中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部 靳建彬 吳 昊 張海龍

1.引言

在有火災(zāi)隱患或者冒濃煙的環(huán)境中，如果人員進(jìn)去查看火災(zāi)情況危險(xiǎn)較高，容易發(fā)生意外狀況，需要使用一個(gè)成本低廉的火災(zāi)報(bào)警設(shè)備檢測(cè)情況。Raspberry Pi是一個(gè)微型的嵌入式硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，體積小、功能全、資源開(kāi)放，便于編程開(kāi)發(fā)人員學(xué)習(xí)，也適用于微型系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。本文基于這個(gè)微型平臺(tái)開(kāi)發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)單的火災(zāi)報(bào)警智能小車，智能小車靈活方便，可在狹小空間等環(huán)境下進(jìn)行火災(zāi)情況的監(jiān)測(cè)。這個(gè)報(bào)警系統(tǒng)投入小，可以防范火災(zāi)對(duì)人員的意外傷害，實(shí)用性強(qiáng)。

2.Raspberry Pi平臺(tái)

2.1 Raspberry Pi硬件平臺(tái)

Raspberry Pi, 簡(jiǎn)稱Rpi或者RasPi，中文名稱為“樹(shù)莓派”，是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD卡為內(nèi)存硬盤。主要用于教育用途，專為業(yè)余興趣者和想學(xué)習(xí)編程的年輕人們?cè)O(shè)計(jì)的，提供一個(gè)具有最基本功能的，廉價(jià)的硬件平臺(tái)。其尺寸只有信用卡大小，運(yùn)行速度比臺(tái)式機(jī)稍慢，但已具備了電腦的所有基本功能，只需接通電視機(jī)和鍵盤，就能執(zhí)行如電子表格，文字處理，玩游戲，播放高清視頻等諸多功能。Raspberry Pi的GPU運(yùn)算能力達(dá)到1G pixel每秒，1.5Gtexel每秒或24 GFLOPs的普通運(yùn)算，并且符合OpenGL 2.0標(biāo)準(zhǔn)，換而言之，它的圖形能力跟初代Xbox的圖形能力相約。Raspberry Pi有A，B兩板。A板提供一個(gè)USB接口，配備256MB內(nèi)存，功率2.5W，500mA； B板提供兩個(gè)USB接口，HDMI輸出和10/100自適應(yīng)以太網(wǎng)端口，配備512MB內(nèi)存，功率3.5W，700mA。

2.2 Raspberry Pi軟件系統(tǒng)

支持安裝以下操作系統(tǒng)及這些操作系統(tǒng)下的軟件：

Debian GNU/Linux

Raspbian OS

Fedora

Arch Linux ARM

RISC OS

FreeBSD

另外還支持Android和多媒體中心XBMC。

Raspbian中預(yù)裝Python，它是Raspberry Pi的官方編程語(yǔ)言，還有IDLE 3，一個(gè)Python的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)。RPi下的許多應(yīng)用都是用Python開(kāi)發(fā)的，包括外圍硬件如GPIO、串口、I2C等的控制都可以通過(guò)相應(yīng)的Python庫(kù)函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)。使用Python可以編寫(xiě)出許多功能強(qiáng)大的，Raspberry Pi提供了許多功能豐富強(qiáng)大的Python擴(kuò)展庫(kù)，從簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)計(jì)算和編寫(xiě)游戲，到網(wǎng)絡(luò)通信，甚至可以直接控制Raspberry Pi的硬件接口。

2.3 GPIO接口

GPIO（General Purpose IO ports），也就是通用IO口。在嵌入式系統(tǒng)中常常有數(shù)量眾多，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的外部設(shè)備，這些設(shè)備有的需要CPU為之提供控制手段，有的需要給CPU提供輸入信號(hào)。這些接口只要求有關(guān)/開(kāi)兩種狀態(tài)，比如燈亮與滅，所以在微控制器芯片上一般都會(huì)提供一個(gè)通用可編程IO接口，即GPIO。接口至少有兩個(gè)寄存器，即“通用IO控制寄存器”與“通用IO數(shù)據(jù)寄存器”。數(shù)據(jù)寄存器的各位都直接引到芯片外部。在Python中通過(guò)調(diào)用相關(guān)的庫(kù)函數(shù)，如官方提供的RPi.GPIO庫(kù)，可以非常方便地通過(guò)編程控制GPIO等硬件接口。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 保障條件

