陳俊濤??

摘要：文中詳細(xì)介紹了基于Raspberry Pi3的超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。本系統(tǒng)以Raspberry Pi3為核心，應(yīng)用超聲波測(cè)距傳感器對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行測(cè)距、蜂鳴器模塊進(jìn)行報(bào)警。該系統(tǒng)可應(yīng)用于貴重物品防盜報(bào)警、盲人便攜式報(bào)警器等。

關(guān)鍵詞：Raspberry Pi；超聲波傳感器；報(bào)警系統(tǒng)

當(dāng)前，基于樹(shù)莓派和各種集成應(yīng)用系統(tǒng)層出不窮。本文就是基于樹(shù)莓派并集成了超聲波測(cè)距傳感器和蜂鳴器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)報(bào)警系統(tǒng)。

超聲波測(cè)距傳感器中主要利用了超聲波的特性。超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過(guò)程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，超聲波傳感器可廣泛應(yīng)用于非接觸式檢測(cè)方法，因而采用仿真技術(shù)進(jìn)行超聲波測(cè)距。采用超聲波技術(shù)生產(chǎn)的超聲波傳感器與樹(shù)莓派結(jié)合使用，可以構(gòu)建超聲波測(cè)距防盜報(bào)警系統(tǒng)。

1 硬件簡(jiǎn)介

1.1樹(shù)莓派簡(jiǎn)介

Raspberry Pi（中文名為“樹(shù)莓派”，即Raspberry Pi電腦板，簡(jiǎn)寫(xiě)為RPi，或者RasPi / RPI）是一種只有信用卡大小的微型電腦。它由英國(guó)慈善組織“Raspberry Pi慈善基金會(huì)”開(kāi)發(fā)，2012年3月正式對(duì)外發(fā)售，號(hào)稱世界上最小的臺(tái)式機(jī)，又稱卡片式電腦，卻具有電腦的所有基本功能。樹(shù)莓派具有編程靈活、可定制信號(hào)類(lèi)型和易于適應(yīng)現(xiàn)有設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，為工業(yè)領(lǐng)域帶來(lái)許多益處。它能成為普通工業(yè)設(shè)備的替代品，成本低廉且靈活，為小型傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)添加遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控功能。當(dāng)前，RPi被廣泛應(yīng)用于智能家居、快速電子成型和家庭DIY等方面。本文將以樹(shù)莓派3代B型機(jī)作為開(kāi)發(fā)機(jī)，它采用了Broadcom的BCM2837芯片，CPU基于ARM CortexA53架構(gòu)，共4個(gè)核心，運(yùn)行頻率1200MHz，具有1GB DDR2內(nèi)存。樹(shù)莓派3代B型機(jī)接口豐富，擁有4個(gè)USB2.0規(guī)范接口，1個(gè)HDMI接口，1個(gè)RJ45接口；還有1個(gè)MicroSD卡槽，17個(gè)GPIO及HAT（擴(kuò)展板）規(guī)格鋪設(shè)；15針頭 MIPI 相機(jī) （CSI） 界面，可被樹(shù)莓派相機(jī)或樹(shù)莓派相機(jī)（無(wú)紅外線版）使用。

1.2 其他使用的硬件

系統(tǒng)中還使用了超聲波測(cè)距傳感器和蜂鳴器。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)中，樹(shù)莓派作為系統(tǒng)的中央控制器，在系統(tǒng)啟動(dòng)后，樹(shù)莓派先向超聲波測(cè)距傳感器（HCSR04）的TRIG針腳發(fā)送至少10us的觸發(fā)信號(hào)，超聲波測(cè)距傳感器模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40kHz 周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則ECHO針腳輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，測(cè)量距離=（高電平時(shí)間*聲速（340m/s））/2，該距離即為貴重物品與超聲波測(cè)距傳感器之間的距離。

系統(tǒng)再根據(jù)所測(cè)距離值與系統(tǒng)設(shè)定的閾值（貴重物品與超聲波傳感器之間的預(yù)設(shè)距離）進(jìn)行比較，如超出閾值范圍，說(shuō)明貴重物品被移開(kāi)（即被盜），樹(shù)莓派將激活蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

2.2 軟件設(shè)計(jì)方案

軟件編程主要使用Python編程語(yǔ)言，調(diào)用Raspbian操作系統(tǒng)中基于Python的RPI.GPIO庫(kù)來(lái)對(duì)連接在樹(shù)莓派GPIO接口的超聲波測(cè)距傳感器、蜂鳴器等設(shè)備進(jìn)行控制。超聲波測(cè)距傳感器（HCSR04）在測(cè)距中的關(guān)鍵代碼如下：

# 初始化；注意輸出與輸入的接口，17為發(fā)射，18為接收

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，F(xiàn)alse）

while 1：

time.sleep（1）

# I/O 觸發(fā)，發(fā)送10us以上的高電平，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波

GPIO.output（Trig_Pin，GPIO.HIGH）

time.sleep（0.00001）

t1 = time.time（）

# 未接收為False，循環(huán)檢查開(kāi)始接收點(diǎn)，轉(zhuǎn)為T(mén)rue為開(kāi)始接收

while GPIO.input（Echo_Pin）==FALSE：

pass

# 循環(huán)檢查開(kāi)始接收，轉(zhuǎn)為False，則為接受完畢

while GPIO.input（Echo_Pin）：

pass

t2 = time.time（）

# 計(jì)算發(fā)送與接收時(shí)間差

t3 = t2t1

# 空氣中1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓在溫度15攝氏度時(shí)速度為340m/s

# 所以按照一秒鐘34000厘米計(jì)算

# 根據(jù)硬件說(shuō)明文檔，該模塊探測(cè)距離在2450cm之間

# 測(cè)試范圍的時(shí)間間隔應(yīng)該為0.000132到0.023529

# 為了方便取值自行變化一點(diǎn)

if 0.0235 > t3 > 0.00015：

return t3*34000/2

3 結(jié)語(yǔ)

基于Raspberry Pi的超聲波測(cè)距防盜報(bào)警系統(tǒng)解決方案能較好地實(shí)現(xiàn)進(jìn)行超聲波測(cè)距，并根據(jù)所測(cè)距離與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，判斷貴重物品的距離是否超過(guò)閾值，如果超出閾值范圍的距離就進(jìn)行報(bào)警。該系統(tǒng)可應(yīng)用于貴重物品防盜報(bào)警（一旦貴重物品被移開(kāi)超過(guò)設(shè)定的距離值即報(bào)警），還可用于設(shè)計(jì)盲人便攜式報(bào)警裝置等，并且樹(shù)莓派的功耗極低，能保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉，未來(lái)將會(huì)在更多領(lǐng)域發(fā)揮積極作用。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：陳俊濤（1977），男，講師，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等。