基于樹莓派（Raspberry Pi）平臺的MQ-2煙霧報警

一、前期準備

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達成目標：
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??利用Rapberry Pi 驅動MQ-2煙霧報警模塊，對信息進行采集和提取。
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1.準備樹莓派（Raspberry Pi）一個
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2.MQ-2有害氣體檢測模塊
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3.杜邦線若干
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4.SD卡一張以及一個讀卡器
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二、各個器件介紹

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1.樹莓派（Raspberry Pi）

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??Raspberry Pi是一個英國小型組織慈善組織The Raspberry Pi Foundation發行的一款針對電腦業余愛好者，學生，以及小型企業等用戶的迷你電腦，預裝的是Linux操作系統，體積非常小巧，在最新款的Raspberry Pi 3 Model B，搭載了高通的ARMv8的高性能CUP，并且包含1GB RAM，引腳數上升到40個。
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    較上一代的優點：
              1.首先處理器是新一代四核心Broadcom BCM2837 64位ARMv8 處理器，并且處理器速度最高可達1.2GHz，必要時還可以超頻。</font>
              2.第二是新添加了板載BCM43143 WiFi芯片，無需WiFi網絡適配器。

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

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2.MQ-2有害氣體檢測模塊

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??這是一款廣泛應用于家庭和工廠的氣體泄漏檢測裝置，適用于液化氣、甲烷、丙烷、丁烷、酒精、氫氣、煙霧等有害氣體的檢測。
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• 有四個引腳：
  VCC：輸入5V正極電流
  GND：接電源負極
  DO：TTL高低電平輸出端
  AO：模擬電壓輸出端

• TTL輸出靈敏度調節：
  此電位器只針對TTL，也就是DO輸出靈敏度進行調節。
  順時針調節靈敏度增高，逆時針調節靈敏度降低。
• 具有以下優點：
  ???廣泛的探測范圍
  ???高靈敏、快速的相應恢復
  ???優異的穩定性、壽命成長
  ???簡單的驅動電路 ???

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三、Raspberry Pi部署操作系統

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1.概述

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? ?絕大多數開源Linux社區都有樹莓派Arm架構的操作系統，比如基于Debian的Raspbian系統和Ubuntu mate系統，這是兩款對樹莓派支持性最好的系統，并且在國內也有鏡像源，對于一個開發板來說，這是可能是最重要的。
? ?我個人強烈推薦Raspbian系統，它本身的命令其實和服務器端的Debian操作命令相同，但是更大的優點在于：國內有諸多知名大學網站都有Raspbian系統鏡像源，很是方便；因為開始我玩兒的是Centos系列的操作系統，比較熟悉命令以及其他配置方式，并且在Centos的官方網站也有專門為Raspberry Pi開發的基于Arm架構的系統鏡像，但是安裝完你會發現，鏡像源很是不方便 0.0。
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2.部署Raspbian系統

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? ? 首先，到前面我貼上去的官網上下載系統鏡像文件，點進DOWNLOADS，看到有兩種系統：“NOOBS”和“Raspbian ”，我選擇了Raspbian,，然后會看到兩個版本的鏡像，其中左邊有“DESKTOP”是帶有桌面的操作系統，相反右邊的是最小化安裝的系統鏡像，建議身邊如果能方便的獲取顯示器，來通過HDML接入，那么就選擇有桌面的操作系統，因為我這里主要是完成項目，所以就不選帶桌面系統的鏡像了。
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? ? 官方系統鏡像界面的截圖：
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3.燒制系統

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??下載好之后，通過一個軟件“Win32DiskImager”，來燒錄系統，在Device選擇讀卡器顯示的外部設備，Image File選擇剛剛下載好，并且解壓完成的鏡像文件，然后點擊Write，進行寫入操作，因為我是最小化的鏡像系統，所以只需幾分鐘就完成系統的燒錄，你們稍等片刻，也就完成了。
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??燒錄軟件截圖：
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注意：一般情況下Raspbian系統是不帶有SSH遠程連接功能的，因此想要開啟功能，需要進入燒錄好的鏡像系統
文件當中（通過讀卡器），新建一個空白的文本文件，名為“ssh”，不需要改后綴，然后就可以進行下一步了

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??插上網線，通過路由器可以得知分配給開始Raspbian的IP，然后通過SSH遠程登錄。
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這里需要注意的是，默認用戶是“pi”，密碼是“raspberry”，SSH遠程連接“ssh pi@192.168.1.1 ”，輸入密碼即可

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??下面是以pi用戶連接樹莓派后的截圖：
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4.更改默認登錄用戶

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??一般情況下，我們都是以root用戶的身份去操作系統的，這樣權利更大，也更方便做一些普通用戶很難做到的事情，根據下面：
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• 首先切換root用戶，激活root用戶的密碼配置選項：

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

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• 然后解鎖root用戶：

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

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• 最后切換root用戶：

  pi@raspberrypi:~ $ su root
  Password:

