基于树莓派的远程火灾报警装置设计＊

吴积锋，宋志强

(1.南京信息工程大学滨江学院自动化学院，江苏 无锡 214105；2.无锡学院自动化学院)

0 引言

现代社会随着科技的飞速发展，电子产品的种类和数量也愈发多了起来，由于用电负荷日渐增大，家庭火灾事故也因此频繁发生。火灾发生时所产生的破坏性极大、影响力极强，并且火灾的发生具有不确定性，因此会给人民的生命和财产安全带来巨大的潜在危险[1]。为了有效防范火灾，必须十分重视对火灾的及时预警，本文提出了基于树莓派的远程火灾报警装置设计。该装置通过温湿度传感器和烟雾传感器对监测环境进行数据的检测，并将数据发送到手机app 达到实时监测的效果。并且在发生火灾时，能第一时间发送火灾警报信息到手机app，警示监测人员，从而实现火灾的远程报警。

1 系统总体设计

系统整体可以分为硬件部分和软件部分，其中硬件部分由数据采集模块、树莓派模块、手机监测模块组成。数据采集模块对环境参数进行采集，手机监测模块通过WIFI 与树莓派通信来实现环境参数的实时监测以及接收火灾发生时来自树莓派的报警信息[2]。它和传统的火灾报警装置相比功能更加强大且方便，不再局限于距离这个缺点，即使你在公司工作时，若家里出现了火情，你也能通过自己的智能手机第一时间发现并且及时报警去处理火情。而且你也可以通过手机实时监测家里的温湿度参数并人为调整居家环境，从而有效避免火灾的发生。系统的总体设计如图1所示。

图1 总体设计

2 火灾报警装置硬件设计

本装置的硬件部分采用树莓派4B作为主控制器，将SD 卡作为内存硬盘，通过树莓派自身板载的WIFI模块、传感器模块完成监控报警的任务。

2.1 主控制器

树莓派4B 是一款基于ARM 的微型电脑主板，芯片采用BCM2711，频率为1.5GHz，主板周围有四个USB 接口（二个USB3.0 和二个USB2.0 接口）、二个Micro HDMI ports,40 个GPIO 接口，一个Micro SD卡插槽。以上部件全部集中在类似信用卡大小的主板上，并且几乎拥有计算机主机的所有功能[3]。并且通过GPIO 接口与传感器引脚连接，可以对采集到的数据进行数据处理以及储存管理，众多的GPIO 接口使得装置具有更好的拓展性，为以后火灾报警装置的功能拓展留有余地[4]。

2.2 WIFI模块

该模块是一个高度集成的单芯片WIFI模块，具有功耗低，稳定性高、运行速度快等特点[5]。该模块支持2.4GHz 和5GHz 双频WIFI，支持蓝牙5.0 以及调频接收机，一个独立的高速UART 提供蓝牙/FM 主机接口[6]。

2.3 传感器模块

该模块要做好对于监测环境的温湿度以及烟雾的探测，使火灾的发现具有稳定性和可靠性。鉴于各方面考虑，为了采集监测环境下适用于判断火灾发生的参数，本设计选择了温湿度传感器以及烟雾传感器作为数据的采集模块端。温湿度传感器模块使用的是DHT11温湿度传感器，其主要是实现实时采集装置所监测环境的温湿度数据。该模块体积小，功耗低，并且自带模数转换芯片，可以直接输出数字信号，信号传输距离可达20米以上。该传感器测量范围：湿度20-90%RH，温度0-50℃。测量精度：湿度±5%RH，温度±2℃；分辨率：湿度1%RH，温度1℃[7]。烟雾传感器模块使用的是MQ-2 烟雾传感器，MQ-2 的驱动电路简单，工作性能较好，具有重复性和稳定性，并且该器件对于火情的响应非常迅速。该气敏元件有六只引脚，其中四只引脚用于信号的输出以及二只脚用于提供加热电阻。其检测可燃气体与烟雾的范围是100～10000ppm（ppm 为浓度单位），供电电压范围宽，24V以下均可，加热电压5±0.2V。树莓派不带有数模转换模块，而需要MQ-2 传感器输出为模拟量，因此，本设计选择外接Pcf8591模块进行数模转换。

