1.1 项目介绍

【1】开发背景

随着社会的发展和技术的进步，人们对居住环境的安全性和智能化水平提出了更高的要求。特别是在校园宿舍这样的集体生活环境里，由于人员密集且流动性大，传统的安防措施已经难以满足现代安全标准的需求。为了提高宿舍区的安全防范能力，减少安全隐患，本项目提出了一套基于STM32微控制器与NBIoT（窄带物联网）通信技术相结合的宿舍安防控制系统。

该系统的设计理念是将物联网技术应用于日常生活中，通过集成多种传感技术来实现对宿舍环境的全方位监控，并能够及时响应各种异常情况，从而达到预防火灾、防盗、节能等多重目的。例如，在发生火灾初期，通过安装于宿舍内的烟雾及火焰传感器可以迅速感知火情并发出警报；同时，系统还能监测用电安全，当检测到线路过载或短路等危险状况时，自动切断电源以避免事故进一步扩大。此外，考虑到实际使用中的便利性，该系统还具备了远程操控功能，允许用户通过智能手机应用程序或是PC端管理软件随时随地掌握家中状态，并执行如开启门锁等操作。

选择STM32作为主控芯片是因为它具有强大的处理能力和丰富的外设资源，非常适合用来构建复杂而高效的嵌入式系统。搭配NBIoT模块，则保证了即使在网络信号较差的情况下也能保持稳定可靠的无线连接，这对于确保重要信息能够及时准确地传输至云端至关重要。与此同时，利用华为云提供的物联网平台服务，不仅简化了后端架构的设计工作量，而且为用户提供了一个直观易用的数据展示界面以及灵活多样的交互方式。

本项目结合先进的嵌入式技术和物联网概念，打造一套集成了环境监测、安全防护以及智能家居控制于一体的综合性解决方案，旨在为用户提供更加安心舒适的生活体验。通过这样一个智能化的安全管理系统，不仅可以有效提升宿舍区域的整体安全性，同时也促进了节能减排目标的实现，对于推动智慧城市建设具有积极意义。

APP上位机的效果：

框架图：

原理图：

【2】实现需求

为了明确本项目的具体实现需求，以下按照功能模块详细列出各项需求：

（1）火焰检测与报警：

• • 配备火焰检测传感器，能够快速响应火焰存在。

• • 当检测到火焰时，系统应立即启动蜂鸣器报警，同时将警报信息通过NBIoT模块发送到云端。

• • 在本地LCD显示屏上显示火焰警告信息。

（2）烟雾检测与报警：

• • 使用MQ2烟雾传感器，实时监测环境中的烟雾浓度。

• • 如果烟雾浓度超过预设阈值，触发蜂鸣器报警，并将警报信息上传至云端。

• • LCD显示屏同步更新显示烟雾警告信息。

（3）门磁控制：

• • 实现本地按键开门功能（内部开门的按钮），按下指定按键后，通过STM32控制电磁锁开启。

• • 开发手机APP和Windows电脑上位机软件，支持用户远程发送开门指令。

（4）人体感应：

• • 安装红外热释电人体检测传感器，用于探测宿舍内是否有人。

• • 传感器数据用于辅助判断是否需要保持照明或其他设备的工作状态。

• • 检测结果同样上传至云端，并可在LCD显示屏上查看。

（5）电力监测与保护：

• • 通过电力参数采集模块持续监测宿舍内的电压、电流、功率等电气参数。

• • 设定合理的电流和功率阈值，当超过这些阈值时，系统应自动切断电源，并触发蜂鸣器报警。

• • 监测数据定期上传至云端，并在LCD显示屏上显示。

（6）数据上云：

• • 采用NBIoT模块和MQTT协议将采集到的所有数据上传到华为云物联网平台。

• • 确保数据传输的安全性和可靠性，同时保证低功耗运行。

• • 提供API接口，便于Android手机APP和Windows上位机获取云端数据。

（7）本地数据显示：

• • 利用1.44寸LCD显示屏，实时显示当前的环境状态，包括但不限于烟雾浓度、火焰检测状态、电力参数等。

（8）用户界面：

• • 开发基于Qt框架的Android手机APP和Windows上位机软件，界面友好且易于操作。

• • 用户界面需包含数据展示、远程控制、历史记录查询等功能。

• • 确保用户界面能够适应不同尺寸的屏幕，并提供良好的用户体验。

【3】项目硬件模块组成

本项目的硬件模块组成如下，每个模块都根据其特定的功能进行了详细的描述：

（1）主控芯片 - STM32F103RCT6：作为整个系统的核心，STM32F103RCT6负责处理来自各个传感器的数据输入、执行逻辑运算以及控制输出设备。它拥有丰富的外设接口，能够满足与多种传感器及执行器的连接需求。

（2）烟雾检测 - MQ2传感器：MQ2是一种常用的气体传感器，特别适用于检测液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等可燃气体。在本项目中，它被用来监测宿舍环境中是否存在异常烟雾，一旦检测到烟雾浓度超标，即刻向主控发送信号。