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• 但是由于Raspbian系統默認是以“pi”用戶登錄樹莓派的，也就是說即使上面激活了root用戶，也無法通過：“ssh root@192.168.1.1”去登陸，因此還需要進行下面操作。

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

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

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??下圖為更改配置后的截圖：

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5.配置鏡像源

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??配置鏡像源，是為了方便后面部署各類軟件，解決依賴關系。
好在官方給出了軟件鏡像名單：
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??http://www.raspbian.org/RaspbianMirrors
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??這里包括了世界各地的大學或者教育機構網站提供了Raspbian軟件鏡像，極大的方便了喜歡玩轉樹莓派的愛好者，我在其中節選了幾個大學提供的鏡像地址，供大家參考：
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http://mirror.sysu.edu.cn/raspbian/raspbian 中山大學鏡像源（南方用戶）
http://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/raspbian/raspbian/ 清華大學鏡像源（北方用戶）
http://mirrors.ustc.edu.cn/raspbian/raspbian/ 中科大鏡像源（中部用戶）
http://mirrors.cqu.edu.cn/Raspbian/raspbian/ 重慶大學鏡像（中西部用戶）

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??因為我離北京比較近，所以選擇了清華的鏡像源，速度快 穩定。
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• 進入文件： vim /etc/apt/sources.list

  注釋其他語句，并且，加上下面的語句：
  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，后面有個“stretch”字段，它代表的是第九代Debian系統，其他字段的有：第七代系統“wheezy”，第八代系統“Jessie”，因為在Raspberry Pi的官網一般下載的都是最新的系統，并且這一代系統極大的擴展和發揮了Raspberry性能，因此建議安裝這個版本的系統。
  ??通過命令：“lsb_release -a” 可以看到系統的版本，所以務必配置鏡像文件之前，查一下系統版本哦。

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這是我的系統版本：
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6.配置無限路由（WiFi）

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??Raspberry內置WiFi設備，因此只需要在網絡配置文件當中，把WiFi名稱和密碼寫進去，那么每次啟動機器都會去讀取文件，自動連接WiFi。

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• 找到文件并寫入： vim /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf

  network={
  ssid="WiFi名稱"
  psk="WiFi密碼"
  }

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7.鍵盤布局配置

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??由于Raspberry原產地為英國，因此鍵盤布局為英式鍵盤，許多鍵位都不一樣，因此需要更改鍵盤布局，首先執行下面兩個操作：
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• 首先安裝輸入法配置，才可以更換鍵盤布局：

  apt install fcitx

• 然后輸入：

  raspi-config

  進入偽圖形化配置界面，選擇配置“keyboard layout”，選擇US鍵盤布局，保存后退出，重啟即可。

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四、部署和應用GPIO庫

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1.部署Pip和GPIO

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??在Raspbian系統當中，為了Raspberry愛好者方便的自定義自己的板子，因此選擇原生支持了當今最主流的編程語言Python，無論是Python2，還是Python3都有安裝，為了方便的安裝GPIO庫，強烈建議先安裝pip工具，這個工具類似于apt和yum，可以自動解決安裝第三方庫時的依賴關系，非常好用。
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??我將在下面使用Python3作為代碼執行的平臺,下面是包含的所有Python工具
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• 安裝pip：
  ??apt install pip3

  注意：如果出現問題，顯示無法安裝，則使用下面命令：

  apt-get install *pip -y

• 通過pip安裝GPIO模塊：
  ??pip3 install gpio

• 驗證GPIO模塊是否安裝成功并導入：
  ??#python3
  ??\>>>import RPi.GPIO as GPIO
  ??\>>>GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

*發現上述命令都沒有報錯，并且按下Table鍵，補全所有內置方法

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特別注意：為什么不是安裝RPi.GPIO???

        RPi.GPIO庫是我在Raspberry官網上看到的支持I/O狀態讀取的一個庫，但是我按照網上很多博客上查的，執行安裝命令：“pip install RPi.GPIO”，總是報錯，要么就是安裝成功以后會在“import ”這個模塊的時候，出現錯誤，很是費解，以為是版本的問題，發現自己安裝的是最新版本，但總是調不起來這個庫，我因此也沒有什么好的解決方法，偶然發現，直接執行命令，安裝“pip installgpio”貌似是安裝了另一個版本的GPIO庫，并且是可以正常調用的，我在之后在Centos7虛擬機上做了測試，發現也是可以的，那么我就選擇用“gpio”代替“RPi.GPIO”。

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下面為是所有可用方法的截圖：
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2.常用的GPIO用法

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下面簡單介紹其中比較常用的GPIO用法：
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1.導入GPIO模塊
        import RPi.GPIO as GPIO  

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2.將GPIO引腳設置為BOARD模式
        GPIO.setmode(GPIO.BOARD) 

