一个基于树莓派的火灾监测报警系统的设计与实现

钟利娟，文欢

(新疆农业大学计算机与信息工程学院，新疆乌鲁木齐830052)

1 引言

随着传感器技术和人工智能技术的发展，各种智能化设备逐渐地进入到人们的生活当中，代替了一些烦琐或者危险的工作[1]。在现代社会，人们建造的房屋越来越多，发生家庭火灾的可能性也就越来越大。现有的火灾报警装置的监测方式也比较单一，时常发生火灾误报的情况，并且报警装置与灭火装置无法联动。因此，设计一种实用、智能、精准的火灾监测报警系统显得十分重要。这不仅需要设计者的思维从原来的注重节约转向安全、人性化，也要求火灾监测报警系统达到更智能、更精确的水平[2]。

本设计基于Raspberry Pi 3B+树莓派实现了一种火灾监测报警系统。该系统由检测、报警与控制三个部分组成，可实现烟雾和火焰自动检测、声光报警、拍摄上传现场画面，并通过微信公众号控制灭火装置开关的功能。用户根据上传的现场画面，判断是否真正发生火灾，这样大大减小了火情误报的概率。如果真实发生火灾，可通过微信公众号远程控制灭火装置的开关，这样可以降低人工成本、减少损失。多传感器监测火灾和智能灭火功能，是对火灾防范以及及时应对环境状况的有效方法，其中包含传统火灾报警系统的特点，也满足目前对火灾现场及时控制的需求，提升了火灾监测报警系统的各方面的功能性[3]。

2 系统总体设计

2.1 设计思路

本设计采用Raspberry Pi 3B+树莓派作为主控模块，Python作为主要编程语言。火灾监测报警控制系统的烟雾传感器和火焰传感器模块实时检测火情，将检测的数据传送至Raspber‐ry Pi 3B+树莓派进行处理。Raspberry Pi 3B+树莓派根据输入数据，对蜂鸣器、LED 灯和CSI摄像头进行智能控制，实现声光物理报警和拍摄现场画面并上传至用户邮箱的功能。如果用户判断为真实发生火灾，将通过微信公众号向服务器发送控制指令。mosquitto 消息代理发布主题。Raspberry Pi 3B+树莓派从服务器上订阅相应主题，对灭火装置开关进行控制。整体系统设计框图，如图1所示。

图1 整体系统设计框图

2.1.1 传感器

系统中对火焰的检测采用体积较小的三线制火焰传感器。该传感器有三个端口，即DO、GND 和VCC，可以检测波长从760nm 到1100nm 的火焰或光源。检测的角度大约为60 度，尤其对于火焰的光谱非常敏感，另外它的灵敏度可以依据不同环境进行人工调节。该传感器中采用的是LM393 芯片作为比较器，工作稳定，不容易出现故障，体积小便于安装[4]。在本设计当中，Raspberry Pi 3B+树莓派上的GPIO 口需要检测火焰传感器模块DO口的输入信号。

系统中对烟雾的检测使用了非常便宜的MQ-2 气体传感器，这是一种二氧化锡半导体气体敏感材料。当接触到气体烟雾时，该材料的电导率就会发生变化，烟雾的浓度越大，电导率就越大，电阻就会越低。MQ-2具有DO数字信号输出，可以按需调节检测的灵敏度。

2.1.2 Raspberry Pi 3B+树莓派

2.1.3 摄像头

当Raspberry Pi 3B+树莓派检测到火灾发生时，会打开摄像头，将现场的画面拍照上传至用户的邮箱，用户进行人工识别。本设计中选择CSI 摄像头，其成本低。虽然CSI 摄像头帧率较高，但相对比于USB 摄像头来说，CPU 使用占比更低。考虑到在本设计中，Raspberry Pi 3B+树莓派还需运行其他模块的程序，因此选择CSI摄像头更为合适。

2.1.4 微信公众号

微信公众号是用于发送开启和关闭灭火装置的指令。微信公众号有两种账号，分别为个人和企业号，个人号支持普通的开发功能，拥有的权限相对较少[6]。但是在本设计中，只需利用微信公众号的消息收发功能，所以只需申请一个个人公众号即可。

2.1.5 Django框架

Django 是一个开源、免费、高级的Python web 框架，可以用于快速开发实用的代码[7]。其初衷是为了支持Web应用程序开发、Web API和Web服务。借助Django框架，Web开发者可以专注于创建功能丰富、快速、安全和可扩展的独特应用程序，并得益于比使用Web开发工具更强的灵活性。Django能处理Web开发方面的许多麻烦，使用户能够致力于开发应用程序所需的组件，而不是将时间花在已开发的组件上。本设计中，通过Django框架搭建微信公众号服务器用于对消息的接收和回复。

2.1.6 mosquitto 消息代理

mosquitto 是一个开源的消息代理服务器，它可以实现MQTT 协议的3.1 版本，支持可发布/可订阅的消息推送模式。在本设计中，微信公众号作为发布端向mosquitto消息代理发布主题，Raspberry Pi 3B+树莓派作为订阅端，从mosquitto 消息代理处订阅相应主题。