（3）电力参数采集模块：通过RS485、UART接口与STM32相连，此模块能够精确测量宿舍内电路的电压、电流、功率等参数。这些数据不仅用于显示，也用于判断是否存在过载或其他潜在的电气风险。

（4）LCD显示屏 - 1.44寸LCD：作为人机交互的重要组成部分，这款小型彩色LCD屏幕用于展示实时监测的各项数据，如温度、湿度、烟雾浓度以及电力使用情况等信息，使用户能够直观了解当前状态。

（5）蜂鸣器 - 高电平触发的有源蜂鸣器：当系统检测到火灾、烟雾或其他紧急情况时，STM32将控制蜂鸣器发声，起到警示作用。蜂鸣器直接由STM32的GPIO引脚驱动。

（6）NBIoT模块 - BC26：作为物联网通信的关键部件，BC26模块使得系统能够通过移动运营商网络将采集到的数据上传至云端服务器。它支持低功耗广域网(LPWAN)技术，非常适合于远程监控应用。

（7）火焰检测传感器：专门设计用于探测火焰的存在，通常基于红外光谱特性工作。当检测到火焰时，传感器会向STM32发送信号，触发警报流程。

（8）人体感应 - 红外热释电传感器：这种类型的传感器可以感知人体散发出的热量变化，用于判断房间内是否有人。它对于提高系统的智能化程度，比如自动调整照明亮度或空调温度非常有用。

（9）电磁锁 -：作为门禁系统的一部分，电磁锁由STM32控制，可通过本地按键、手机APP或电脑远程解锁。它提供了物理层面的安全保障，确保只有授权人员才能进入宿舍。

（10）稳压电源 - 12V 2A：为保证整个系统稳定运行，选用一款输出稳定的直流电源适配器，为所有电子组件提供必要的电力支持。考虑到系统的总功耗，2安培的额定输出足够应对大多数应用场景。

【4】设计意义

本项目设计的意义在于通过集成多种先进技术和智能设备，构建一个高效、可靠且用户友好的宿舍安防控制系统，从而显著提升宿舍环境的安全性和居住质量。随着城市化进程的加快和学生群体的不断增长，校园宿舍的安全问题日益受到重视。传统的安防措施往往依赖于人工巡检和简单的报警系统，无法实现全天候、全方位的监控，且响应速度慢，难以及时有效地处理突发事件。因此，开发一套基于现代物联网技术的宿舍安防控制系统显得尤为重要。

系统通过引入火焰检测、烟雾检测以及人体感应等多种传感器，能够实时监测宿舍内外的各种潜在威胁。一旦发现火灾或其他紧急情况，系统能够立即作出反应，通过蜂鸣器发出警报，并将警报信息上传至云端，确保管理人员第一时间得到通知并采取相应措施。这种即时响应机制大大减少了灾害发生的可能性及其带来的损失。

门磁控制系统结合了本地按键开门与远程控制两种方式，不仅增强了宿舍入口的安全性，还提供了极大的便利性。用户可以通过智能手机应用程序或PC端软件随时随地进行访问控制，无论是忘记带钥匙还是需要临时授权他人进入，都能够轻松解决。这种方式不仅提高了效率，也增加了灵活性，让宿舍管理变得更加现代化。

电力参数监测功能的加入，使得系统能够持续跟踪宿舍内的用电状况。通过对电压、电流、功率等关键指标的监控，系统能够在检测到异常情况时及时切断电源，防止电气火灾的发生。这不仅保障了学生的生命财产安全，也有助于促进节能减排，符合可持续发展的理念。

数据上云是本项目另一个重要的特点。通过NBIoT模块将采集的数据上传至华为云物联网平台，不仅实现了数据的集中管理和分析，也为用户提供了一个便捷的远程查看和控制平台。用户可以在任何地方通过手机或电脑访问系统，查看最新的监测数据，并进行相应的操作。这种透明化的管理模式，既增强了用户的参与感，也提升了整体管理效率。

通过本地LCD显示屏的实时数据显示，以及基于Qt开发的用户界面，系统提供了直观的操作体验。用户可以轻松获取所需信息，并进行简单有效的交互。这样的人机交互设计考虑到了用户的实际需求，使得高科技产品变得更加亲民易用。

综上所述，本项目不仅在技术层面上实现了对宿舍环境的全面监测与智能控制，更是在实际应用中为学生创造了一个更加安全、便捷和舒适的居住环境。它代表了未来智能家居的一个发展方向，对于推动校园安全管理现代化、提升学生生活质量具有重要意义。

【5】国内外研究现状

在中国，随着智慧校园和智慧城市概念的推广，宿舍安防控制系统的研究与应用逐渐增多。北京航空航天大学曾推出了一款基于物联网技术的宿舍安全管理系统，该系统不仅能够监测宿舍内的温湿度、烟雾、一氧化碳等环境参数，还可以通过智能门锁实现对进出人员的身份验证。这套系统通过集成摄像头和人脸识别技术，进一步增强了宿舍的安全性。此外，该系统还支持通过手机APP远程控制门锁、查看宿舍内环境数据以及接收警报信息，极大地方便了学生的生活。北京航空航天大学的这项研究展示了物联网技术在提升宿舍安全性方面的巨大潜力。

