基于Raspberry Pi开发板的智能通风检测系统设计

卢枭宇，安鹏芳，张勇

（四川科技职业学院，成都 620500）

随着中国制造2025的到来，水泵、气象台和遮阳板等设备接入互联网，朝着设备融合、万物互联发展，使数据的采集和传输更加方便、快捷。常见的通风系统智能化程度不能满足人们的生活需要，操控性和易学习性也较高，受限于其设备性能、技术等问题，成本往往并不理想，而智能通风系统则在其他通风系统的基础上进行改进。采用树莓派作为核心控制端，传感器用作采集单元获取各种信息，运用通信协议来实现向云平台（Web端）发送数据。根据大棚温湿度实时情况，控制通风装置完成室内调节［1］。当突发情况发生时，如发生火灾或者夜间有人闯入等，系统做出反应并自动发出警报，是系统智能化的体现，还具有成本低、功耗低、性能稳定等优点，能够改善传统通风系统的高延迟、智能程度较低等缺点，提高安全性、方便性等。温室大棚需长期处于密闭性空间，如不能保证环境的安全和适宜，会导致蔬菜水果减产、口感不好和营养缺失等问题而造成资源浪费、财产损失［2］。如果不能很好地解决封闭空间内的通风不良而影响生产消费，对社会经济产生很大影响。基于以上问题，提出了基于树莓派的智能通风系统，控制温室大棚的最佳理想状态，使温室大棚内的多种环境因子达到平衡［3］。

传感器结构复杂，容易出错误从而导致故障率上升；采用复杂的传感器会提高整套系统的经济造价，造价高但设备的易用性不高，导致系统性价比降低。本研究基于树莓派的智能通风系统，从提升设备的可靠性和易用性及降低成本等方面分析通风系统的组成与原理，当场景产生变化时，该系统可根据不同场景选择相对合理的系统通风方案［4］。

1 系统设计方案

1.1 智能控制系统的原理

智能通风系统由树莓派、供电模块、显示屏、通风装置和夜视摄像头等构成，各部件连接树莓派并完成数据的采集汇总，并运用MQTT协议与阿里云平台通信，通过显示屏展现数据可视化界面和摄像头影像。云平台对收集数据进行逻辑判断，反馈给树莓派使电机完成环境通风。同时能保证大棚处于安全环境，如发生火灾时能自动发出警告。

1.2 系统整体结构

根据系统设计的功能和需求，可选择相应模块构成系统，在该系统中采用树莓派作为核心。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

2 系统硬件设备

2.1 硬件模块的型号选择

设备管理就是使设备使用周期内经费最合理、综合效率最高，更安全可靠。设备选型是设备管理不可或缺的步骤，对保证设备安全、提高信息安全的监控和防护、降低安全风险以及对信息安全进行合理保障起到重要的作用。

随着技术领域进步及对信息安全产品各项性能要求的日益提高，各种新技术、新工艺、新观念广泛应用到信息的防护中，对提高信息安全设备的可靠性、经济性、安全性助益良多，各种性能优良、安全可靠的设备已逐步取代了老化、陈旧、存在安全隐患的设备。同时，随着信息安全重要性的深入人心，信息安全设备的正确、理性选择正在朝着健康有序的方向发展，过去片面追求短期经济效益的观念正在被摒弃。

2.1.1 核心控制器的选择树莓派由Raspberry Pi

基金会所开发，经历了A型、A+型、B型、B+型、2B型、3B型、3B+型、4B型等型号。

智能通风系统的控制系统中采用的是Raspberry pi 4B+。SOC为Broadcom BCM2711，CPU为64位四 核1.5 GHz的ARMv8处 理 器，GPU为Broadcom VideoCore VI@500MHz，具 有802.11AC（2.4/5 GHz）蓝牙5.0模块、5.0/BLE802.11AC（2.4/5 GHz）的WiFi模块和千兆以太网接口可以很便捷地与互联网进行通讯。同时还有2个USB3.0、2个USB2.0的端口和SD卡槽，双micro HDMI，最大分辨率达到4 K、60 Hz或4 K、30 Hz的视频输出接口，Type C（5 V、3 A）供电，外接显示器等使用树莓派提供了很大的便捷性，还拥有40个通用I/O接口可以外接各种不同模块，通过编程来运行相应的模块实现其功能。采用散热模块，保证系统运行时不仅能提高效率，也能安全稳定。系统核心模块树莓派如图2所示。