2.4 Pcf8591模块

Pcf8591 是一个单片集成、低功耗的、并且单独供电(其操作电压范围为2.5V～6V)、8-bit CMOS 数据获取器件。该器件具有四个模拟输入（可编程为单端型或差分输入）、一个模拟输出以及一个串行I2C 总线接口。因此具有多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit 模数和数模转换的功能，该器件的最大转换速率由I2C总线的最大速率决定。

3 系统软件技术

系统软件在树莓派的Raspbian 操作系统基础上开发，以Python 作为主要开发语言，对采集到的数据进行快速处理，以Blynk 平台设计手机实时监测界面，火灾信息可通过发送邮件到用户邮箱实现火灾报警。

3.1 操作系统

树莓派安装Raspbian 操作系统，Raspbian 能运行主要的软件工具和应用程序，在树莓派硬件上搭载Raspbian 系统，可以根据自身的需求对Raspbian 进行完善，使得能够运行各类程序并满足用户需求，进行所需的运算处理[8]。

3.2 系统环境配置

为了使传感器能在树莓派中正常使用，需要导入相应的数据库[9]。有Adafruit DHT11 库、GPIO 模块、数模转换模块库、时间模块库、OS模块库等，并且需要在树莓派中建立Blynk 本地服务器，才可以将采集的数据与在Blynk中建立的项目模块相联系。

3.3 基于Blynk的监测界面设计

Blynk 是一种物联网服务，其目的是在于使远程控制和从外围设备中读取传感器数据的速度尽可能的快和容易。本设计将传感器采集到的数据通过在Blynk设计的界面呈现，如图2所示。采用四个模块分别显示温度、湿度、烟雾的数据，以及最终判断是否发生火灾的提示；添加了两个趋势图，可以更好的呈现监测环境的温湿度变化情况，利于用户更好的调整监测环境，有效的避免火灾的发生。

图2 手机监测界面设计

3.4 邮件报警

鉴于用户不会时时刻刻在监测页面查看的情况，因此添加邮件报警的功能。开启网易163 邮箱以及QQ 邮箱的SMTP 服务，采用树莓派的发送邮件功能。在主程序的设计语句中，进行是否发生火灾的判断，发生火灾，则发送报警信息。

3.5 软件程序设计

在搭建好树莓派的系统环境及配置后，需要根据设计内容进行程序的编写。图3 为基本操作流程图，先分析火灾报警信号的采集、传输、故障处理环节的程序编写。其主要代码如下：

图3 基本操作流程图

将采集数据传递到app 显示端，编写判断火灾是否发生的程序，程序主要代码如下：

最后编写发生火灾时App显示的状况以及邮件报警的程序，实现了远程火灾的报警功能。其主要代码如下：

4 性能测试

选择各模块与树莓派进行连接后，将树莓派通电并运行Python 程序。所设置的Blynkapp 页面在一秒后响应，会立即显示出所监测环境的温湿度以及烟雾数据。在不同环境下测试，多次运行均未发现异常，app 界面的数据更新迅速，使用户能够做到实时监测。为了模拟火灾发生情况，通过局部位置燃烧物品产生的温度以及浓烟。可以观察到App界面的趋势图明显的变化，当达到报警阈值时，邮箱接收到来自树莓派的报警信息。

5 结束语

基于树莓派的远程火灾报警装置可以实时采集所监测环境的数据并在用户的手机App 中呈现出来，该装置采用的传感器对于火情反应比较灵敏，检测范围很适合放在家中使用。系统整体小巧，不会占太多的空间。系统后续可以通过树莓派USB 等接口拓展摄像头功能，做到监测火灾的同时能实时监控家中的情况。该系统成本较低，运行稳定，准确度较高，具有一定的应用前景。