基于树莓派（Raspberry Pi）平台的MQ-2烟雾报警系统实现（一）

一、前期准备

 
 
 
达成目标：
 
  利用Rapberry Pi 驱动MQ-2烟雾报警模块，对信息进行采集和提取。
 
 
1.准备树莓派（Raspberry Pi）一个
 
2.MQ-2有害气体检测模块
 
3.杜邦线若干
 
4.SD卡一张以及一个读卡器
 
 
 
 
 

二、各个器件介绍

 
 

1.树莓派（Raspberry Pi）

 
  Raspberry Pi是一个英国小型组织慈善组织The Raspberry Pi Foundation发行的一款针对电脑业余爱好者，学生，以及小型企业等用户的迷你电脑，预装的是Linux操作系统，体积非常小巧，在最新款的Raspberry Pi 3 Model B，搭载了高通的ARMv8的高性能CUP，并且包含1GB RAM，引脚数上升到40个。
 

    较上一代的优点：
              1.首先处理器是新一代四核心Broadcom BCM2837 64位ARMv8 处理器，并且处理器速度最高可达1.2GHz，必要时还可以超频。</font>
              2.第二是新添加了板载BCM43143 WiFi芯片，无需WiFi网络适配器。

    Raspberry Pi官网：https://www.raspberrypi.org/ 

 
 

2.MQ-2有害气体检测模块

 
  这是一款广泛应用于家庭和工厂的气体泄漏检测装置，适用于液化气、甲烷、丙烷、丁烷、酒精、氢气、烟雾等有害气体的检测。
 

• 有四个引脚：
  VCC：输入5V正极电流
  GND：接电源负极
  DO：TTL高低电平输出端
  AO：模拟电压输出端

• TTL输出灵敏度调节：
  此电位器只针对TTL，也就是DO输出灵敏度进行调节。
  顺时针调节灵敏度增高，逆时针调节灵敏度降低。
• 具有以下优点：
     广泛的探测范围
     高灵敏、快速的相应恢复
     优异的稳定性、寿命成长
     简单的驱动电路    

 
 
 
 
 

三、Raspberry Pi部署操作系统

 
 

1.概述

 
   绝大多数开源Linux社区都有树莓派Arm架构的操作系统，比如基于Debian的Raspbian系统和Ubuntu mate系统，这是两款对树莓派支持性最好的系统，并且在国内也有镜像源，对于一个开发板来说，这是可能是最重要的。
   我个人强烈推荐Raspbian系统，它本身的命令其实和服务器端的Debian操作命令相同，但是更大的优点在于：国内有诸多知名大学网站都有Raspbian系统镜像源，很是方便；因为开始我玩儿的是Centos系列的操作系统，比较熟悉命令以及其他配置方式，并且在Centos的官方网站也有专门为Raspberry Pi开发的基于Arm架构的系统镜像，但是安装完你会发现，镜像源很是不方便 0.0。
 
 

2.部署Raspbian系统

 
    首先，到前面我贴上去的官网上下载系统镜像文件，点进DOWNLOADS，看到有两种系统：“NOOBS”和“Raspbian ”，我选择了Raspbian,，然后会看到两个版本的镜像，其中左边有“DESKTOP”是带有桌面的操作系统，相反右边的是最小化安装的系统镜像，建议身边如果能方便的获取显示器，来通过HDML接入，那么就选择有桌面的操作系统，因为我这里主要是完成项目，所以就不选带桌面系统的镜像了。
 
 
    官方系统镜像界面的截图：
 

 
 
 

3.烧制系统

 
  下载好之后，通过一个软件“Win32DiskImager”，来烧录系统，在Device选择读卡器显示的外部设备，Image File选择刚刚下载好，并且解压完成的镜像文件，然后点击Write，进行写入操作，因为我是最小化的镜像系统，所以只需几分钟就完成系统的烧录，你们稍等片刻，也就完成了。
 
 
  烧录软件截图：
 

 
 

注意：一般情况下Raspbian系统是不带有SSH远程连接功能的，因此想要开启功能，需要进入烧录好的镜像系统
文件当中（通过读卡器），新建一个空白的文本文件，名为“ssh”，不需要改后缀，然后就可以进行下一步了

 
  插上网线，通过路由器可以得知分配给开始Raspbian的IP，然后通过SSH远程登录。
 

这里需要注意的是，默认用户是“pi”，密码是“raspberry”，SSH远程连接“ssh pi@192.168.1.1 ”，输入密码即可

 
 

  下面是以pi用户连接树莓派后的截图：
 

 
 
 
 

4.更改默认登录用户

 
  一般情况下，我们都是以root用户的身份去操作系统的，这样权利更大，也更方便做一些普通用户很难做到的事情，根据下面：
 
 

• 首先切换root用户，激活root用户的密码配置选项：

  pi@raspberrypi:~ $ sudo passwd root
  Enter new UNIX password:
  Retype new UNIX password:
  passwd: password updated successfully

   

• 然后解锁root用户：

  pi@raspberrypi:~ $ sudo passwd --unlock root
  passwd: password expiry information changed.

