基于Raspberry Pi的超声波测距防盗报警系统

陈俊涛��

摘要：文中详细介绍了基于Raspberry Pi3的超声波测距报警系统的设计与实现方法。本系统以Raspberry Pi3为核心，应用超声波测距传感器对待测物体进行测距、蜂鸣器模块进行报警。该系统可应用于贵重物品防盗报警、盲人便携式报警器等。

关键词：Raspberry Pi；超声波传感器；报警系统

当前，基于树莓派和各种集成应用系统层出不穷。本文就是基于树莓派并集成了超声波测距传感器和蜂鸣器设计实现的一个报警系统。

超声波测距传感器中主要利用了超声波的特性。超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点，超声波传感器可广泛应用于非接触式检测方法，因而采用仿真技术进行超声波测距。采用超声波技术生产的超声波传感器与树莓派结合使用，可以构建超声波测距防盗报警系统。

1 硬件简介

1.1树莓派简介

Raspberry Pi（中文名为“树莓派”，即Raspberry Pi电脑板，简写为RPi，或者RasPi / RPI）是一种只有信用卡大小的微型电脑。它由英国慈善组织“Raspberry Pi慈善基金会”开发，2012年3月正式对外发售，号称世界上最小的台式机，又称卡片式电脑，却具有电脑的所有基本功能。树莓派具有编程灵活、可定制信号类型和易于适应现有设备等优点，为工业领域带来许多益处。它能成为普通工业设备的替代品，成本低廉且灵活，为小型传统工业系统添加远程控制和监控功能。当前，RPi被广泛应用于智能家居、快速电子成型和家庭DIY等方面。本文将以树莓派3代B型机作为开发机，它采用了Broadcom的BCM2837芯片，CPU基于ARM CortexA53架构，共4个核心，运行频率1200MHz，具有1GB DDR2内存。树莓派3代B型机接口丰富，拥有4个USB2.0规范接口，1个HDMI接口，1个RJ45接口；还有1个MicroSD卡槽，17个GPIO及HAT（扩展板）规格铺设；15针头 MIPI 相机 （CSI） 界面，可被树莓派相机或树莓派相机（无红外线版）使用。

1.2 其他使用的硬件

系统中还使用了超声波测距传感器和蜂鸣器。

2 系统设计方案

2.1 硬件设计方案

系统中，树莓派作为系统的中央控制器，在系统启动后，树莓派先向超声波测距传感器（HCSR04）的TRIG针脚发送至少10us的触发信号，超声波测距传感器模块内部将发出8个40kHz 周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则ECHO针脚输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测量距离=（高电平时间*声速（340m/s））/2，该距离即为贵重物品与超声波测距传感器之间的距离。

系统再根据所测距离值与系统设定的阈值（贵重物品与超声波传感器之间的预设距离）进行比较，如超出阈值范围，说明贵重物品被移开（即被盗），树莓派将激活蜂鸣器进行报警。

2.2 软件设计方案

软件编程主要使用Python编程语言，调用Raspbian操作系统中基于Python的RPI.GPIO库来对连接在树莓派GPIO接口的超声波测距传感器、蜂鸣器等设备进行控制。超声波测距传感器（HCSR04）在测距中的关键代码如下：

# 初始化；注意输出与输入的接口，17为发射，18为接收

Trig_Pin = 17

Echo_Pin = 18

GPIO.setmode（GPIO.BCM）

GPIO.setup（Trig_Pin，GPIO.OUT，initial = GPIO.LOW）

GPIO.setup（Echo_Pin，GPIO.IN）

GPIO.output（Trig_Pin，False）

while 1：

time.sleep（1）

# I/O 触发，发送10us以上的高电平，模块自动发送8个40khz的方波

GPIO.output（Trig_Pin，GPIO.HIGH）

time.sleep（0.00001）

t1 = time.time（）

# 未接收为False，循环检查开始接收点，转为True为开始接收

while GPIO.input（Echo_Pin）==FALSE：

pass

# 循环检查开始接收，转为False，则为接受完毕

while GPIO.input（Echo_Pin）：

pass

t2 = time.time（）

# 计算发送与接收时间差

t3 = t2t1

# 空气中1个标准大气压在温度15摄氏度时速度为340m/s

# 所以按照一秒钟34000厘米计算

# 根据硬件说明文档，该模块探测距离在2450cm之间

# 测试范围的时间间隔应该为0.000132到0.023529

# 为了方便取值自行变化一点

if 0.0235 > t3 > 0.00015：

return t3*34000/2

3 结语

基于Raspberry Pi的超声波测距防盗报警系统解决方案能较好地实现进行超声波测距，并根据所测距离与设定阈值进行比较，判断贵重物品的距离是否超过阈值，如果超出阈值范围的距离就进行报警。该系统可应用于贵重物品防盗报警（一旦贵重物品被移开超过設定的距离值即报警），还可用于设计盲人便携式报警装置等，并且树莓派的功耗极低，能保持长时间稳定运行，系统设计简单、成本低廉，未来将会在更多领域发挥积极作用。

参考文献：

[1]黄迪.物联网的应用和发展研究[D].北京：北京邮电大学，2011.

[2]张鸿涛.物联网关键技术及系统应用（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2017.

[3]吴建平.传感器原理及应用（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2016.

[4]张永安.基于树莓派的智能家居系统[J].电子世界，2016（15）.

作者简介：陈俊涛（1977），男，讲师，硕士，主要研究方向为嵌入式系统、物联网等。