基于物联网的工厂火灾报警与认证系统——使用树莓派3

摘要

确保制衣工人的基本权利和安全已成为当今亟待解决的紧迫问题。制衣工厂的工人正面临着诸多困境，其中火灾频发无疑是重大威胁之一。投资者正在逐渐失去对该行业的兴趣，该行业的重要性也日益减弱。本文提出了一种能够检测火灾并提供受灾区域位置信息的系统。本系统采用树莓派3来控制多个Arduino，这些Arduino与多个传感器和摄像头集成在一起。摄像头配备了一个360°继电器电机，以便在检测到火灾的任何角度都能拍摄快照。我们为火灾怀疑系统提供了确认机制，以避免误报情况的发生。一旦检测到火灾，系统将立即发送一条包含受灾地点图像及Arduino位置的消息。管理员可以确认或否认警报，若管理员确认为火灾发生，系统将立即发出警报，并自动向附近的消防队发送消息。

关键词

火灾检测；树莓派；Wi-Fi模块；传感器；Arduino；摄像头；认证；通知。

一、引言

成衣（RMG）行业是孟加拉国经济的主要推动力。孟加拉国的成衣（RMG）行业是推动平均GDP增长率的主要催化剂。该行业已提供了超过420万个就业机会，有一百多万名劳动者在这些服装工厂工作。然而，这种显著的增长正受到工厂和工业中频繁发生的事故的挑战。

在过去十年中，孟加拉国的成衣行业经历了多起悲剧性事故。这些事故大多由火灾引起。2012年11月24日，首都达卡的“塔兹林时装厂”发生火灾，造成117人死亡[1]。2013年5月9日，位于米尔布尔工业区的一家纺织厂发生火灾，导致8人丧生。2010年12月14日，位于达卡阿舒利亚的服装厂“That’s It Sportswear Ltd”发生火灾，造成30人死亡，200人重伤。2012年2月2010[2]，达卡加济布尔的“Garib and Garib”工厂发生严重火灾，导致22人死亡。这一系列事件表明，许多服装厂缺乏完善的火灾预防和救援系统。数百家工厂极易发生火灾，因为这些工厂非常陈旧，且缺乏火灾检测技术。此外，大多数工厂没有自动系统来切断燃料供应。

火灾发生时电力供应会中断，且消防部门到达灾难地点需要较长时间。从这一角度来看，亟需一种能够在火灾发生前检测到火情并向员工报警的系统。本文中，我们设计了一种基于物联网的火灾报警系统，以尽早检测火灾并挽救宝贵的生命。该系统将使用多个传感器来检测火灾的任何征兆。在对工厂易发生火灾的区域进行调查后，将传感器安装在合适的位置。选定最佳位置后，传感器将被激活。

传感器采集的数据将发送至分布在各处的Arduino微控制器。微控制器将对数据进行处理。所有微控制器将由树莓派微型计算机集中控制。采用智能算法判断何时启动火灾报警。此外，系统在检测到火灾发生时，将自动切断气体和电力供应，并启动灭火系统，例如打开灭火水阀。同时，系统将通过GSM模块向附近的消防站发送短信，通知事故情况。系统还将通过GPS模块向管理员报告火灾的位置。系统将使用多种类型的传感器，例如温度传感器、气体传感器、烟雾传感器、火焰传感器等。

II. 相关工作

Sowah等人[3]设计并实现了一种基于模糊逻辑的车辆火灾检测系统。他们使用温度、火焰和烟雾传感器来感知火灾。该系统还能够在20秒内扑灭火灾，并利用空调系统进行灭火。[4]中的作者提出了一种借助无线传感器网络检测森林火灾的范式。这些作者关注的是如何处理传感器收集的数据，而不是如何检测或感知火灾。他们使用神经网络处理所收集的数据，并使网络具有较高的能量效率。[5]中提出了一种基于视频处理的火灾报警系统。他们利用烟雾的颜色和烟雾扩散特性来检测可能发生的火灾。但图像处理耗时较长，且需要复杂的资源。在服装厂的情况下，应尽快检测到火灾，因为服装材料极易燃烧。[6]中设计了一种火灾监控与控制系统，其中使用了火焰、烟雾、气体传感器等多种传感器来检测火灾并启动灭火过程。