4) 核心交换机CS6509与汇聚交换机CS3560G之间的链路利用率、吞吐量、排队时延:根据这些指标以观察NIC与Student子网之间的链路情况．

2.1.7 公用IP

微信公众号的接口开发和MQTT协议主题的发布和订阅，需要使用一个公网IP的两个端口。微信公众号远程控制灭火装置开关的程序不能在本地运行，因为充当服务器功能的本机一旦关机，微信公众号以及mosquitto 消息代理就无法正常运行，所以在本设计中使用了腾讯云的服务器，并在服务器上装Ubuntu桌面版的系统，以便于之后的可视化操作。

2.2 电路仿真图

图2 整体系统设计仿真图

3 功能模块设计

3.1 火灾检测模块

火灾检测模块是火灾监测报警系统中的基础部分。本设计中，采用Raspberry Pi 3B+树莓派作为本次设计的主要控制单元。当火焰和烟雾传感器模块都达到阈值时，火焰和烟雾传感器模块分别从数字引脚向Raspberry Pi 3B+树莓派输出低电平。Raspberry Pi 3B+树莓派处理信息，给控制蜂鸣器和LED灯的引脚分别输出低电平和高电平从而实现声光物理报警功能。同时Raspberry Pi 3B+树莓派还将打开CSI摄像头，拍摄一张照片发送至用户的邮箱，用户可以根据照片内容进行人工判断，这样既节省了人力又降低了误报率。

3.2 微信公众号远程控制灭火装置模块

微信公众号远程控制灭火装置模块分为三个部分。首先利用微信公众号，在腾讯云服务器上搭建Django框架作为微信公众号的服务器，用于微信公众号接收和回复消息。当公众号收到open 时，回复用户“收到open,已经将1 发送到subscribe 平台”；当公众号收到close时，回复用户“收到close,已经将0发送到subscribe平台”；当公众号收到除open和close以外的其他信息时，则回复相同的信息。

其次，在服务器上安装mosquitto消息代理。选用MQTT协议，而不是HTTP协议，是因为MQTT协议，相较于HTTP协议吞吐量更大，依赖TCP 协议具有非常高的可靠性。本设计中，微信公众号接收到相应指令后，mosquitto消息代理发布主题。

最后，Raspberry Pi 3B+树莓派作为订阅端从mosquitto消息代理(broker)处订阅相应主题，从MQTT协议的报文当中获得控制指令，根据指令对控制舵机的端口输出PWM脉冲信号。

4 软件设计

火灾监测报警系统的运行逻辑是软件设计的核心。当火灾检测模块没有检测到火情时，系统不做任何处理。当检测到火情时，系统进行声光物理报警并打开CSI摄像头，拍摄一张照片发送至用户邮箱，用户进行人工判断是否发生火灾。如果没有发生火灾，为误报情况，系统不做任何处理。如果发生火灾，用户可通过微信公众号远程控制灭火装置的开关。用户向公众号发送open，舵机顺时针旋转180度，打开灭火装置的开关。用户向公众号发送close，舵机逆时针旋转180 度，关闭灭火装置的开关。火灾监测报警系统的软件设计流程图如图3所示。

图3 火灾监测报警系统软件设计流程图

5 系统测试

火灾监测报警系统的实物图如图4 所示。并对系统测试了以下几种情况：

图4 火灾监测报警系统实物图

当只有烟雾传感器模块达到阈值时，火灾监测报警系统未触发。

当只有火焰传感器模块达到阈值时，火灾监测报警系统也未触发。

当火焰传感器和烟雾传感器同时达到阈值时，会触发火灾监测报警系统，系统进行声光物理报警，并打开摄像头拍摄一张照片，然后发送至用户的邮箱。用户根据拍摄的照片，发现确实发生火灾，立马向微信公众号发送open 的指令，舵机在2秒内顺时针旋转180 度，打开灭火装置开关。5 分钟后用户向微信公众号发送close 的指令，舵机在2 秒内逆时针旋转180度，关闭灭火装置的开关。

6 总结

本文提出了一个基于Raspberry Pi 3B+树莓派的火灾监测报警系统的设计与实现方法。主要阐述了火灾检测模块和微信公众号远程控制灭火装置模块两部分。火灾检测模块主要实现了火灾检测与报警功能，发生火灾时将采集到的信息传送给Raspberry Pi 3B+树莓派，Raspberry Pi 3B+树莓派进行声光物理报警，并打开摄像头拍照上传至用户邮箱。微信公众号远程控制灭火装置模块主要实现了控制功能。在发生火灾的情况下，能最大限度地节省时间并达到灭火的效果，这也是本设计的创新之处。相比于传统的火灾监测报警器，本设计更加人性化和智能化。软件设计主要为火灾监测报警系统的运行逻辑设计、火灾监测的数据采集与处理和服务器对于指令的处理。经测试，本设计具有实时检测火灾，声光报警，发送现场照片至用户邮箱，用户通过微信公众号远程控制灭火装置开关的功能。整个系统性能稳定，实时效果明显，感应灵敏，应用前景广泛。