本文譯自樹莓派雜誌 111 期(MagPi issue 111)，原文標題為 Build a fire and gas leak alarm system（圖片來源取自雜誌內頁），相關原始程式碼可參考官方程式碼。本篇與原文同樣使用 CC 3.0 BY-NC-SA 授權，歡迎標註原作者轉載，若有任何不妥與指教敬請告知。
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一、前言
人類透過各種感官（視覺、嗅覺、觸覺、味覺、聽覺）去感受這個世界，如此便能夠知道所處的環境發生什麼樣的變化，並且做出相對應的反應。
同理，我們也能夠利用手中的 Raspberry Pi 樹莓派連接各式各樣的感測器達到相同的效果。
「樹莓派感測器實作」系列我們將探索一些常見的感測器，並製作出可執行的專案。本次實作的專案目標：製作一個簡易的小型火焰與瓦斯洩漏警報系統，當警報系統偵測到危險狀況發生時，便會發出聲光警報提醒人們。
二、所需設備
1. 火焰感測器 x1
2. 氣體感測器 x1
3. LED 燈 x1
4. 蜂鳴器 x1
5. 麵包板 x1
6. 330Ω 電阻 x1
7. 杜邦線材
三、實作步驟
1. 連接火焰感測器
火焰感測器使用 PIR（passive infrared，被動紅外線） 偵測周圍環境溫度的變化，感測器上有類比與數位輸出，我們僅需要使用數位輸出的腳位，當感測器偵測到火焰時便會發送訊號。
首先關閉 Raspberry Pi 樹莓派的電源，將火焰感測器連接到開發板如下圖表所示：
| Raspberry Pi 樹莓派 | 火焰感測器 |
| 3.3 V | VCC |
| GND | GND |
| IO21 | DO |
2. 撰寫感測火焰程式碼
連接好火焰感測器後，開啟 Raspberry Pi 樹莓派的電源，若是連接正確將會看到感測器亮起紅燈。
首先，我們要撰寫一個簡單的 Python 程式「flame_test.py」，去讀取感測器並顯示觸發時的訊息，也藉此來測試硬體是否正常運作。
從電腦桌面的選單中，打開 Thonny IDE 軟體平台開始撰寫程式。在這邊為了簡化設定，我們選擇使用 GPIO Zero 程式庫，而不是 RPi.GPIO 程式庫，程式碼如下圖所示：
第 1~3 行：在程式碼中，我們使用 Button 方法檢測火焰感測器的訊號，按下按鈕即為感測到火焰（通電，訊號為1），反之為無感測到火焰（不通電，訊號為0）。
火焰感測器是連接到 IO21，因此我們將 flame 物件依照 Button 方法設定為 flame = Button(21)。
第 6~10行：設定一個迴圈 while True: ，當中使用 if…else 來判斷與顯示感測器是否有感測到火焰，if flame.value == 1 為偵測到火焰 ，Thonny Shell 顯示窗為「Fire!」；反之則顯示「No fire」。
第 11 行：在顯示設定中我們加入了 end = “\r” ，如此一來每次顯示文字就都會出現在同一行，而不是換行顯示，可以讓畫面看起來更為乾淨整齊。
3. 實測火焰感測器
現在就將火焰放在感測器附近，實測看看是否會觸發警報文字吧！
我們使用打火機來測試，當然也可以用其他火源代替（例如：燭火、火柴棒），切記要小心使用，並且不要將火源直接放在不防火的感測器旁邊，以免高溫損壞感測器，造成危險。
現在就使用前面寫好的「flame_test.py」程式搭配火源靠近感測器，我們這邊設定的是當火焰距離感測器約 30cm 時，便會發生觸發感測器（可以透過感測器板上的十字旋鈕調整成適合的距離）。
當感測器偵測到火焰時，紅色 LED 會亮起，Thonny Shell 視窗會從「No fire」 顯示為「Fire!」，如下圖所示：
小秘訣
為了簡化操作，我們使用數位輸出觸發警報系統；若是使用類比輸出的話，將會需要額外增加一個 ADC 晶片（例如：MCP3008）將其轉換成數位訊號讀取。
4. 連接氣體感測器
接著要使用氣體感測器（MQ-5）來偵測瓦斯，氣體感測器裡面有一層氧化錫，可以高靈敏度地感測丁烷、甲烷和丙烷等氣體是否存在空氣中。
氣體感測器上有類比與數位輸出腳位，我們的警報系統僅需要使用數位輸出的腳位。將氣體感測器連接到 Raspberry Pi 樹莓派如圖1，接線請參照下表：
| Raspberry Pi 樹莓派 | 火焰感測器 |
| 3.3 V | VCC |
| GND | GNC |
| IO14 | DO |