在国外，类似的智能安防解决方案也在不断发展。美国的一些高校，如麻省理工学院(MIT)，已经在宿舍中应用了先进的安防技术。MIT的宿舍区采用了多种智能传感器和监控设备，如运动探测器、门窗传感器以及智能烟雾报警器。这些设备通过无线网络连接到中央管理系统，一旦检测到异常情况，系统会自动向相关人员发送警报。此外，MIT还开发了一款名为“SafeWalk”的应用程序，允许学生在夜间步行回宿舍时请求护送服务，进一步提高了校园的安全水平。

欧洲方面，德国的亚琛工业大学(RWTH Aachen University)实施了一个名为“Smart Campus”的项目，其中包含了宿舍安防系统的改进。该项目利用了LoRaWAN（低功耗广域网络）技术来连接分布在宿舍区的各种传感器，包括门窗传感器、水浸传感器以及温度湿度传感器等。通过这些传感器收集的数据，系统能够实时监测宿舍的安全状况，并通过手机应用程序向住户发送警报。此外，亚琛工业大学还在研究如何利用机器学习算法来优化警报系统的性能，减少误报率，提高准确性。

新加坡国立大学(NUS)也致力于通过技术创新来提高宿舍区的安全性。该校部署了一套结合了视频监控、面部识别技术和物联网传感器的综合安防系统。这套系统不仅可以监控宿舍区内的异常活动，还能通过面部识别技术来识别进出宿舍的人员身份，从而确保只有授权的人员才能进入宿舍。同时，NUS还利用大数据分析来优化宿舍区的安全管理策略，通过对大量数据的分析，识别潜在的安全隐患，并提前采取预防措施。

这些国内外的实际案例表明，宿舍安防控制系统的研究正处于快速发展阶段，新技术的应用不仅提高了宿舍的安全水平，也大大提升了居住者的舒适度和便利性。随着技术的不断进步，未来的宿舍安防系统将更加智能化、个性化，更好地服务于校园生活。

【6】摘要

本项目设计了一个基于STM32微控制器和NB-IoT通信技术的宿舍安防控制系统。系统集成了多种安防功能，包括火焰检测、烟雾检测、门磁控制、人体感应、电气监测等。火焰和烟雾检测通过相应的传感器实现，一旦检测到异常，系统会触发蜂鸣器报警以提醒用户。门磁控制功能允许用户通过本地按键、手机APP和Windows电脑上位机远程控制门锁的开启与关闭。人体感应功能可检测宿舍内是否有人员存在，用于防止盗窃或异常情况发生。

系统还具有电气监测功能，能够实时监测直流电与单相交流电的电压、电流与功率，并在电流或功率超出设定阈值时，通过蜂鸣器报警并自动切断电源，确保用电安全。所有采集的数据通过NB-IoT模块和MQTT协议上传至华为云物联网平台，用户可通过Android手机APP远程查看数据和控制设备。数据的本地显示则通过1.44寸LCD屏完成，方便用户实时获取各项监测信息。

本系统不仅具备本地和远程控制功能，还通过云平台实现了数据的实时监控和报警功能，增强了宿舍的安全性。该系统采用STM32F103RCT6作为主控芯片，结合MQ2、火焰检测、人体感应等传感器，具有较高的集成度和实用性。

关键字

STM32, NB-IoT, 宿舍安防, 火焰检测, 烟雾检测, 门磁控制, 人体感应, 电气监测, 数据上云, MQTT, 华为云物联网, LCD显示, 无线通信, 远程控制, 安全报警

1.2 系统总体设计

【1】系统功能需求分析

系统功能需求分析是项目规划阶段的重要组成部分，它明确了系统需要实现的具体功能，确保开发能够准确理解并满足用户的需求。对于基于STM32和NBIoT设计的宿舍安防控制系统，以下是对其功能需求的详细分析：

系统需配备高灵敏度的火焰检测传感器和烟雾传感器，如MQ-2烟雾传感器。这些传感器应能够连续监测宿舍环境，一旦检测到火焰或异常烟雾浓度，系统应当立即触发蜂鸣器发出警报，并通过NBIoT模块将警报信息发送到云端。同时，警报信息也应在本地LCD显示屏上显示，以便宿舍内人员能够迅速察觉并采取行动。火焰与烟雾检测是宿舍安防的基础，对于早期发现火灾隐患至关重要。

系统需要支持多种方式的门锁控制，包括本地按键开门、手机APP远程开门以及通过Windows电脑上的上位机软件远程控制。本地按键开门适用于日常出入，而远程开门则为特殊情况下的应急处理提供了便利。电磁锁应由STM32控制，确保只有授权用户才能通过合法途径进入宿舍。此外，每次开门动作都应记录下来并通过NBIoT模块上传至云端，以备后续审查和审计之用。

系统需集成红外热释电人体感应传感器，用于检测宿舍内是否有人。当检测到有人时，系统可以自动调节照明和其他电器设备的状态，以节约能源。此外，人体感应数据也可用于辅助判断宿舍内的安全状态，如在无人状态下检测到异常移动，系统应立即发出警报并通知相关人员。人体感应功能不仅提高了系统的智能化程度，也增强了安全性。