   

• 最后切换root用户：

  pi@raspberrypi:~ $ su root
  Password:

   

• 但是由于Raspbian系统默认是以“pi”用户登录树莓派的，也就是说即使上面激活了root用户，也无法通过：“ssh root@192.168.1.1”去登陆，因此还需要进行下面操作。

进入文件：
vim /etc/systemd/system/getty.target.wants/getty\@tty1.service

找到： ExecStart=-/sbin/agetty --noclear %I $TERM
改为： ExecStart=-/sbin/agetty --autologin root --noclear %I $TERM

 
 
  下图为更改配置后的截图：

 

 

 
 
 

5.配置镜像源

 

  配置镜像源，是为了方便后面部署各类软件，解决依赖关系。
好在官方给出了软件镜像名单：
 
  http://www.raspbian.org/RaspbianMirrors
 

  这里包括了世界各地的大学或者教育机构网站提供了Raspbian软件镜像，极大的方便了喜欢玩转树莓派的爱好者，我在其中节选了几个大学提供的镜像地址，供大家参考：
 

http://mirror.sysu.edu.cn/raspbian/raspbian 中山大学镜像源（南方用户）
http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspbian/raspbian/ 清华大学镜像源（北方用户）
http://mirrors.ustc.edu.cn/raspbian/raspbian/ 中科大镜像源（中部用户）
http://mirrors.cqu.edu.cn/Raspbian/raspbian/ 重庆大学镜像（中西部用户）

 

  因为我离北京比较近，所以选择了清华的镜像源，速度快 稳定。
 

• 进入文件： vim /etc/apt/sources.list

  注释其他语句，并且，加上下面的语句：
  deb http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspbian/raspbian stretch main contrib non-free rpi

• 要注意的是 ： 配置上的源，后面有个“stretch”字段，它代表的是第九代Debian系统，其他字段的有：第七代系统“wheezy”，第八代系统“Jessie”，因为在Raspberry Pi的官网一般下载的都是最新的系统，并且这一代系统极大的扩展和发挥了Raspberry性能，因此建议安装这个版本的系统。
    通过命令：“lsb_release -a” 可以看到系统的版本，所以务必配置镜像文件之前，查一下系统版本哦。

 
 
这是我的系统版本：
 

 
 
 

6.配置无限路由（WiFi）

 
  Raspberry内置WiFi设备，因此只需要在网络配置文件当中，把WiFi名称和密码写进去，那么每次启动机器都会去读取文件，自动连接WiFi。

 

• 找到文件并写入： vim /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf

  network={
  ssid="WiFi名称"
  psk="WiFi密码"
  }

 
 
 

7.键盘布局配置

 
  由于Raspberry原产地为英国，因此键盘布局为英式键盘，许多键位都不一样，因此需要更改键盘布局，首先执行下面两个操作：
 

• 首先安装输入法配置，才可以更换键盘布局：

  apt install fcitx

• 然后输入：

  raspi-config

  进入伪图形化配置界面，选择配置“keyboard layout”，选择US键盘布局，保存后退出，重启即可。

 
 
 
 
 

四、部署和应用GPIO库

 
 
 

1.部署Pip和GPIO

 
  在Raspbian系统当中，为了Raspberry爱好者方便的自定义自己的板子，因此选择原生支持了当今最主流的编程语言Python，无论是Python2，还是Python3都有安装，为了方便的安装GPIO库，强烈建议先安装pip工具，这个工具类似于apt和yum，可以自动解决安装第三方库时的依赖关系，非常好用。
 
 
  我将在下面使用Python3作为代码执行的平台,下面是包含的所有Python工具
 

 

• 安装pip：
    apt install pip3

  注意：如果出现问题，显示无法安装，则使用下面命令：

  apt-get install *pip -y

• 通过pip安装GPIO模块：
    pip3 install gpio

• 验证GPIO模块是否安装成功并导入：
    #python3
    \>>>import RPi.GPIO as GPIO
    \>>>GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

*发现上述命令都没有报错，并且按下Table键，补全所有内置方法

 
 
 
特别注意：为什么不是安装RPi.GPIO???

        RPi.GPIO库是我在Raspberry官网上看到的支持I/O状态读取的一个库，但是我按照网上很多博客上查的，执行安装命令：“pip install RPi.GPIO”，总是报错，要么就是安装成功以后会在“import ”这个模块的时候，出现错误，很是费解，以为是版本的问题，发现自己安装的是最新版本，但总是调不起来这个库，我因此也没有什么好的解决方法，偶然发现，直接执行命令，安装“pip installgpio”貌似是安装了另一个版本的GPIO库，并且是可以正常调用的，我在之后在Centos7虚拟机上做了测试，发现也是可以的，那么我就选择用“gpio”代替“RPi.GPIO”。

 
 

下面为是所有可用方法的截图：
 

 
 
 

2.常用的GPIO用法

 
 
下面简单介绍其中比较常用的GPIO用法：
 

1.导入GPIO模块
        import RPi.GPIO as GPIO  

 

