昉·星光系列课程11：昉·星光开发板火灾报警装置

HonestQiao · April 16, 2023, 3:30am

昉·星光系列课程11：昉·星光开发板火灾报警装置

本次课程为昉·星光开发板IoT开发系列课程的第十一讲，将带领同学们在昉·星光开发板上，使用火焰传感器和蜂鸣器制作火灾报警装置。
本次课程，在昉·星光开发板V1和V2上，操作步骤相同。

一、学习目标

学习昉·星光开发板通过火焰传感器探测火光，通过蜂鸣器进行报警

二、准备工作

在开始本次课程的实际操作之前，同学们需要做好一些准备工作，课程中涉及到的硬件如下：

开发板：昉·星光开发板
火焰传感器：带AO输出的火焰传感器
模数转换模块：ADS1115
蜂鸣器：无源蜂鸣器
杜邦线：若干

关于火焰传感器和ADS1115的具体使用，请提前阅读 昉·星光系列课程9：昉·星光开发板火焰传感器探测火光。

三、蜂鸣器使用原理

本次课程中，使用的蜂鸣器模块具体如下：

蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。这里的源不是指电源，而是指蜂鸣器内部的是否带有震荡源。
有源蜂鸣器内部自带震荡源，只要给他电压就能发声，其使用也较为简单，开发板上的程序使用一个数字GPIO口控制其信号输入口即可，输出高电平就发出声音，输出低电平就不发声。不过，其发声的频率都是固定的，使用中无法变化。
无源蜂鸣器内部没有震荡源，直接输出高电平到其信号输入口不会使其发声，需要通过200~5KHz的方波才能驱动其发声。不同频率的方波，能带来音调的变化，通过控制频率和时长，能够实现midi单声道音乐的播放。
在这篇课程中，讲的是无源蜂鸣器的使用。有源蜂鸣器的使用，大家可以自己了解，没有任何难度。

四、无源蜂鸣器使用

通过上述无源蜂鸣器的原理，我们可以得知，要驱动其发声，需要给其提供一个200~5KHz频率的方波驱动信号。

因为200~5KHz的频率并不高，所以可以直接控制GPIO口的高低电平时间来实现方波的输出。

首先，将火焰传感器模块的AO接口与和ADS1115的A0接口相连，使得ADS1115能够获取火焰传感器输出的模拟电压信号。具体连接方式，请参考 昉·星光系列课程9：昉·星光开发板火焰传感器探测火光。
然后，参考下图，将无源蜂鸣器连接到昉·星光开发板：

实物连接如下：

注意：
应根据实际使用的传感器，确定供电电压。本次课程中使用的火焰传感器模块和ADS1115模块，均使用5V供电电压，使用的无源蜂鸣器，可以使用5V或者3.3V供电，课程中为3.3V。

赛昉官方已经为我们提供了蜂鸣器测试的程序，可以从演示源代码 buzzer.py 下载，其具体内容如下：

'''
Please make sure the buzzer is connected to the correct pins.
The following table describes how to connect the buzzer to the 40-pin header.
-----------------------------------------
Passive Buzzer___Pin Number_____Pin Name
    VCC             1         3.3V Power
    GND             6           GND
    I/O             18          GPIO51
-----------------------------------------
'''

import VisionFive.gpio as GPIO
import time

buzz_pin = 12
ErrOutOfRange = 0

def setup():
    #Configure the direction of buzz_pin as out.
    GPIO.setup(buzz_pin, GPIO.OUT)
    #Configure the voltage level of buzz_pin as high.
    GPIO.output(buzz_pin, GPIO.HIGH)

def pitch_in_check():
    val_in = input('Enter Pitch (200 to 20000): ')
    val = float(val_in)

    if 200 <= val <= 20000:
        return val
    else:
        print('The input data is out of range (200 to 20,000 Hz). Please re-enter.')
        return ErrOutOfRange

def loop(pitch, cycle):
    delay = 1.0 / pitch
    cycle = int((cycle * pitch)/2)

    #Buzzer beeps.
    while cycle >= 0:
        GPIO.output(buzz_pin, GPIO.LOW)
        time.sleep(delay)
        GPIO.output(buzz_pin, GPIO.HIGH)
        time.sleep(delay)

        cycle = cycle - 1

def destroy():
    GPIO.output(buzz_pin, GPIO.HIGH)
    GPIO.cleanup()

if __name__ == '__main__':
    setup()
    try:
        #Input value of pitch (200 to 20,000 Hz).
        pitch = pitch_in_check()
        while pitch == 0:
            pitch = pitch_in_check()

        #Input value of cycle time (seconds).
        cycle_in = input("Enter Cycle (seconds): ")
        cycle = int(cycle_in)

