在樹(shù)莓派Pico上使用PIR傳感器構(gòu)建竊賊報(bào)警器

微控制器（MCU）在現(xiàn)實(shí)世界的另一個(gè)用途是在報(bào)警系統(tǒng)中。從早上叫你起床的鬧鐘到火災(zāi)警報(bào)、防盜警報(bào)，甚至是核電站出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)發(fā)出的警報(bào)，微控制器幫助保護(hù)我們所有人的安全。

本篇將帶你構(gòu)建自己的防盜報(bào)警器，實(shí)現(xiàn)一個(gè)特殊的運(yùn)動(dòng)傳感器，不斷掃描任何人進(jìn)入房間的事件。無(wú)論你是在保護(hù)銀行金庫(kù)，還是只是想防止兄弟姐妹們出現(xiàn)在你的房間里，防盜報(bào)警器肯定會(huì)派上用場(chǎng)。

這個(gè)項(xiàng)目需要用到：
樹(shù)莓派 Pico
面包板
任何顏色的 LED 燈
一個(gè) 330Ω 電阻
有源蜂鳴器
一個(gè)或多個(gè) HC-SR501 被動(dòng)紅外（PIR）傳感器
若干公對(duì)公、公對(duì)母杜邦線
microUSB 數(shù)據(jù)線

將 Pico 連接到樹(shù)莓派或其他運(yùn)行 Thonny MicroPython IDE 的計(jì)算機(jī)。

HC-SR501 PIR 傳感器

在前面的系列教程中，你已經(jīng)使用了按鈕開(kāi)關(guān)形式的簡(jiǎn)單輸入組件。這一次，你將使用被稱為被動(dòng)紅外傳感器（PIR）的傳感器。有數(shù)百種不同的 PIR 傳感器可用，HC-SR501 低成本、高性能，并與 Pico 完美適配。

被動(dòng)式紅外傳感器被設(shè)計(jì)用來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)，特別是人和其他生物的運(yùn)動(dòng)。它的工作原理有點(diǎn)像照相機(jī)，但它不是捕捉可見(jiàn)光，而是尋找以紅外輻射的形式從活體發(fā)出的熱量。它被稱為被動(dòng)紅外傳感器，而不是主動(dòng)紅外傳感器，因?yàn)榫拖裣鄼C(jī)傳感器一樣，它自己不發(fā)出任何紅外信號(hào)。

實(shí)際的傳感器被埋在一個(gè)塑料鏡頭下，通常形狀像半個(gè)球。鏡頭在技術(shù)上并不是傳感器工作所必需的，但可以供更寬的視野（FOV），如果沒(méi)有透鏡，PIR 傳感器只能看到傳感器正前方一個(gè)非常窄的角度的運(yùn)動(dòng)。這種鏡頭可以從更寬的角度吸收紅外線，這意味著一個(gè) PIR 傳感器就可以觀察到房間里大部分的移動(dòng)情況。

在商業(yè)防盜報(bào)警系統(tǒng)中，PIR 傳感器只是使用的傳感器之一。其它的傳感器還包括：能告知窗 戶何時(shí)被打碎的碎玻璃傳感器、能監(jiān)測(cè)門(mén)是開(kāi)著還是關(guān)著的磁傳感器、能捕捉竊賊腳步聲的聲音傳感器以及能告知門(mén)鎖是否被撬開(kāi)的振動(dòng)傳感器。

然而，一個(gè)簡(jiǎn)單的 PIR 傳感器對(duì)于低安全級(jí)別的地方就足夠了。

現(xiàn)在拿起你的 HC-SR501 傳感器看一看。首先要注意的是，它有自己的電路板。除了傳感器和鏡頭，還有其他幾個(gè)組件：驅(qū)動(dòng)傳感器的黑色芯片、一些電容和微小的貼片電阻。你也可以看到幾個(gè)電位器，你可以用螺絲刀擰動(dòng)它們，來(lái)調(diào)整傳感器的靈敏度，以及當(dāng)觸發(fā)時(shí)它保持激活的時(shí)間。

