间里完成温度这个外界情况到数字这个内部数据的转换。

（3）烟雾传感器

MQ-2 气体传感器是一种半导体气敏元件。只要接触到可燃气体或者烟雾，材料的导电率就会发生变化，烟雾的浓度越大，导电率就会越大，因此电阻就会变低。它就是通过这种原理检测烟雾浓度的[2]。

该类传感器不仅对天然气等烷类可燃气体有比较高的敏感反应，而且对非可燃气体也有很强的抗干扰能力，这就有效避免了因检测失误而带来的各种影响。它拥有良好的稳定能力，响应时间很短，而且即使是长时间的工作，它也能正常的发挥自己的作用。并且体积很小，可以内置在一定的小器件内，可以作为装饰放置在屋内的各个角落，这样就大大地提高了对危险的处理能力，有效增强了火灾发生之后的报警能力，经常用于家庭和工厂的报警器设备中。

（4）气体传感器

SGP30 是一款单一芯片上具有多个传感元件的金属氧化物气体传感器，内集成了4个气体传感元件。其芯片上的金属氧化物可以检测出 TVOC和CO2的浓度，采用动态基线补偿算法，将内部元件输出的模拟信号转化为 TVOC 和 CO2 浓度的数字信号，具有信号稳定、测量数据精确以及易于集成等优点[1]。

（5）火焰传感器

使用体积较小的三线式火焰传感器，它可以探测到波长在 760nm-1100nm 范围内的光源，最大的特点是对火焰的光谱尤为敏感，探测角度范围在 0-65 度。另外它的灵敏度可以依据使用情况人工调节，传感器中的比较器采用 LM393 芯片，工作稳定，不易出现故障。自身体积小便于安装[2]。

2.2 软件设计

（1）操作系统的配置

树莓派3B支持多种操作系统，我们需要安装合适的系统来满足整个系统所需的各项功能的要求，树莓派官方推荐的Raspbian 操作系统就是相当不错的选择。该系统提供各种基础的开发环境，包括 Java、Python2 和Python3。软件环境配置为 Python3.5 与 Open CV 3.4.1，树莓派和 Python是最适合的组合，通过 python 代码可以非常方便的控制树莓派的 GPIO 接口和更改其他系统配置，同时安装用来实现预警信息传输的 itchat 相关组件[3]。

（2）数据处理

为了避免因传送大误差的数据而造成数据异常的情况，我们将连续5次检测到的数据取平均值作为最终的监测数据。如果数据超过警告阈值，则向用户发送预警信息。

每隔一分钟，各传感器都会将这段时间内的最终监测数据发送至树莓派服务器端（如遇火灾，时间自动改为1秒）。树莓派可以稳定地存储这些最终监测数据，并且可以从数据中挖掘出有价值的信息。传送数据则采用客户端－服务器的模式，且使用 TCP 协议来保证数据传输过程中的准确性。数据检测传输如表1所示。

表1 数据检测传输

（3）数据与预警信息的无线发送

监测数据和预警信息以微信的形式发送给用户。微信定期获取服务器数据，如果数据超过警告阈值，它会反馈给用户有危险的情况。用户只需打开微信，登录绑定的账户，即可接收来自树莓派服务器的监控数据和预警系统发送的预警信息。

系统使用 python 来发送微信信息。在Python中安装itchat的相关组件后，就可以使用此库来执行微信网页版中的所有操作了。在此基础上，系统通过网络连接就可以实现微信机器人在树莓派上的登录[3]。当决策系统确定发生火灾时，就会立即向用户的微信账号发送报警信息。

3 结语

本款智能灭火器设计工作中，通过将传感器集成在树莓派上且嵌入（或附着）在灭火器的铝合金罐体，并将多种功能集于一体，这打破了人们对传统灭火器的理解，创新的智能功能和气凝胶的使用提高了人们在火灾环境下的使用效率，使人们在生活中的灭火器变得更加人性化。望能提高人们的防患意识，为人类高效、可持续稳定发展做出一定贡献。