        #The buzzer beeps with the specified pitch and cycle.
        loop(pitch, cycle)
    finally:
        destroy()

上述程序的关键部分，为loop(pitch, cycle)，前者为频率，后者为播放时长。在loop()调用中，会根据频率，计算高低电平保持的时间，根据播放时长，计算需要循环的次数，从而实现特定频率的方波，并持续指定的时间。

要运行以上的程序，还需要安装相应的赛昉GPIO支持库，具体如下：

# 安装扩展库
sudo pip show VisionFive.gpio

编写完成后，运行 buzzer.py ，根据提示输入频率Pitch和循环时长Cycle，即可驱动蜂鸣器发声。

python3 buzzer.py

驱动蜂鸣器发声成功后，我们再编写一个程序buzzer_alarm.py，让蜂鸣器能够交替以两种频率发声，具体代码如下：

# -*- coding: utf-8 -*-
# file: ~/projects/buzzer/buzzer_alarm.py
import VisionFive.gpio as GPIO
import time

buzz_pin = 12
ErrOutOfRange = 0

def setup():
    #Configure the direction of buzz_pin as out.
    GPIO.setup(buzz_pin, GPIO.OUT)
    #Configure the voltage level of buzz_pin as high.
    GPIO.output(buzz_pin, GPIO.HIGH)

def loop(pitch, cycle):
    delay = 1.0 / pitch
    cycle = int((cycle * pitch)/2)

    #Buzzer beeps.
    while cycle >= 0:
        GPIO.output(buzz_pin, GPIO.LOW)
        time.sleep(delay)
        GPIO.output(buzz_pin, GPIO.HIGH)
        time.sleep(delay)

        cycle = cycle - 1

def destroy():
    GPIO.output(buzz_pin, GPIO.HIGH)
    GPIO.cleanup()

if __name__ == '__main__':
    setup()
    try:
        while True:
            pitch = 1200
            cycle = 1
            loop(pitch, cycle)

            pitch = 1000
            cycle = 1
            loop(pitch, cycle)
    finally:
        destroy()

编写完成后，运行 buzzer_alarm.py，蜂鸣器就会以两种不同的音调，交替发声了。

python3 buzzer_alarm.py

五、火灾报警器功能实现

在 无源蜂鸣器使用 部分，已经能够驱动蜂鸣器发声了，再结合 昉·星光系列课程9：昉·星光开发板火焰传感器探测火光，当检测到火光强度高于一定阈值的时候，就驱动蜂鸣器发声，从而实现火灾报警的功能。

具体的代码如下：

# -*- coding: utf-8 -*-
# file: ~/projects/buzzer/fire_alarm.py
import VisionFive.gpio as GPIO
import ADS1115
import time
import numpy
import smbus2

FIRE_ALARM_VALUE = 40
buzz_pin = 12

# 初始化ADS1115模块
ads = ADS1115.ADS1115()

def setup():
    #Configure the direction of buzz_pin as out.
    GPIO.setup(buzz_pin, GPIO.OUT)
    #Configure the voltage level of buzz_pin as high.
    GPIO.output(buzz_pin, GPIO.HIGH)

def loop(pitch, cycle):
    delay = 1.0 / pitch
    cycle = int((cycle * pitch)/2)

    #Buzzer beeps.
    while cycle >= 0:
        GPIO.output(buzz_pin, GPIO.LOW)
        time.sleep(delay)
        GPIO.output(buzz_pin, GPIO.HIGH)
        time.sleep(delay)

        cycle = cycle - 1

def destroy():
    GPIO.output(buzz_pin, GPIO.HIGH)
    GPIO.cleanup()

if __name__ == '__main__':
    setup()
    try:
        while True:
            # 读取ADS1115模块通道0的数据，也就是A0
            volt = ads.readADCSingleEnded(0)

            # 转换
            per = numpy.interp(volt, [0, 5000], [0, 100])

            # 输出信息
            print("%d mV of A0, val is %f" % (volt, per))

            if per >= FIRE_ALARM_VALUE:
                print("    Fire Alarm!!!")
                pitch = 800
                cycle = 0.2
                loop(pitch, cycle)

                pitch = 1000
                cycle = 0.2
                loop(pitch, cycle)
            else:
                time.sleep(1)
    finally:
        destroy()

在上面的程序中，先通过ADS1115获取火焰传感器的检测数据，然后检查该数据是否达到了阈值，如果达到了，则驱动蜂鸣器发声，否则不发声。

编写完成后，运行 fire_alarm.py，蜂鸣器默认不会发声，如果使用火光靠近火焰传感器，达到一定距离内，将会发声，并且使用不同的频率变化。