你還會(huì)看到三個(gè)公排針，和 Pico 底部的排針一模一樣。但是，你不能直接將它們插入面包板，因?yàn)槊姘迳系慕M件會(huì)礙事。取三根公對(duì)母杜邦線，將母線端插入 HC-SR501 的針腳上。接下來(lái)，拿起公的一端，把它們連接到面包板和 Pico 上。在將傳感器連接到 Pico 上時(shí)，需要確認(rèn)傳感器的文檔。不同公司生產(chǎn)的 HC-SR501 傳感器，它們引腳的順序會(huì)略有不同。

這里的傳感器，引腳順序?yàn)?GND 在底部，信號(hào)或觸發(fā)引腳在中間，電源引腳在右邊。

傳感器的信號(hào)引腳連接到 Pico 的 GP28 引腳。GND 和 VCC 分別連接 Pico 的 GND 和 5V 引腳。

警報(bào)器代碼

對(duì) Pico 進(jìn)行編程才能識(shí)別傳感器。這和讀取按鈕的操作類似。幾乎可以使用相同的代碼：

import machine
sensor_pir = machine.Pin(28, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)

就像上一篇教程中做的反應(yīng)游戲一樣，防盜報(bào)警器的輸入應(yīng)該作為一個(gè)中斷，停止程序正在做的任何事情，并在傳感器被觸發(fā)時(shí)做出反應(yīng)。和前面一樣，首先定義一個(gè)回調(diào)函數(shù)來(lái)處理中斷：

def pir_handler(pin):
print("ALARM! Motion detected!")

最后，設(shè)置中斷本身：

sensor_pir.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=pir_handler)

單擊 Run 按鈕，并將程序保存到 Pico 中，命名為 Burglar_Alarm.py。

在 PIR 傳感器前面揮一揮你的手，你會(huì)看到一條消息出現(xiàn)在 Shell 區(qū)域，確認(rèn)傳感器檢測(cè)到了手的移動(dòng)。如果你一直揮動(dòng)你的手，信息將持續(xù)輸出，但是在每條消息之間有一個(gè)延遲，
這種延遲和內(nèi)置在 HC-SR501 上的電位器設(shè)置相關(guān)。你可以插入一個(gè)螺絲刀，把它朝一個(gè) 方向轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)減少延遲，朝另一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)增加延遲。請(qǐng)參考傳感器的文檔，以確定哪個(gè)電位器是控制延遲的。

組裝輸入和輸出之后的代碼

真正的防盜警報(bào)器有燈和警報(bào)器來(lái)醒周圍的人有問(wèn)題了，下面我們就來(lái)添加它們。如圖所示添加 LED 和有源蜂鳴器。其中，LED 正極與 Pico 的 GP15 引腳相連，蜂鳴器的正極與 Pico 的 GP14 相連。GND 均與 Pico 的 GND 引腳相連。

加入 LED 和蜂鳴器之后的完整代碼如下：

import machine
import utime


sensor_pir = machine.Pin(28, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)
led = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
buzzer = machine.Pin(14, machine.Pin.OUT)


def pir_handler(pin):
print("ALARM! Motion detected!")
for i in range(50):
  led.toggle()
  buzzer.toggle()
  utime.sleep_ms(100)


sensor_pir.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=pir_handler)


while True:
  led.toggle()
  utime.sleep(5)

點(diǎn)擊 Run 按鈕，然后在 PIR 傳感器前再次揮舞你的手，這時(shí)不僅會(huì)有消息提示出現(xiàn)在 Shell 區(qū)域，LED 將開(kāi)始快速閃爍 50 次并伴隨著警報(bào)器嗶聲（間隔 100 毫秒）。

為了讓防盜報(bào)警器更具震懾力，它在沒(méi)有察覺(jué)到任何動(dòng)靜的情況下也會(huì)緩慢閃爍（每 5 秒一次），以此 警告潛在的入侵者，你的房間已經(jīng)被人監(jiān)視了。