图2 树莓派4B+

2.1.2 传感器的选择在通风系统的监控模块中，温湿度传感器是系统的最前端，也是系统中最关键的一环。目前，市场上空气监测设备采用的传感器多为DHT11等DHT系列产品、HTU21D等HUT系列产品、SHT21等SHT系列产品等3种。本研究采用DHT11温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。采用特殊的数字模块采集技术和温湿度传感技术，保证设备具有更高的可靠性与稳定性［5］。DHT11传感器内涵一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。因此，该设备具有响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。DHT11与Cortex-M3之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要1个I/O接口［6］。

2.2 系统硬件模块电路设计

智能通风系统硬件模块设计目的是使系统达到造价低、安全环保等要求，而设计的相应程序是为了最大程度发挥硬件模块的潜能。系统需要硬件和软件相互紧密配合，将性能发挥到极致。

2.2.1 舵机运行原理智能通风系统测试中为了模拟通风装置，采用的舵机是SG90，是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机通过接收PWM信号，使其进入内部电路产生一个偏置电压，触发电机通过减速齿轮带动电位器移动，使电压差为零时，电机停转，从而达到伺服的效果。即给舵机一个指定的PWM信号，舵机旋转到指定角度［7］。舵机的控制需要一个20 ms的时基脉冲，控制高电平时间为0.5～2.5 ms范围内即可控制舵机在0～180°转动。

2.2.2 火焰传感器驱动原理火焰传感器由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒所构成。火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射［8］。不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，其对应火焰温度的近红外波长光域及紫外光光域具有很大的辐射强度，火焰传感器由此特性所制成。远红外火焰传感器能够探测到波长在700～1 000 nm范围内的红外光，探测角度为60°，其中红外光波长在880 nm附近时，传感器灵敏度达到峰值。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器2种类型，该系统采用电磁式的有源蜂鸣器［9］。部分代码如下：

3 系统软件模块

3.1 各传感器采集的程序设计

首先通过调取相应的针角，获得由传感器发送的数据；再将数据进行处理和汇总，分析数据的可行性；然后将数据统一发送给云平台进行数据可视化处理和分析；接着由云平台处理后发送相应的反馈数据给树莓派；最后树莓派将根据数据控制舵机的转动并打开通风装置。

w1-gpio是单总线的I/O操作模块，用于模拟单总线时序；w1_therm是DS18B20的内部操作模块（读写寄存器），和I/O时序无关；cat w1_therm获取反馈温度，将其除以1 000换算成摄氏度。SG90调用RPI.GPIO库，使用atexit.register（GPIO.cleanup），让舵机分别能向上转动和向下转动以便模拟开关电机控制通风系统［10］。

3.2 云平台的选择

常见的云平台有腾讯云、阿里云、华为云、百度云和小鸟云等。本研究采用阿里云物联网平台［11］，给设备提供稳定可靠的通信能力，更加方便地支持设备采集数据并存储在云端，同时也提供了API，实现设备的远程控制功能。物联网平台支持通过服务端订阅、云产品流转、场景联动、广播通信、RRPC通信等方式，通过配置规则，实现设备、服务器、物联网平台之间通信消息的同步、转化、过滤、存储等功能，更好地提供功能丰富的设备管理服务，包括生命周期、设备分发、设备分组、数据存储等。物联网平台支持OTA升级、在线调试、日志服务、远程配置、实时监控、远程维护等功能［12］。数据分析是阿里云为物联网开发者提供的数据智能分析服务，针对物联网数据特点，提供海量数据的存储备份、资产管理、报表分析和数据服务等能力，帮助用户更容易地挖掘物联网数据中的价值。

