基于树莓派控制的安全巡防设计

张丹译 荆旭龙

（无锡南洋职业技术学院，无锡 214000）

国务院全面部署《中国制造2025》以来，智能制造和工业4.0 逐步进入人们的视野[1]。随着仓库数量的逐年递增和仓储面积的不断扩大，检测仓储的环境动态，确保仓库物品安全和质量显得越来越重要。以某高职院校汽车实训中心的仓储为例，该实训中心对物品的安全性和防火防爆要求较高。实时监控仓库情况，掌握仓库的环境动态，保证仓库中的物品安全，对于保障该高职院校的专业教学具有重要意义。

目前，已有的监控系统普遍采用多机位定点摄像头监控仓库的关键地区，存在可见角度、空间、移动切换不灵活且无法对随机位置进行监控的缺陷。实时监控的移动小车辅助监控可以较好地弥补这些不足，成为现代化智能仓库进行定点移动远程监控的重要手段。

本设计主要研究一款能够实现无人监管的自动移动小车，从而在已知仓库范围内进行安全巡防。小车主要利用树莓派监控，分别实现仓库监管中的图像、声音、烟雾等报警功能，解决了某些仓储中摄像头死角无法触及的问题[2]。对小车各模块进行多轮测试，整合测试结果，形成安全巡防小车的整体设计框架。

1 整体设计

根据汽车实训中心仓储对安全巡防小车的功能需求，逐一设计小车的各部分。安全巡防小车整体分为硬件和软件两大部分。硬件部分主要包括驱动模块、电源模块、环境感知模块、环境监控报警模块（发出声音、发布图像、视频信息报警）、主处理树莓派Raspberry主板。软件部分按照各系统的功能分为3 个层级，分别为采集安全巡防探测的环境感知层（包括各类传感器）、中央处理器层（主要为树莓派主板）以及环境监控报警层。软件各部分和硬件部分基本对应。当仓库中存在消防、防盗等安全隐患时，若烟雾报警器超过阈值、温度传感器超过阈值等，系统将红外线探测和摄像头收录的画面发送给树莓派主板，并通过5G 网络或Wi-Fi 网络传输给用户手机端。手机小程序调取监控录像，执行仓库的监管工作。

2 系统硬件设计

系统硬件的主要结构，如图1 所示。将小车放置在仓库中读取环境数据，将环境的视频数据存储于Raspberry Pi 3B 存储卡。手机端可登录调取其中的视频数据。

图1 系统硬件结构

2.1 树莓派Raspberry Pi 3B 主板

树莓派Raspberry Pi 是由英国慈善组织Raspberry Pi 基金会开发的卡片式计算机[3]。卡片质量小，但是具有计算机的大部分功能；存储卡以SD/Micro SD卡为主；树莓派主板有多个通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口，一个网络接口，卡片可连接网线、键盘、鼠标、显示器等部件，具备高清数据线接口；卡片支持Python、C 语言、Scratch 等多种编程语言。

本安全巡防小车设计中，将基于高级精简指令集计算机机器（Advanced Reduced Instruction Set Computer Machines，ARM）的微型计算机Raspberry Pi 3B 作为整个小车的主板，以SD/MicroSD 卡为内存卡。主板周围有4 个USB 接口，可以连接鼠标、键盘和网线，同时带有4 个高清多媒体接口（High Definition Multimedia Interface，HDMI）。

树莓派主板作为整个小车的基础，采集所有传感器模块的输入信号，并分析与处理数据。运行软件，与子系统进行通信和信息传输，通过监控报警模块输出信息。选用树莓派作为整个小车的核心，具有性价比较高、运行较为稳定、功能强大以及可扩展性强等优点。

2.2 传感器选型

2.2.1 夜视摄像头的选用

摄像头选用PiNoir Camera V2，可直接连接到树莓派主板，适用于24 h 全过程的视频录制。为了提升夜间探测的安全性和可靠性，增加夜间巡视红外灯。小车利用摄像头实时监控仓库中的各种安全情况，必要时可通过手机调取。