3.1.1Raspberry Pi

3.1.2 煙霧氣體傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、遙控小車

3.1.3 LED燈

3.1.4 WIFI設(shè)備、充電寶、筆記本

3.2 系統(tǒng)組成

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要由火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F氣體傳感器、樹(shù)莓派單片機(jī)、遙控小車及LED報(bào)警燈組成。系統(tǒng)組成如下圖所示：

圖1 系統(tǒng)組成圖

3.3 火焰?zhèn)鞲衅?/h3>

火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)火焰最敏感，可以檢測(cè)火焰或者波長(zhǎng)在760納米～1100納米范圍內(nèi)的光源，一般用做火焰報(bào)警等用途。傳感器與火焰要保持一定距離，以免高溫?fù)p壞傳感器，對(duì)打火機(jī)測(cè)試火焰距離為80cm，對(duì)火焰越大，測(cè)試距離越遠(yuǎn)。

火焰?zhèn)鞲衅餍阅芴攸c(diǎn)：

3.3.1 探測(cè)角度60度左右，對(duì)火焰光譜特別靈敏

3.3.2 使用寬電壓LM393比較器輸出，信號(hào)干凈，波形好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，超過(guò)15mA

3.3.3 工作電壓3.3V-5V

3.3.4 輸出形式 ：DO數(shù)字開(kāi)關(guān)量輸出（0和1）和AO模擬電壓輸出

3.3.5 設(shè)有固定螺栓孔，方便安裝

3.4 煙霧氣體傳感器

煙霧氣體傳感器可以檢測(cè)煙霧，當(dāng)檢測(cè)到艙室煙霧濃度達(dá)到設(shè)定值后，輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED指示燈報(bào)警，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警功能。

煙霧氣體傳感器性能特點(diǎn)：

3.4.1 具有信號(hào)輸出指示。

3.4.2 雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）

3.4.3 TTL輸出有效信號(hào)為低電平。（當(dāng)輸出低電平時(shí)信號(hào)燈亮，可直接接單片機(jī)）

3.4.4 模擬量輸出0～5V電壓，濃度越高電壓越高。

3.4.5 對(duì)液化氣，煙霧有較好的靈敏度。

3.4.6 具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性

3.4.7 快速的響應(yīng)恢復(fù)特性

3.5 系統(tǒng)工作流程

以煙霧氣體傳感器為例，說(shuō)明系統(tǒng)工作流程。當(dāng)煙霧傳感器檢測(cè)到煙霧氣體且濃度達(dá)到設(shè)定值后，向單片機(jī)接口輸出信號(hào)電壓，單片機(jī)通過(guò)程序判斷收到煙霧傳感器報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LED燈點(diǎn)亮，發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)?；馂?zāi)信號(hào)通過(guò)單片機(jī)發(fā)送給遙控小車，遙控小車根據(jù)獲取的火災(zāi)信息，判斷著火點(diǎn)方向，并向相反的方向運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離著火點(diǎn)。

3.6 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

傳感器、LED燈通過(guò)GPIO接口連接到Raspberry Pi板卡上，Raspberry Pi通過(guò)GPIO接口與小車相連發(fā)送信號(hào)。系統(tǒng)由充電寶提供電源，WIFI設(shè)備提供遠(yuǎn)程控制通道。

測(cè)試過(guò)程為：筆記本通過(guò)WIFI信號(hào)與Raspberry Pi相連，控制小車向打火機(jī)提供的火源處行駛，當(dāng)小車檢測(cè)到火源后，LED燈閃爍報(bào)警，小車向遠(yuǎn)離火源方向行駛。經(jīng)過(guò)測(cè)試，智能小車系統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)正常。

6.結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)實(shí)際需求Raspberry Pi這個(gè)微型的嵌入式硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F氣體傳感器和LED燈對(duì)火焰進(jìn)行檢測(cè)及報(bào)警。通過(guò)添加其他傳感器，智能小車系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)其他功能，可擴(kuò)展性強(qiáng)。系統(tǒng)成本低、實(shí)用性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于教育、工作及生活領(lǐng)域。