＊Raspberry Pi 樹莓派上的3.3 V 與 GND 腳位透過麵包板與火焰感測器共用。
5. 增加氣體感測器程式
雖然我們也可以另外建立一個新的程式碼單獨測試氣體感測器，但是這邊示範直接在原先撰寫好的的程式中，連接增加氣體感測器的部份，這樣就可以更簡單地進階到我們最終的警報系統程式。
第 4~6 行：在「flame_gas_test.py」程式碼中，我們使用與前面一樣的 Button 方法，將 Raspberry Pi 樹莓派的 GPIO18（譯註：原文為 GPIO18，應該是筆誤，實際是 GPIO14 才對）指定為氣體偵測器 gas = Button(14)。接著新增一行自定義的 msg2 ，我們將用來設定欲顯示在 Shell 視窗的訊息。
第 8~16 行：設定一個迴圈 while True:，當氣體感測器感測到欲偵測的氣體而腳位被觸發時（if gas.value == 1），便會顯示「Gas leak!」，反之則顯示「No gas」。
第 17 行：最後我們在 msg1 後方加入 msg2 並包含 end = “\r” ，這樣顯示文字就會都顯示在同一行。
6. 實測氣體感測器
現在就來實測看看氣體感測器是否運作正常吧！
我們在不點燃火焰的情況下使打火機洩漏些許瓦斯氣體，也可透過瓦斯爐或瓦斯氣瓶取得少量的瓦斯氣體，但是必須確保是在安全的狀態下使用。
現在就開始使用「flame_gas_test.py」程式碼，並在感測器周圍釋放少量的瓦斯氣體。氣體感測器與火焰感測器使用方法一樣，可透過板上的十字旋鈕調整可變電阻，藉此改變氣體感測器的靈敏度。
當氣體感測器偵測到周圍的瓦斯時，紅色的 LED 會亮起以表示觸發，並且 Shell 視窗會從原本的「No gas」顯示為「Gas leak!」。
7. 連接 LED
如果在前面的操作步驟已經能讓感測器正確地運作並顯示訊息了，那麼就可以進入到下一個階段。
雖然能夠顯示正確訊息已經相當不錯了，但是一個好的警報系統怎麼能少了視覺與聽覺的警報效果呢?
在視覺警報的部分，我們加入一個紅色 5mm LED （當然也可以選擇其他尺寸），而為了要避免 LED 燒壞，因此我們還要加入一個電阻去限制電流。
將 LED 的兩隻腳插在麵包板不同行上，並在陰極（短）腳連接一個 330Ω 的電阻在麵包板的負極，而陽極（彎曲，長）腳連接到 Raspberry Pi 樹莓派 IO16 的腳位，如圖1 所示。
8. 連接蜂鳴器
在聽覺警報的部分，我們使用一個有源蜂鳴器發出聲響。有源蜂鳴器較長的腳為陽極，較短的腳為陰極（蜂鳴器本身可能會標示它們的位置）。將陰極腳連接到麵包板的負極，而陽極腳連接到 Raspberry Pi 樹莓派 IO25 的腳位，如圖1 所示。
9. 警報程式碼整合撰寫
當一切硬體如圖1 都設置完成後，我們就準備開始撰寫火焰與瓦斯洩漏警報吧！
第 1~2 行：在最終版的「fire_gas_alarm.py」程式碼中，我們首先輸入 GPIO Zero 程式庫的 LED 與蜂鳴器，並且使用時間程式庫中的休眠，用來作為延遲使用。
第 9~21 行：我們建立 fire_alarm 與 gas_alarm 兩種警報程式，使用 for 迴圈來控制 LED 與蜂鳴器開關切換的次數，並且加入 0.5 秒的休眠作為延遲。
第23~31 行：最後，在 while True: 迴圈中，我們用來檢測 pin 腳從感測器所接收到的訊號，並觸發相關的警報器。若是在未觸發的情況下，預設顯示訊息為「All OK」， LED 與蜂鳴器接為關閉的狀態。
10. 實測警報系統
現在就來測試火焰與瓦斯洩漏警報系統吧！
首先我們將火源靠近火焰感測器，來確認警報系統是否有被觸發，觸發的狀態為 LED 閃爍、蜂鳴器發出聲響，Shell 視窗顯示正確的訊息。同樣地，透過釋放少量的瓦斯來測試氣體感測器，是否有正常觸發警報系統。
注意！
請勿玩火！使用火源測試時，請勿太靠近感測器與其他零件。
使用瓦斯氣體時，須確保環境通風，並且僅使用少量測試。
本次分享僅作為範例參考，勿將其作為實際生活中的安全警報系統之用。
當發生火災或瓦斯外洩時，請盡速撥打 119 通知消防單位。
四、小結
現在我們已經擁有了簡易的火焰與瓦斯洩漏警報系統了！如果想要讓警報效果更加明顯的話，可以添加一個繼電器去開啟 12V 的信號警報燈，也可以設定當發生警報時發送 email 或提示訊息到手機。
下一次我們將分享如何實作入侵者警報器的文章，有興趣的夥伴們請幫我們多多分享並持續關注我們喔！下次見～
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