他们还使用了GSM/GPS系统来定位火灾的确切位置。在我们所提出的系统中，我们使用的传感器比前述系统更多，并通过树莓派计算机对它们进行集中处理，该树莓派计算机能够非常顺畅且高效地同时处理大量Arduino和传感器。Fuzi et. al.[7]设计了一种采用ZigBee无线模块的火灾预警检测系统。该系统由Arduino Uno微控制器、温度传感器、蜂鸣器报警器和操作软件组成。该系统仅使用温度传感器来检测火灾，接收端可在10米距离内接收信号。我们所提出的系统则采用了Arduino微控制器内置的Wi-Fi模块和树莓派计算机。Kwon et. al.[8]设计并实现了一种利用摄像头图像处理技术检测火灾发生的系统。尽管这是一种新颖的方法，但在检测火灾方面，其效率和准确性不如基于传感器的系统。T. Islam et. al.[9]开发了一种使用ZigBee无线系统的火灾检测系统。作者采用定位技术来确定火灾的位置和距离。该系统相对成本较高，且作者使用了三个传感器来实现火灾定位。文献[10]中提出了一种用于检测森林火灾的无线传感器网络原型。他们除了使用传感器节点外，还采用了移动代理作为软件。该软件移动代理从传感器节点收集数据并将其返回到汇聚节点。他们没有实现该系统。

III. 系统描述

A. 系统架构

所提出的自主系统采用树莓派3作为主设备，Arduino Mega作为辅助设备，并包含多个传感器和模块，分别是光照强度传感器、气体传感器、ESP-01 WLAN传感器模块、舵机、摄像头模块、GSM模块和继电器模块。光照强度传感器含有光敏电阻，可检测特定位置或环境中的光线强度。该传感器的输出信号为模拟值，其数值取决于光线的亮度。气体传感器可用于检测特定区域中是否存在气体。摄像头模块拍摄有限范围内的图像，舵机用于旋转摄像头模块。ESP-01 WLAN传感器模块通过无线通信系统将数据发送至树莓派3。继电器模块用于触发报警，GSM模块则用于通知主用户或管理员。当光照强度传感器和气体传感器达到设定值时，摄像头模块会拍摄位置快照并将其发送至Arduino。

摄像头模块可以通过舵机实现360°旋转。当该条件成立后，火灾报警器将通过继电器模块触发。Arduino Mega 可以通过 ESP-01 模块将数据发送到树莓派。当树莓派接收到数据后，会通过 GSM 模块将数据发送给管理员，管理员将检查我们系统的警告信息是否有效，并确认或否认任何可疑情况。

B. 逻辑描述

在此自主系统中，该过程分为两部分。一部分是Arduino读取传感器的数据，另一部分是树莓派接收由Arduino采集的数据。该系统使用了几个传感器。其中之一是光照强度传感器模块，记为A；另一个是气体传感器模块，记为B。

如果两个传感器值均达到设定阈值，即A>200和B>500，则条件为真，摄像头模块将在舵机的协助下旋转60°。此条件仅在单组传感器值为真时激活。但如果两组同时激活，则两组的条件分别为A>140和B>350。随后摄像头模块拍摄快照，并通过用作Wi-Fi模块的ESP-01将组编号发送至树莓派3。当树莓派接收到快照和传感器组编号后，会将其与IP地址和传感器组编号进行比对。如果匹配，则生成彩信并通过GSM模块发送给管理员。GSM模块等待回复。若回复为“确认火灾”，则通过继电器触发警报；若回复为“无火灾”，则停止警报；若回复为未知内容，则返回无效回复。5分钟后系统将自动重新检查该条件。

通过这种单组与多组传感器的组合，可实现360度覆盖，并检测特定位置的火灾活动。

IV. 系统实现

在系统实现中，我们将使用两种不同类型的微控制器：树莓派3和Arduino Mega 2560 rev3。编写在Arduino上的代码将包含每个Arduino的特定IP地址，以便识别各个设备。每个作为服务器运行的Arduino从传感器获取模拟读数，并将其与阈值进行比较。当传感器值达到阈值时，Arduino会执行必要的行动，包括通过ESP-01将数据发送至IP地址，数据内容包含情况的快照、传感器的配对编号以及该Arduino的IP地址，以便管理员能够定位紧急情况发生的具体位置。