系统应配置电力参数采集模块，实时监测宿舍内的电压、电流、功率等电气参数。系统需设定合理的电流和功率阈值，一旦超过这些阈值，系统应自动切断电源，以防止电气故障导致的火灾或其他安全事故。同时，电力监测数据应通过LCD显示屏实时显示，并通过NBIoT模块定期上传至云端，以便管理者进行数据分析和趋势预测。

通过NBIoT模块和MQTT协议，系统需将所有收集到的数据上传至华为云物联网平台。这包括火焰和烟雾警报、门锁操作记录、人体感应数据以及电力参数等。数据上云后，可以通过Android手机APP和Windows电脑上的上位机软件进行远程查看。用户可以随时随地监控宿舍的安全状况，并进行远程控制，如远程开门等。云端数据存储还便于进行长期的数据分析和管理。

系统应配备1.44寸LCD显示屏，用于显示实时的环境监测数据和系统状态。显示屏应清晰易读，能够显示火焰检测状态、烟雾浓度、电力参数等关键信息。此外，显示屏还应显示基本的操作指南和当前设置状态，以方便用户理解和操作。

系统设计需充分考虑稳定性和安全性。硬件方面，应选用可靠耐用的组件，并确保电源稳定。软件方面，程序应具备良好的错误处理机制和数据加密功能，以保护用户隐私和系统安全。系统还应支持掉电恢复功能，确保在电力中断后能够恢复正常工作。

通过上述功能需求的实现，该宿舍安防控制系统将能够提供全面的安全防护，同时为用户提供便捷的远程控制体验。系统不仅提升了宿舍的安全性，还促进了能源的有效利用，体现了智能化管理的优势。

【2】系统总体方案设计

系统总体方案设计基于STM32微控制器和NBIoT通信技术，旨在创建一个高度集成、智能化的宿舍安防控制系统。该系统集成了火焰检测、烟雾检测、门磁控制、人体感应、电力监测与保护以及数据上云等多项功能，确保宿舍环境的安全性、便捷性和智能化管理。核心组件包括STM32F103RCT6微控制器、MQ2烟雾传感器、火焰检测传感器、红外热释电人体感应传感器、电力参数采集模块、蜂鸣器、NBIoT模块BC26、5V电磁锁、1.44寸LCD显示屏以及一个5V 2A的稳压电源。

系统架构分为三个主要部分：数据采集与处理、本地控制与显示、远程监控与管理。在数据采集与处理部分，STM32F103RCT6微控制器作为系统的大脑，负责接收来自各类传感器的数据，并进行初步处理。火焰检测传感器和烟雾传感器分别用于监测火焰和烟雾，一旦检测到异常，立即触发蜂鸣器报警，并通过NBIoT模块将警报信息上传至云端。电力参数采集模块通过串口与STM32通信，实时监测宿舍内的电压、电流、功率等参数，若超出预设的安全阈值，系统将自动切断电源并发出警报。此外，红外热释电人体感应传感器用于检测宿舍内是否有人存在，辅助判断安全状况并优化能源使用。

在本地控制与显示方面，系统通过1.44寸LCD显示屏实时显示各类传感器的监测数据及系统状态。用户可以通过本地按键控制门锁开启，同时，LCD显示屏还提供了系统操作指南和当前设置状态，增强了用户的交互体验。蜂鸣器作为报警装置，会在检测到异常情况时发出声音警报，确保及时引起注意。门锁采用5V电磁锁，支持本地按键、手机APP以及Windows上位机软件远程控制，确保了宿舍入口的安全性和便利性。

远程监控与管理部分是通过NBIoT模块BC26实现的。该模块利用NB-IoT网络将采集到的数据上传至华为云物联网平台，实现了数据的远程存储和管理。借助于华为云提供的服务，用户可以通过Android手机APP或Windows电脑上的上位机软件随时查看宿舍的实时状态，并执行远程控制命令，如远程开门等。数据上传至云端后，还支持数据分析和历史记录查询，为管理者提供了决策支持。

软件开发方面，STM32的固件采用C语言编写，利用Keil MDK开发环境进行编译和调试。固件代码实现了传感器数据采集、处理、报警逻辑以及与NBIoT模块的通信。手机APP和Windows上位机软件则基于Qt框架开发，使用C++语言编写，提供了直观的用户界面，支持数据查看、远程控制以及系统配置等功能。通过这些软件的支持，系统不仅能够实现基本的安全监测和控制功能，还能提供丰富的用户体验。

综上所述，本系统的总体设计方案综合了先进的传感器技术、微控制器处理能力、NBIoT通信技术以及云端服务，形成了一套完整且高效的宿舍安防解决方案。该方案不仅提高了宿舍的安全防护水平，还增强了用户的便捷性和舒适度，是现代智慧校园建设的重要组成部分。

【3】系统工作原理

系统的工作原理基于STM32微控制器为核心，结合多种传感器和执行器，通过NBIoT通信技术实现数据的远程传输和云端管理。整个系统的设计提供一个全面的宿舍安防解决方案，确保居住环境的安全性和便利性。