3.3 云平台的通信和数据传输的实现

在物联网平台上选择设备快速接入，通过注册设备、选择开发包、SDK下载和配置与测试4个步骤进行连接。因为开发设备是树莓派，所以选择设备平台是Linux，选择的协议是MQTT。设备开发工具有3种选择：node.js、Java、嵌入式c，本研究选择的是node.js［13］。

根据paho.mqtt.client库所提供功能，将三元组，即productKey、deviceName和deviceSecret统一打包放在一起，HOST=options［‘productKey’］+‘.iot-asmqtt.’+options［‘regionId’］+‘.aliyuncs.com’，PORT=1883，PUB_TOPIC=“/sys/”+options［‘productKey’］+“/”+options［‘deviceName’］+“/thing/event/property/post”。根据以上代码让树莓派通过Broker Port 1883通信端口发送报文给阿里云平台进行连接。通过client.publish（PUB_TOPIC，payload=str（payload_json），qos=1）将设备采集的数据每隔1 s发送给云平台。

4 摄像头模块

接入后开启Camera，使用raspistill和raspivid获取静态图片和视频信息，保证摄像头能正常运行。使用Javascript设计网页并生成M3U播放列表并将其配置导入树莓派，下载libjpeg8-dev支持库和cmake编译工具，对mjpg-streamer-experimental文件编译。使用（./mjpg_streamer-i“./input_raspicam.so-w 320-h 240-fps 10”-o“./output_http.so-w./www”）命令启用摄像头。于树莓派同一局域网的设备上通过http：//（树莓派IP）：8080/？action=snapshot访问达到实时监控的目的（图3）。

图3 树莓派4B+

5 智能通风系统的调试

智能通风系统需要各模块的相互协同。该系统整体实物如图4所示。

图4 硬件模块的整体实物

实现设备上云，数据上报后就可以通过IoT Studio模块中可视化界面展示其数据，如图5所示。

图5 数据展示

在阿里云平台的业务逻辑模块中，建立数据之间的联系，按照格式提供数据分析后，将其信息发送给树莓派并让其调用I/O接口控制电机转动，做到实时调整通风系统，控制室内温湿度等［14］。

利用云平台进行数据处理和分析，采用树莓派为核心实现功能调用及与阿里云平台进行通信，硬件部分利用了较成熟的硬件模块搭建，把设计的重心放在软件模块上，首先考虑到了温湿度的收集性和数据的分析作用，将树莓派上的算法程序运行到阿里云平台上，使其更加的稳定和高效，基本达到系统设计的高效性和实时性。

6 结论与展望

智能通风系统在传统通风系统的基础上进行了改进，从被动管理转变为宏观控制。温室大棚在没有管理人员的情况下按照预定的工作模式自动控制电机、自主启动和停止照明等达到节能效果。温室大棚内部及周边环境能得到实时监控，显著提高通风系统的科学性和安全性。通过多次系统运行测试，表明该系统的智能控制功能基本满足设计要求。支持智能动态镜面显示，大气美观，技术感十足；支持动态显示日期、时间、温度和监控画面等交互式界面功能丰富，并且支持用户DIY。该系统的开发对封闭性环境的智能通风检测系统的后续研究具有重要的理论和实践参考价值［15］。

该系统可以与温室大棚中黄瓜病斑识别系统［16］和交互式绿植养护系统设计［17］进行配合使用，可观察优质的蔬菜水果成长需要怎样的环境条件，如大棚中的CO2含量、温度、湿度等。采用OpenCV［18］及其Python接口完成算法移植和软件系统搭建使其完成运动检测与跟踪系统［19］，工作者在大棚摔倒或者受伤时能及时发出警报，保证大棚内工作者的安全。运用人脸识别检测系统，对大棚内人员的进出进行记录和监督。采用Python通过Numpy对数据进行处理，以多维数组表示图像［20］。推进黑灯温室大棚”的发展，让大棚向着智能化工厂发展。