2.将GPIO引脚设置为BOARD模式
        GPIO.setmode(GPIO.BOARD) 

 

3.设置GPIO引脚通道 作为输入
        GPIO.setup(pin,GPIO.IN)  

 

4.设置初始化为高电平
        GPIO.setup(pin,GPIO.OUT,initial=GPIO.HIGH) 

 

5.软件实现上/下拉：
        GPIO.setup(pin,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
        GPIO.setup(pin,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

 

6.边缘检测，该函数是对一个引脚进行监听
        GPIO.add_event_detect(channel, GPIO.RISING) 

 

7.清除所有资源
        GPIO.cleanup()    

 
 
下面给出Raspberry Pi的引脚图：
 

 
 
  上面有个地方指出的：“GPIO引脚设置为BOARD模式”，这里还有另一种定义引脚的方式，在RPi.GPIO中，同时支持树莓派上的两种GPIO引脚编号。第一种编号是BOARD编号，这和树莓派电路板上的物理引脚编号相对应。使用这种编号的好处是：硬件将是一直可以使用的，而不用担心树莓派的版本问题。在更替版本或者系统的时候，不必重写代码。
 
  第二种编号是BCM规则，是更底层的工作方式，它和Broadcom的片上系统中信道编号相对应。在使用一个引脚时，用户需要查找信道号和物理引脚编号之间的对应规则。对于不同的树莓派版本，编写的脚本文件也可能是无法通用的。
例如：上图当中的“GPIO 16”和“36”号引脚就是指的同一个，而对应的前者就是通过BCM定义的，后者是通过“BOARD”定义的。
 
 
 
 
 

五、应用实践

 
 
 

1.Raspberry Pi 和 MQ-2之间的连线

 
  在这里需要知道的是，Python的GPIO库只能接受引脚的高低电平的变化，因此只需要接线三个引脚就好：5V电源，地线，和DO接口，我选择以“BOARD”规则定义引脚，也就是36号引脚连接MQ-2的DO口，认真对应上面给出的引脚图，下面是我接好后的图：

 
  MQ-2连线：
 

 
 
  Raspberry连线：
 

 
 
 

2.模块测试

 
  接下来开始写Python代码，用于测试连线，以及模块的功能是否完好，根据上面的介绍的简答的几个GPIO库方法，以及简单的逻辑，写出如下代码：
 

#! /usr/bin/env python3
import RPi.GPIO as GPIO # 导入库，并进行别名的设置
import time

CHANNEL=36 # 确定引脚口。按照真实的位置确定
GPIO.setmode(GPIO.BOARD) # 选择引脚系统，这里我们选择了BOARD
GPIO.setup(CHANNEL,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
#初始化引脚，将36号引脚设置为输入下拉电阻，因为在初始化的时候不确定的的引电平，因此这样设置是用来保证精准，（但是也可以不写“pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN”）

# 带有异常处理的主程序
try:
         while True: # 执行一个while死循环
          status=GPIO.input(CHANNEL) # 检测36号引脚口的输入高低电平状态
          #print(status) # 实时打印此时的电平状态
          if status == True: # 如果为高电平，说明MQ-2正常，并打印“OK”
                        print ( ' 正常 ' )      
           else:    # 如果为低电平，说明MQ-2检测到有害气体，并打印“dangerous”
                        print ( ' 检测到危险气体 ! ! ! ' )
           time.sleep(0.1) # 睡眠0.1秒，以后再执行while循环
except KeyboardInterrupt: # 异常处理，当检测按下键盘的Ctrl+C，就会退出这个>脚本
            GPIO.cleanup() # 清理运行完成后的残余

 

• 开始执行程序：
   

  \#chmod +x test.py
  \#./test.py

   
   
    然后会跳出"OK"的字样，每0.1秒一次，当通过打火机的去伸到MQ-2报警器跟前时，就会弹出一个“DANGEROUS”，说明检测到有害气体了，下面放图，我的实验结果：
   
  
   
   

  说明模块工作正常，可以检测有害气体，并且这个程序也是基本上没有什么问题的，后面需要停止的话，按下“Ctrl+C”停止脚本运作就好了。
 

注意
  在Python2当中，因为语法的变化，当脚本当中有中文的情况下，在开头加上“# encoding=utf-8”；并且“print( )”方法是没有括号的，只有引号，并且异常处理后面可能有语法也不一样，需要读者注意因。

 
 
  实际在后面结合Zabbix进行数据的监控和统计，是不需要输出的，因此这里只是为了效果直观，而加进去“print( )”语句，为了达到目的，我后面会把它放在Cron计划任务当中，在一开机的时候，就开始后台执行这个程序，并且没有输出，但是会实时记录引脚的高低电平。
 
  对于如何获取到这个值，并以什么方式进行存储，在后面我会研究，这里可能会遇到Zabbix的二次开发的问题。
 
 
 
 
 
 
 
 
                                              --------Zabbix项目部分我会在后面几个星期做好，未完待续.......

来源：51CTO

作者：我的openresty

链接：https://blog.51cto.com/13479737/2087546