系统通过各类传感器对宿舍环境进行持续监测。火焰检测传感器和烟雾传感器（如MQ-2）分别用于检测火焰和烟雾的存在。这些传感器将环境中的物理变化转化为电信号，然后传递给STM32微控制器。一旦检测到火焰或烟雾浓度超过预设阈值，STM32会立即触发蜂鸣器发出警报，提醒宿舍内的人员注意潜在的火灾风险。同时，系统会通过NBIoT模块将警报信息发送到华为云物联网平台，以便远程监控和快速响应。

对于门磁控制，系统配备了5V电磁锁，支持多种开门方式。用户可以通过宿舍内的本地按键手动开启门锁，也可以通过手机APP或Windows电脑上的上位机软件发送远程开门指令。这些指令通过NBIoT模块传输到STM32，由微控制器解析后控制电磁锁的动作。每次门锁操作都会记录下来，并通过NBIoT模块上传至云端，便于后续的数据分析和安全审计。

人体感应功能由红外热释电传感器实现。该传感器能够检测宿舍内是否有人存在，并将信号发送给STM32。这不仅有助于判断宿舍内是否有未经授权的闯入者，还可以根据检测结果自动调整宿舍内的照明和其他电器设备的状态，以节省能源。人体感应数据同样会被记录并上传至云端，以供进一步分析和使用。

电力监测是系统的一项重要功能。通过电力参数采集模块，系统能够实时监测宿舍内的电压、电流和功率等参数。当这些参数超过预设的安全阈值时，系统会自动切断电源以防止电气故障，并通过蜂鸣器发出警报。电力监测数据也会通过LCD显示屏显示，并通过NBIoT模块上传至云端，便于远程监控和故障排查。

在数据处理和传输方面，STM32微控制器负责接收来自各个传感器的数据，进行初步处理，并通过NBIoT模块BC26将数据发送到华为云物联网平台。NBIoT技术以其低功耗和广覆盖的特点，非常适合于这类需要长时间在线监测的应用场景。数据上传至云端后，可以通过手机APP或Windows上位机软件进行远程查看和控制。用户可以随时随地监控宿舍的安全状况，并执行远程操作，如远程开门等。

系统还配备了一个1.44寸LCD显示屏，用于本地显示各种监测数据和系统状态。这使得用户可以直接在宿舍内查看关键信息，而不需要依赖远程设备。显示屏还可以显示系统的基本操作指南，方便用户理解和操作。

系统通过集成多种传感器、执行器和通信模块，实现了对宿舍环境的全面监测与控制。从火焰和烟雾检测到门磁控制，再到电力监测和人体感应，每一项功能都紧密配合，确保宿舍的安全和舒适。通过NBIoT技术与云端服务的结合，系统不仅实现了本地的即时响应，还提供了远程监控和控制的能力，为用户提供了一个全方位、智能化的宿舍安防解决方案。

1.3 系统框架图

1.4 系统功能总结

为了清晰地展示系统的主要功能，下面是一个系统功能总结的表格。这个表格列出了每个功能的描述、涉及的关键组件以及预期的效果。

功能总结

• • 火焰检测与烟雾检测：通过火焰检测传感器和MQ2烟雾传感器实时监测宿舍内的火焰和烟雾情况，一旦检测到异常，立即触发蜂鸣器报警，并通过NBIoT模块将警报信息上传至云端，确保及时响应火灾风险。

• • 门磁控制：结合5V电磁锁和STM32微控制器，支持本地按键开门、手机APP和Windows上位机远程开门，提高宿舍入口的安全性和便利性。

• • 人体感应：利用红外热释电传感器检测宿舍内是否有人存在，辅助判断宿舍状态，优化能源使用，并提高安全性。

• • 电力监测与保护：通过电力参数采集模块监测宿舍内的电压、电流和功率，当超过预设阈值时，系统自动切断电源并发出警报，确保用电安全。

• • 数据上云：通过NBIoT模块BC26将采集的数据上传至华为云物联网平台，实现远程监控和数据分析，便于管理者进行决策。

• • 本地数据显示：1.44寸LCD显示屏实时显示宿舍内的各种监测数据和系统状态，提供直观的信息展示。

• • 远程控制：通过手机APP和Windows上位机软件，用户可以远程查看宿舍状态并执行控制命令，如远程开门等，提高系统的灵活性和可用性。

1.5 系统原理图

1.6 实物图

1.7 模块的技术详情介绍

【1】NBIOT-BC26模块

NBIoT-BC26模块是由中国移动通信研究院和移远通信合作推出的一款NB-IoT（窄带物联网）通信模块，专为低功耗广域网（LPWAN）应用而设计。NB-IoT是物联网领域的一项重要通信技术，具有低功耗、低成本、大连接和广覆盖的特点，能够为各种智能终端提供稳定、高效的无线连接。BC26模块广泛应用于智能表计、智慧城市、资产追踪、环境监测和远程控制等领域。

BC26模块的尺寸小巧（大约为19.9mm × 23.6mm），功耗极低，非常适合空间有限、功耗敏感的物联网应用。模块支持电池供电，并具备深度睡眠模式，使其在无操作时的功耗极低，这在需要长时间工作和持续连接的应用中极为重要。BC26模块在设计上特别注重能效管理，其低功耗特性为长时间、低成本的物联网部署提供了可行性。