在数据传输过程中，Arduino会将模拟信号转换为数字信号，以便树莓派能够理解。在树莓派上使用Python编程语言编写的代码会以客户端身份通过每个IP地址向路由器查询是否存在数据。一旦树莓派成功接收到数据，便会开始处理数据以执行后续操作。

作为客户端的主板名为树莓派3，它既是微控制器也是中央处理器，其处理器为1.2GHz 64位四核ARMv8 Cortex A53 CPU，配备900MHz频率的1GB内存、4个USB端口、1个HDMI端口、1个音频输入/输出端口和1个以太网端口，还包括40个GPIO引脚，这些引脚可配置为数字输入或输出。树莓派3板载无线模块，支持802.11n无线局域网和蓝牙4.1，并具备低功耗蓝牙功能，无需其他外部设备即可实现数据的无线接收与传输。在所提出的系统中，我们将使用四组传感器，每组包含一个TEMT6000光照强度传感器和一个MQ-02气体/烟雾传感器。TEMT6000是一种环境光传感器，内部有三个母头引脚，分别为Vcc、GND，信号引脚将向Arduino提供模拟读数。该传感器作用类似于晶体管，入射光越强，模拟值越高。MQ-02气体/烟雾传感器内部带有加热器，并包含一种对甲烷、丁烷、液化石油气、烟雾以及易燃和可燃气体敏感的电化学传感器，适用于室温下的室内环境。该传感器需通过气体传感器模块进行校准，配合合适的负载电阻和老化处理，以准确检测烟雾。

该模块包含四个公头引脚，分别为Vcc、GND、AOUT（模拟输出）和DOUT（数字输出）。我们将使用AOUT引脚连接Arduino的模拟引脚进行读数，因为所有数值随后将统一转换为数字信号。ArduCam MT9D111将用于捕捉现场情况，该摄像头为200万像素光学镜头相机传感器模块。该摄像头支持4:3格式，并采用RGB拜耳模式彩色滤光阵列。它提供两种帧率：UXGA和SVGA。我们将使用SVGA帧率，因为它消耗的数据更少。该模块内置氙气闪光灯，可在白天和夜间均能正常拍摄。模块还具备自动对焦系统，可自动调节至最佳对焦范围。使用360°伺服电机带动摄像头旋转至各个线性角度，从而实现全方位拍摄。该伺服电机可工作于4.8–6.0伏特电压范围内。其配备一根三针电源与控制线缆，Arduino通过数字输入/输出引脚向信号引脚发送控制信号，从而驱动伺服电机转动至指定角度。每个Arduino将连接一个单通道继电器模块，以便在接收到ESP-01 Wi-Fi模块返回的“1”信号时触发报警。ESP-01内置ESP8266芯片组，可使微控制器实现无线通信。系统与管理员之间的通信将通过GSM蜂窝连接实现，系统中将使用SIM808 GSM模块。SIM808 GSM模块是目前最新的GSM模块，集成了GSM、GPS和蓝牙连接功能。它能够收发来自GSM、GPS和蓝牙的数据，并可通过AT命令进行操作。该GSM模块将连接至树莓派3，并通过彩信发送位置信息和快照。随后模块将等待特定回复，该回复将触发相应的AT命令，并传递给Arduino以决定是否执行动作。

A. 实施步骤：

步骤1（配置可编程设备）： 为每个可编程设备编写程序，这些设备包括：树莓派3、Arduino Mega 2560、SIM808 GSM模块、ESP-01串行转Wi-Fi模块、ArduCam MT9D111以及无线路由器。树莓派上的程序需使用Python编写，用于遍历每个指定IP地址的Arduino。所有Arduino的IP地址应列入树莓派程序中的一个列表。Python程序还应具备与SIM808 GSM模块通信的功能，并在其中注明管理员的手机号码。需要为所有Arduino编写程序，使其能够从传感器读取模拟数据、控制伺服电机旋转360°、从ArduCam MT9D111拍摄快照、通过ESP-01 Wi-Fi模块发送和接收数据，以及触发继电器开启。SIM808 GSM模块应插入SIM卡，并通过UART连接配置为GSM设备。ESP-01 Wi-Fi模块应同时配置为STA和AP模式，以便能够收发数据，同时还需设置唯一的SSID和统一的密码，以便每个模块可被识别并方便访问。ESP-01中应预先设置路由器的SSID和密码，以便其能自动连接路由器并进行通信。ArduCam MT9D111应配置为4:3格式、SVGA帧率，以及设定快照像素尺寸调整为200万像素，以便能够高效地捕捉和存储图像。

