基于树莓派的室内烟雾检测系统的设计与实现

陈佳

摘 要：文章介绍了Linux操作系统环境下基于树莓派微型计算机的室内烟雾检测系统的设计与实现。本系统集合了嵌入式开发的模块化优点和计算机处理复杂问题的能力，而且可以长期稳定运行。检测系统是面向所有用户的，以实现超过设定浓度值报警为基础功能，结合温度湿度的录入，并且给用户提供可以对实时状态进行查询的渠道。

关键词：烟雾检测；报警；树莓派；Python；电子邮件

烟雾检测在生活生产中十分必要，因为随着火力、电力的完全普及，人们的生活越来越方便。但是无论是家庭使用还是工厂生产，能源使用的安全隐患是一定存在的。所以，危害检测系统已经发展了很长时间，可以有效减少危机的扩大。物质在燃烧过程中产生大量的烟和热，所以烟雾浓度和环境温度的检测，可以有效预防火灾。

本系统采用的树莓派由于其体积小，安装也极其方便。更重要的是，树莓派基于Linux系统，在实现基本功能之后，还可以根据自身需要，编辑更多的配套功能。相比于现在如单片机的嵌入式开发的检测系统，树莓派拥有潜力和更多的可能性。比如借助于树莓派的网络连接功能，数个检测系统可以同时或者分时工作构成一个传感系统网，并且和大数据技术相结合，或者成为今后智能家居系统的一部分，有效减少系统固有成本和维护复杂度，增加运行稳定性，灵活拓展性和智能化。

1 系统架构设计

1.1 系统总体结构

用户可以在检测浓度超过警戒值时收到邮件报警通知，如果当时位于设备附近，当温度，烟雾超标时，还会听到蜂鸣器的警示声音。用户还可以调整温度以及烟雾浓度提示的警戒值。用户也可以操作树莓派或者远程访问树莓派内安装的MySQL数据库，进行增删改查工作，并且可以更改用户的邮箱地址。还可以通过简单的信息转入，得到一段温湿度数据的折线图分析和烟雾报警状态的集中分析[1]。系统各功能模块结构如图1所示。

1.2 数据库设计

本设计数据库结构简单，数據较少，包括两个信息表：烟雾状态信息表、温度湿度信息表。

1.2.1 烟雾状态信息表

烟雾状态信息表用来储存MQ-2传感器得出的状态信息并且记录时间，具体如表1所示。

1.2.2 温度湿度信息表

温度湿度信息表用来存储DHT11传感器获取的温度湿度数据的整数部分以及记录时间，具体如表2所示。

2 关键技术

2.1 Linux操作

Linux操作系统是一种克隆系统，由UNIX操作系统发展而来，自诞生已有近30年。特点是高效、灵活，其模块化设计可以在庞大的工作站抑或是微型PC机上，具有多任务、多用户的能力。操作系统的软件包包括了文本编辑器、高级语言编译器等应用软件。

在本课题设计中，多次使用LX命令端下的sudo命令，就是一种Linux的系统管理指令。它让系统的管理员允许普通用户执行部分或者全部的root命令。例如，sudonano是以最高权限启动nano文本编辑器，这样可以对系统内部文件进行修改。

2.2 基于Python的STMP协议email模块使用

Python的smtplib提供了一种很方便的途径发送电子邮件。它对smtp协议进行了简单的封装。

smtp协议的基本命令包括：（1）HELLO：向服务器标识用户身份。（2）MAIL：初始化邮件传输mail from。（3）RCPT：标识单个的邮件接收人；常在MAIL命令后面，可有多个rcpt to。（4）DATA：在单个或多个RCPT命令后，表示所有的邮件接收人已标识，并初始化数据传输，以“.”结束。（5）VRFT：用于验证指定的用户/邮箱是否存在；由于安全方面的原因，服务器常禁止此命令。（6）EXPN：验证给定的邮箱列表是否存在，扩充邮箱列表，也常被禁用。（7）HELP：查询服务器支持什么命令。（8）NOOP：无操作，服务器响应OK。（9）QUIT：结束会话。（10）RSET：重置会话，当前传输取消。（11）MAIL FROM：指定发送者地址。（12）RCPT TO：指定接收者地址。

2.3 树莓派GPIO模块

通用输入/输出（General Purpose Input Output，GPIO）又称为总线扩展器，利用工业标准I2C，SMBus或串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）简化了I/O口的扩展。当微控制器或芯片组没有足够的I/O端口，或当系统需要采用远端串行通信或控制时，GPIO产品能够提供额外的控制和监视功能。

2.4 LibreOfficeCalc

LibreOffice是一款功能强大的办公软件，默认使用开放文档格式，并支持其他多种文档格式，比如*.docx，*.xlsx，*.pptx等。它是跨平台软件，可运行于Microsoft Windows，GNU Linux以及Mac OS X等操作系统上，这是选择这款应用的一大原因。它是自由软件，对个人和企业用户均免费。另一方面则是因为它在保证功能实现的基础上非常轻量化，保证了在树莓派上的可操作性和稳定性[2]。

3 结语

本课题基于树莓派系统，具有电脑的所有基本功能，是一个具有弹性的平台，但是功耗发热小，体积不大，方便携带。经过测试，程序运行稳定，进行修改和调整也十分方便，而且开源软件也可以避免软件收费之争[3]。其CPU时钟默认为700 MHz，并允许超频工作在1 GHz以上[4]，相比各式单片机具有方便拓展的优势。系统工作时，在温度高于40 ℃的时候，会判定为有发生火灾，产生烟雾的隐患，则会使蜂鸣器工作，发出鸣响，提醒用户检查环境是否安全。而在检测到烟雾超标信号时可以及时给设定邮箱发送用于警告的电子邮件，并且在问题解除之后更新邮件信息。整个流程稳定可控，数据也可以从数据库里进行查看。

如今，网络使用已经深入千家万户，智能设备的发展更是备受欢迎。今后，能将树莓派开发与智能家居相结合，打造更便捷的居住环境，才会在未来的发展中占据优势。

[参考文献]

[1]王景春.火灾中烟雾危害及防控对策[J].中国新技术新产品，2012（3）：252.

[2]陈智铭.Android架构的视频监控系统及其烟雾检测的研究与实现[D].福建：华侨大学，2013：2-3.

[3]吴敏，刘旭明.基于AT89S52单片机的火灾自动报警系统的仿真设计[J].金陵科技学院学报，2012（3）：29-34.

[4]李杰，朱海鹰.便携式气体检测仪在石化厂的运用[J].石油化工安全技术，2000（1）：37-40.

Abstract：This paper introduces the design and implementation of indoor smoke detection system based on Raspberry Pi microcomputer under Linux operating system environment. The system integrates the modular advantages of embedded development and the ability of computer to handle complex issues， and can operate stably for a long time. The detection system is for all users， in order to achieve more than the set value of alarm-based functions， combined with temperature and humidity input， and to provide channel for users to query real-time status.

Key words：smoke detection； alarm； Raspberry Pi； Python； E-mailendprint