祝賀你，這應(yīng)該足以嚇入侵者了！

如果你使用的是無(wú)源蜂鳴器，嘗試這個(gè)版本的程序代替：

import machine
import utime


sensor_pir = machine.Pin(28, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN) led = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
buzzer = machine.Pin(14, machine.Pin.OUT)


def pir_handler(pin):
  print("ALARM! Motion detected!")
  for i in range(50):
    led.toggle()
    for j in range(25):
      buzzer.toggle()
      utime.sleep_ms(3)


sensor_pir.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=pir_handler)


while True:
  led.toggle()
  utime.sleep(5)

在蜂鳴器的使用上，上面的代碼是通過(guò)快速切換蜂鳴器引腳的電壓來(lái)模擬有源蜂鳴器振蕩器的效果。

嘗試將延遲時(shí)間從 3 毫秒改為 4 毫秒，你會(huì)發(fā)現(xiàn)蜂鳴器的聲音音調(diào)更低。改變延遲會(huì)改變蜂鳴器振蕩的頻率：延遲越長(zhǎng)，蜂鳴器振蕩的頻率就越低，聲音的音調(diào)就越低；延遲越短，它的振動(dòng)頻率 就越高，聲音的音調(diào)也就越高。

擴(kuò)展警報(bào)器

添加多個(gè) HC-SR501 傳感器可以覆蓋更多區(qū)域。我們以兩個(gè)為例，將新增的傳感器信號(hào)腳連接到 Pico 上的 GP22 引腳，如圖所示。

在設(shè)置第一個(gè)傳感器的地方添加一行新代碼：

sensor_pir2 = machine.Pin(22, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN)

然后創(chuàng)建一個(gè)新的中斷，同樣在第一個(gè)中斷的下面：

 
sensor_pir2.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=pir_handler)

請(qǐng)記住，一個(gè)處理程序可以有多個(gè)中斷，因此不需要更改終端處理程序的部分。

點(diǎn)擊 Run 按鈕，并在第一個(gè) PIR 傳感器上揮一揮你的手，你會(huì)看到警報(bào)信息，LED 閃光，蜂鳴器的聲音和之前一樣。等他們完成，然后在第二個(gè) PIR 傳感器上揮揮手，你會(huì)看到你的防盜警報(bào)以完全相同的方式響應(yīng)。

為了使鬧鐘變得非常智能，你可以根據(jù)哪個(gè)引腳負(fù)責(zé)中斷來(lái)自定義消息，它的工作方式與你之前編寫(xiě)的雙人反應(yīng)游戲中完全相同。

回到你的中斷處理程序并修改它：

def pir_handler(pin):
if pin is sensor_pir:
print("ALARM! Motion detected in bedroom!")
elif pin is sensor_pir2:
print("ALARM! Motion detected in living room!")
for i in range(50):
led.toggle()
buzzer.toggle()
utime.sleep_ms(100)

就像在系列教程「反應(yīng)游戲」項(xiàng)目中，這段代碼讓中斷報(bào)告它被哪個(gè)引腳觸發(fā)。最終完整的代碼如下：

import machine
import utime


sensor_pir = machine.Pin(28, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN) sensor_pir2 = machine.Pin(22, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_DOWN) led = machine.Pin(15, machine.Pin.OUT)
buzzer = machine.Pin(14, machine.Pin.OUT)


def pir_handler(pin):
  if pin is sensor_pir:
    print("ALARM! Motion detected in bedroom!")
  elif pin is sensor_pir2:
    print("ALARM! Motion detected in living room!")
    for i in range(50):
    led.toggle()
    buzzer.toggle()
    utime.sleep_ms(100)


sensor_pir.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=pir_handler) sensor_pir2.irq(trigger=machine.Pin.IRQ_RISING, handler=pir_handler)


while True:
  led.toggle()
  utime.sleep(5)

祝賀你！你現(xiàn)在學(xué)會(huì)如何構(gòu)建一個(gè)模塊化的防盜報(bào)警器來(lái)覆蓋你需要的所有監(jiān)測(cè)區(qū)域了！