BC26模块支持NB-IoT标准的三种部署模式：独立部署、保护带部署和带内部署，使其能够适应不同网络环境。它支持多个频段，如B1、B3、B5、B8、B20等，能够满足不同地区和国家的通信需求。BC26模块提供高达几百kbps的下行速率，尽管比4G等高带宽网络慢得多，但对于大多数传感器数据、环境监测数据和状态上报等低数据量的物联网通信来说已经足够。

在网络连接上，BC26模块使用了NB-IoT技术特有的窄带无线频谱，使其具备极强的网络覆盖能力。与传统移动网络相比，NB-IoT模块能够在更深的楼宇或地下环境中保持稳定连接。这一特性对于智慧城市建设中广泛分布的智能设备至关重要，确保了物联网设备的可靠通信。

BC26模块支持标准的AT命令集，使得开发者能够通过简单的指令进行配置和操作，包括网络注册、连接管理、数据发送与接收等。使用AT命令，开发人员可以快速实现与云平台的通信、数据传输和远程管理。BC26模块还支持多种通信协议，如UDP和CoAP，可以通过这些协议实现高效的物联网数据传输。

为了满足物联网的安全需求，BC26模块支持多种加密和认证机制，如数据加密、SIM卡认证等。这些功能增强了通信过程中的安全性，确保数据在传输过程中不会被恶意截取或篡改。通过与云平台的连接，BC26模块能够将采集到的设备数据上传至云端，实现远程监控、数据分析和设备管理等功能，助力企业构建智能化的物联网应用。

BC26模块具备较强的抗干扰能力和稳定性，即使在复杂的无线环境下也能保持高效通信。它的接口类型包括UART、SPI和I2C等，方便与各种单片机、传感器和其他外围设备集成。BC26模块还支持多种电源管理模式，开发者可以根据应用需求设置不同的功耗模式，以优化能源使用。

NBIoT-BC26模块以其低功耗、高效能、广覆盖和易于开发的特点，为物联网应用提供了可靠的无线通信解决方案。它特别适用于大规模、分布广泛、低数据量传输的场景，成为智能终端和远程数据采集的重要通信模块之一。BC26模块的灵活性和可靠性为各类物联网项目的构建和部署提供了理想的支持。

【2】MQ2气体传感器

MQ2气体传感器是一种常见的气体检测设备，能够用于监测环境中的多种气体，包括可燃性气体和烟雾等。其工作原理基于金属氧化物半导体（MOS），当传感器暴露于特定气体环境中时，其电阻会发生变化，从而使传感器产生不同的电信号，进而被检测出来。以下是MQ2传感器的详细介绍：

MQ2传感器的主要特点是能够检测多种气体，如液化气（LPG）、丙烷、氢气、一氧化碳（CO）、酒精和烟雾。由于其灵敏度较高，尤其在检测烟雾和可燃性气体方面表现优异，因此被广泛应用于家庭安全系统、气体泄漏报警设备、工业监测和其他涉及气体检测的应用场景中。它在确保居家安全和工业生产安全方面扮演着重要角色。

MQ2传感器通常由一个加热元件和一个电阻传感元件组成。当传感器通电时，其内部加热元件会加热传感表面，这一过程有助于加速气体与传感层之间的反应速度。加热器会在传感器表面形成一个高温环境，从而提高检测气体的反应速度。传感元件的电阻在不同浓度的可燃气体或烟雾中会发生变化，通过测量该电阻的变化，可以得到环境中气体的浓度信息。

该传感器的输出为模拟信号，通常需要通过微控制器（如STM32）进行信号的采集和处理。为了将MQ2的模拟信号转化为数字信号，通常会配合ADC（模数转换器）模块。还可以使用合适的阈值设定来判断是否达到报警条件。大多数情况下，它需要一定的预热时间来达到稳定的工作状态（一般为20至30秒），以确保检测结果的准确性。

MQ2传感器的优点在于价格低廉、灵敏度较高、易于使用并且能够适应不同气体检测需求。它的工作电压通常为5V，并支持模拟和数字两种输出模式。需要注意的是，MQ2的输出信号会受到环境温湿度的影响，因此在某些特殊环境下需要进行校准或考虑其影响。同时，由于传感器对多种气体具有一定的反应，因此有可能出现干扰，需要针对特定场景做专门的气体选择性检测。

在使用时，MQ2气体传感器通常与负载电阻（Load Resistor）连接形成一个简单的电路。负载电阻的大小可以影响传感器的灵敏度和响应时间，因此需要根据应用需求进行合理选择。MQ2气体传感器适用于气体检测报警、电路保护、消防报警和家用安全等领域。

【3】火焰检测模块

火焰检测模块是一种基于红外或紫外光谱检测火焰的传感器装置，广泛用于火灾预警、工业安全、家居安防和自动化系统等领域。它通过感应火焰发出的光信号来实现火焰的检测和监控，可以快速识别火源并提供警报信号，从而有效降低火灾风险，保护生命和财产安全。