步骤2（将代码烧录到Arduino草图并在树莓派3上设置代码）： 应将Arduino程序烧录到所有Arduino的草图中，并通过特定的IP地址和MAC地址配置代码。树莓派的程序可以保存在任意文件夹中，但需在/etc/rc.local文件中注明该文件的路径，以便程序在启动时自动运行，从而使树莓派可作为微控制器使用。

步骤3（集成传感器模块）： 每个Arduino将连接8个传感器，其中4个为MQ-02，另外4个为TEMT6000，即总共4对，每对包含一个MQ-02和一个TEMT6000。传感器的信号引脚将按照图6所示，依次连接到Arduino的A0–A7引脚，顺序为一个MQ-02和一个TEMT6000重复连接；所有传感器的Vcc和GND引脚将分别连接到Arduino的5V和GND引脚。

步骤4（连接舵机和继电器模块）： 继电器模块和舵机均有一个数字信号输入引脚，将分别连接到Arduino的D49和D35引脚。继电器模块的VCC和GND引脚将连接到Arduino的3.3伏和GND引脚。舵机的VCC和GND引脚也将连接到Arduino的3.3伏和GND引脚。

步骤5（连接ArduCam MT9D111）： 连接 ArduCam MT9D111比其他模块更复杂，因为它具有输入和输出以及触发、捕获和存储功能。必须根据图5建立连接，以确保摄像头正常工作。数字和模拟引脚可以更改以正确容纳所有连接，但需要在为摄像头功能编写的程序中注明。连接后，摄像头需要与舵机连接以实现旋转功能。

步骤6（设置ESP-01 Wi-Fi模块）： ESP-01模块共有8个引脚，其中第一个是发送引脚，最后一个是接收引脚。发送引脚需要连接到Arduino的某个接收引脚，接收引脚需要连接到该Arduino组的发送引脚。引脚5和引脚6需要连接到Arduino的3.3伏端口，引脚4需要接地。

步骤7（连接SIM808 GSM模块与树莓派3）： SIM808 GSM模块的一个发送引脚连接到树莓派的GPIO 17引脚，其一个接收引脚连接到树莓派的GPIO 18引脚。

步骤8（为所有设备供电）： 在所提出的系统中，将直接连接到电源的主要设备包括树莓派3、Arduino、SIM808 GSM模块和路由器。树莓派3以及每个Arduino都需要连接一个5V 2.5A电源适配器。SIM808消耗的功率较大，因此需要7V ~ 12V的电源适配器才能正常工作。路由器的电压取决于其型号，但通常为12V。

V. 实验结果

组装完我们的系统后，我们检查了传感器的读数。我们在不同情况下测试了系统的响应。传感器读数、自动拍摄快照并发送该快照、身份验证以及场所的当前状态如图8所示。

系统	检测方法	是否具备认证系统
DWAFAS [11]	使用烟雾传感器与环境光传感器检测火灾	无认证系统用于检测误报
FRASHB [12]	提出了一些场景和应对措施	具有认证系统，降低系统错误可能性
FAHB [13]	成本高且耗时，依赖多个传感器节点判断火灾	成本效益高且高效，是MSBN的升级版，使用较少传感器决策

经过适当分析，我们发现烟雾传感器在正常状态下输出值为0~30ppm，在报警情况下从500ppm上升至20000ppm。光照环境传感器在正常状态下输出值为60~80，当感应到火焰光时上升至200~350。根据实验结果，我们确定烟雾传感器的阈值为500ppm，光照环境传感器的阈值为200。

结论

在本文中，我们讨论了可帮助减少火灾引发的灾难性事故的最新技术。我们设计了整个系统，并评估了其有效性和可扩展性。随着传感器技术的进步，该系统将变得更加高效和实用。如果该系统能够成功集成到每家工厂中，则有望显著减少火灾事故造成的生命和财产损失，国家经济也不会再因此类悲剧性事故而受挫。