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3.設置GPIO引腳通道 作為輸入
        GPIO.setup(pin,GPIO.IN)  

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4.設置初始化為高電平
        GPIO.setup(pin,GPIO.OUT,initial=GPIO.HIGH) 

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5.軟件實現上/下拉：
        GPIO.setup(pin,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
        GPIO.setup(pin,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)

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6.邊緣檢測，該函數是對一個引腳進行監聽
        GPIO.add_event_detect(channel, GPIO.RISING) 

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7.清除所有資源
        GPIO.cleanup()    

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下面給出Raspberry Pi的引腳圖：
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??上面有個地方指出的：“GPIO引腳設置為BOARD模式”，這里還有另一種定義引腳的方式，在RPi.GPIO中，同時支持樹莓派上的兩種GPIO引腳編號。第一種編號是BOARD編號，這和樹莓派電路板上的物理引腳編號相對應。使用這種編號的好處是：硬件將是一直可以使用的，而不用擔心樹莓派的版本問題。在更替版本或者系統的時候，不必重寫代碼。
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??第二種編號是BCM規則，是更底層的工作方式，它和Broadcom的片上系統中信道編號相對應。在使用一個引腳時，用戶需要查找信道號和物理引腳編號之間的對應規則。對于不同的樹莓派版本，編寫的腳本文件也可能是無法通用的。
例如：上圖當中的“GPIO 16”和“36”號引腳就是指的同一個，而對應的前者就是通過BCM定義的，后者是通過“BOARD”定義的。
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五、應用實踐

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1.Raspberry Pi 和 MQ-2之間的連線

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??在這里需要知道的是，Python的GPIO庫只能接受引腳的高低電平的變化，因此只需要接線三個引腳就好：5V電源，地線，和DO接口，我選擇以“BOARD”規則定義引腳，也就是36號引腳連接MQ-2的DO口，認真對應上面給出的引腳圖，下面是我接好后的圖：

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??MQ-2連線：
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??Raspberry連線：
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2.模塊測試

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??接下來開始寫Python代碼，用于測試連線，以及模塊的功能是否完好，根據上面的介紹的簡答的幾個GPIO庫方法，以及簡單的邏輯，寫出如下代碼：
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#! /usr/bin/env python3
import RPi.GPIO as GPIO # 導入庫，并進行別名的設置
import time

CHANNEL=36 # 確定引腳口。按照真實的位置確定
GPIO.setmode(GPIO.BOARD) # 選擇引腳系統，這里我們選擇了BOARD
GPIO.setup(CHANNEL,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN)
#初始化引腳，將36號引腳設置為輸入下拉電阻，因為在初始化的時候不確定的的引電平，因此這樣設置是用來保證精準，（但是也可以不寫“pull_up_down=GPIO.PUD_DOWN”）

# 帶有異常處理的主程序
try:
         while True: # 執行一個while死循環
          status=GPIO.input(CHANNEL) # 檢測36號引腳口的輸入高低電平狀態
          #print(status) # 實時打印此時的電平狀態
          if status == True: # 如果為高電平，說明MQ-2正常，并打印“OK”
                        print ( ' 正常 ' )      
           else:    # 如果為低電平，說明MQ-2檢測到有害氣體，并打印“dangerous”
                        print ( ' 檢測到危險氣體 ! ! ! ' )
           time.sleep(0.1) # 睡眠0.1秒，以后再執行while循環
except KeyboardInterrupt: # 異常處理，當檢測按下鍵盤的Ctrl+C，就會退出這個>腳本
            GPIO.cleanup() # 清理運行完成后的殘余

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• 開始執行程序：
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  \#chmod +x test.py
  \#./test.py

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  ??然后會跳出"OK"的字樣，每0.1秒一次，當通過打火機的去伸到MQ-2報警器跟前時，就會彈出一個“DANGEROUS”，說明檢測到有害氣體了，下面放圖，我的實驗結果：
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??說明模塊工作正常，可以檢測有害氣體，并且這個程序也是基本上沒有什么問題的，后面需要停止的話，按下“Ctrl+C”停止腳本運作就好了。
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注意
??在Python2當中，因為語法的變化，當腳本當中有中文的情況下，在開頭加上“# encoding=utf-8”；并且“print( )”方法是沒有括號的，只有引號，并且異常處理后面可能有語法也不一樣，需要讀者注意因。

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??實際在后面結合Zabbix進行數據的監控和統計，是不需要輸出的，因此這里只是為了效果直觀，而加進去“print( )”語句，為了達到目的，我后面會把它放在Cron計劃任務當中，在一開機的時候，就開始后臺執行這個程序，并且沒有輸出，但是會實時記錄引腳的高低電平。
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??對于如何獲取到這個值，并以什么方式進行存儲，在后面我會研究，這里可能會遇到Zabbix的二次開發的問題。
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??????????????????? ??????????????????????????--------Zabbix項目部分我會在后面幾個星期做好，未完待續.......