火焰检测模块通常依靠感应火焰所产生的特定波长的光线来进行检测。大多数火焰检测模块基于红外感应技术，能够探测到760纳米至1100纳米波长的红外光，部分高精度的模块也能够探测紫外光（185-260纳米范围）。由于火焰中含有炽热的燃烧气体，这些气体会在燃烧过程中发出特定波长的红外或紫外线，因此火焰检测模块可以通过识别这些光信号来判断火焰的存在。

火焰检测模块一般由光敏元件、滤光器和放大电路等组成。光敏元件可以是光电二极管、光敏晶体管或其他类型的红外传感器。当火焰光线被光敏元件接收时，会引起光电效应，从而产生电信号。经过滤波和放大处理后，这一信号被传递到微控制器（如STM32）或报警电路中，触发相应的动作，比如蜂鸣器报警或关闭电源。

火焰检测模块的输出通常为数字和模拟信号两种模式。数字信号输出通常以高低电平的形式表示是否检测到火焰。对于许多简单应用，数字信号足以实现火焰的快速识别。模拟信号输出则提供了更精确的测量值，可以反映火焰的强度和距离。通过对模拟信号的采集和处理，可以对火焰的状态和变化进行更深入的分析和判断。

火焰检测模块具有反应迅速、灵敏度高和抗干扰性强的特点，能够在短时间内检测到火焰的存在并发出警报。其检测距离和角度通常受光敏元件的灵敏度和透镜的设计影响，一般的检测角度为60°至120°，检测距离可达几米至十几米。用户可以通过调节模块上的灵敏度电位器来设定检测灵敏度，从而满足不同应用场景的需求。

在使用火焰检测模块时，环境光和反射物体可能会对检测结果产生影响。因此，在安装和应用时需要注意避免阳光直射或强光干扰。模块应对准可能的火源方向，以便获得最佳的检测效果。此外，为了提高火焰检测的可靠性，模块通常与其他传感器（如烟雾传感器、温度传感器）联合使用，形成多层次的火灾预警系统，以减少误报警的风险。

火焰检测模块被广泛用于工业设备监控、燃气灶具安全控制、火灾报警器等场合。它能够在火灾初期迅速响应，及时发出报警信号或采取控制措施，从而大大提高火灾防控能力，保护生命和财产安全。总的来说，火焰检测模块是一个重要的安防组件，为多种应用提供了可靠的火灾预警和安全保障功能。

【4】蜂鸣器模块

高低电平控制的有源蜂鸣器是一种集成了振荡电路和发声组件的电子器件，通过简单的电平控制即可产生声音提示，广泛用于报警系统、家电、智能设备以及工控系统等需要声音提示的场合。相比无源蜂鸣器，有源蜂鸣器不需要外部提供驱动频率信号，内部已包含振荡电路，因此只需提供电源和控制电平就能发声，使用更加方便。

有源蜂鸣器通常由电磁线圈、铁芯、磁铁、振荡器、以及振膜等组成。当给蜂鸣器供电时，内置振荡电路开始工作，产生一定频率的交变磁场，使振膜不断振动，从而发出连续的“嘀嘀”声。蜂鸣器的工作频率通常在2kHz至4kHz之间，这一频段的声音刺耳，便于在嘈杂环境中引起注意。

高低电平控制的有源蜂鸣器根据输入信号的不同可以分为高电平触发和低电平触发两种类型。高电平触发的蜂鸣器在输入信号为高电平时发声，而低电平触发的蜂鸣器则在输入信号为低电平时发声。此设计使得蜂鸣器能够灵活适应不同的控制电路要求，便于和各类控制器（如单片机、PLC）直接对接，通过简单的GPIO信号即可控制蜂鸣器发声或停止。

在电气特性方面，有源蜂鸣器的工作电压通常在3V到12V之间，常见的规格为5V和12V两种，用户可以根据应用场合选择适合的电压等级。有源蜂鸣器的功耗较低，工作电流通常在几十毫安左右，因此适合电池供电设备以及低功耗应用场景。蜂鸣器的封装形式有插件式和贴片式两种，插件式适合在PCB上直接安装，而贴片式则适合自动化设备生产，更加适合高密度电路板应用。

由于内置了振荡电路，有源蜂鸣器在使用中不需要考虑驱动频率的问题，只需控制电平即可实现发声与停止，因此开发简单，安装便捷。在实际应用中，若需实现不同的报警音效，可以通过脉冲信号控制发声的间歇频率，使蜂鸣器产生间歇报警声。此外，在电平驱动的电路中，有源蜂鸣器还可以与其他传感器、开关、按键等组件配合，构建智能化的声音提示系统，以提升设备的交互体验。

【5】人体感应传感器

热释电人体感应传感器，也称为PIR（Passive Infrared）传感器，是一种常用于检测人体活动的传感设备。它基于红外辐射感应原理，能够探测到人体发出的红外热辐射并产生信号输出，从而感知人体的存在或运动。PIR传感器广泛应用于自动门、安防报警系统、智能家居照明控制等领域，凭借其可靠性高、成本低和易于集成的特点，成为了主流的人体感应方案。