2.2.2 红外线探测模块

安全巡防小车选用HC-SR501 传感器作为红外线探测模块。HC-SR501 是一种热释电红外传感器，可以检测人体或者动物等发出的红外线，从而输出电信号，工作电压为直流5 ～20 V，感应角度范围为120°，最大感应距离为7 m。红外感应模块主要用于检测障碍物，工作原理是传感器发射红外线，红外线遇到障碍物发生反射，通过检测是否收到红外信号判断是否存在障碍物。

2.2.3 超声波探测模块

小车通过超声波探测模块探测设置范围内的障碍物，选用US-100 超声波探测模块，模块的工作电压为直流2.4 ～5.5 V，在非接触探测功能上的探测范围为50 ～3 000 mm，静态功耗不大于2 MW。此款超声波探测模块的工作原理是超声波传感器发出超声波，遇到障碍物后接收返回波，通过计算测出障碍到传感器的距离。当距离小于设定值时，判断周围存在物体，从而达到避障的目的。

2.2.4 烟雾报警模块

烟雾报警模块由一氧化碳传感器和可燃气体传感器两个主要的传感器收集数据。当两个传感器的数据超过设定的阈值时，传感器将向主控单元树莓派发射报警信号[4]。用户可通过手机端查阅现场视频，及时调取两个传感器的数据。

2.2.5 温度传感器

温度传感器主要是将小车当前环境的温度信号转换为电信号发送给主控单元，主控单元调取此信号用于确认烟雾报警时是否存在如火灾、过热自燃等可能的危险情况。

2.3 无线通信系统设计选型

无线通信主要采用RG200U-CN Mini PCle，支持5G，兼容4G、3G 等多种网络，且支持多种驱动和软件功能，采用USB 直接与树莓派主板连接，实现数据的传输通信[5]。

3 系统软件逻辑结构

系统软件的逻辑结构根据系统硬件的布置形式及逻辑关系进行设计，主要包括数据采集、图像和视频采集、无线通信、手机端软件设计等部分。软件程序的运行建立在树莓派Raspberry Pi 3B 的操作系统上，系统软件的总流程如图2 所示。

图2 系统软件流程图

3.1 数据采集分析模块软件设计

安全巡防小车的数据采集分析模块主要用来采集仓储环境中的有毒有害气体信号、可疑对象（人或者动物）信号。在系统初始化后，1 s 采集一次数据，并实时分析采集的数据，判断仓储环境是否存在安全隐患。如果存在系统设定的安全隐患，则反馈环境图像或者视频数据并发出报警声音；如果未检测出系统的安全隐患信息，则继续探测并采集数据。

3.2 图像采集模块软件设计

图像采集模块主要采集环境的视频信号和图像信号，并实时向树莓派主控模块发送信号数据。

3.3 无线通信模块软件设计

无线通信模块主要采用全网通无线通信模组RG200UCNV1-D10-SNADA，通过USB 与树莓派主控模块连接，并进行内核配置和拨号脚本编译，设置开机自动拨号后即可完成。树莓派启动后，可通过无线通信模块连接互联网传输数据。

3.4 手机端软件设计

微信端软件设计中在Raspberry Pi 3B 上安装微信用户端，并自动登录。编写程序控制微信用户发送的“开始”和“停止”指令，启动和停止安全巡防小车的各个系统。若检测到有系统设定的特殊情况发生，安全巡防小车系统将向手机自动发送报警信息，手机可以同步调取所在区域的图片、视频和各传感器发布的信号等。

4 结语

仓储是物资流转的关键环节，安全巡防是保障仓储顺利进行、资金免受损失的重要工作。设计系统以树莓派Raspberry Pi 3B 为控制中心，利用多种传感器模块采集数据，对封闭区域环境进行监控和报警，通过无线通信传输，将采集到的系统数据发送至指定手机端。手机端兼顾随时调取巡防视频和图像的功能，可实现特定区域（如面粉厂）及早发现安全隐患的安全巡防功能。同时，此技术可拓展应用于车辆辅助驾驶、汽车安全防护等检测系统，具有较好的推广应用价值。