PIR传感器的核心组件是一个热释电元件，该元件能够对红外线的变化产生响应。人体通常会发出红外线，其波长在8到14微米范围内。当一个人进入传感器的检测范围时，会引起传感器探测区域内红外辐射的变化。传感器内的热释电元件在接收到红外信号后，会产生微弱的电压变化，通过放大电路将这种变化转化为可用的电信号。这一电信号可以用于控制后续电路，比如启动蜂鸣器报警或触发电路开关等。

为了提高检测精度和灵敏度，PIR传感器通常会配备菲涅尔透镜。菲涅尔透镜可以将红外线聚焦到传感器的热释电元件上，并分成多个“检测区域”，以便更精确地感知人体活动。这一设计使得传感器能够区分不同方向和距离的运动，从而更准确地触发感应。

热释电人体感应传感器通常有两种工作模式：触发模式和非触发模式。触发模式用于检测到运动后产生高低电平信号，并在延时后恢复初始状态。这种模式适用于自动门控制和智能灯控制等场景。而在非触发模式下，传感器检测到运动信号时，会保持高电平输出，适合需要长时间信号保持的应用。

PIR传感器具有高灵敏度和较低的功耗，这使其非常适合电池供电的设备。同时，由于PIR传感器本身是“被动”的，只需感知外界红外辐射，无需主动发射信号，因此具有抗干扰能力强和安全性好的特点。此外，PIR传感器的检测距离和范围通常可以通过调整其光学镜头和电路参数来设定，一般的检测距离为3-7米，覆盖角度约为120°至180°，具体参数可以根据应用需求进行配置。

需要注意的是，热释电人体感应传感器可能会受环境温度变化影响。在高温或低温环境下，其检测灵敏度可能会有所变化。此外，传感器也可能受到电磁干扰的影响，因此在设计和使用时需注意电磁屏蔽和环境适配，以提高系统的稳定性和可靠性。总体来说，PIR传感器以其简便的操作和广泛的适用性，在智能家居、安防系统和自动化控制等方面得到了广泛应用。

【6】电磁锁

电磁锁是一种利用电磁力进行控制的锁具，常用于门禁系统、安防系统以及其他需要电子控制的场景。它以可靠性高、响应快速、使用方便而著称，是现代智能控制设备中常见的组件。电磁锁的工作原理是通过电流产生的磁力来实现锁定和解锁，当电流通过电磁线圈时，线圈内会产生强磁场，使金属锁体吸附或释放，从而控制门的开关状态。

电磁锁的基本结构包括线圈、铁芯和锁体。通常情况下，当锁需要处于锁定状态时，通电后的线圈会产生强大的磁力，将锁舌牢牢吸附在锁体内，形成一个封闭的门锁结构。相反，当需要解锁时，切断电源，电磁力随之消失，锁体便会自动释放。由于其操作原理基于电磁效应，电磁锁通常需要稳定的直流电源供电，一般为12V或24V直流电。

电磁锁有多种类型，常见的有普通电磁锁、磁力锁、断电型和通电型。普通电磁锁常用于门禁控制系统，具有高强度的磁力吸附，能够有效防止非法闯入。磁力锁一般安装在门框顶部，通过磁力将门吸住，适用于轻型门的开关控制。断电型电磁锁在断电时解锁，这种设计适用于紧急出口或消防安全通道，确保在断电时门能够自动解锁，方便人员迅速疏散。而通电型电磁锁则相反，在通电时解锁，适用于某些特定的安防场景。

电磁锁的优势在于其耐用性和安全性。由于其内部没有机械活动部件，工作时没有磨损和卡滞，使用寿命长且维护成本较低。与传统机械锁相比，电磁锁的操作也更加安静和稳定，尤其适合对噪音敏感的环境。此外，电磁锁还可以与多种智能设备集成，支持远程控制、指纹识别、密码输入等多种解锁方式，使其广泛应用于现代建筑的安防系统中。

在使用电磁锁时，需要注意供电的稳定性，防止电源波动或中断可能导致的误动作。通常，电磁锁会配备断电保护机制或后备电源，以确保在电力中断的情况下依然能够保持安全性。另外，在实际应用中，电磁锁的安装位置和固定方式会影响其锁紧力。为了确保安全性，必须保证锁具与门体或门框紧密接触，并避免松动或错位。

电磁锁的应用范围涵盖了住宅小区、办公楼、商场、机场、医院等场所。由于其响应快速、锁定力强和易于与电子系统集成，电磁锁在智能门禁系统中占据重要位置，为提升场所的安全性和管理便捷性提供了可靠的解决方案。

【7】MQTT协议

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输协议）是一种轻量级、发布/订阅模式的消息传输协议，专为低带宽、不可靠网络环境设计。它最早由IBM提出，现已成为物联网（IoT）通信的重要协议之一。由于其高效、低功耗和实时性等特点，MQTT在智能家居、工业自动化、远程监控和车联网等领域得到了广泛应用。

MQTT的工作原理基于发布/订阅模型。这种模型有别于传统的客户端-服务器模型，通信方不需要直接建立连接。MQTT由三个核心组件构成：客户端、代理（Broker）和主题（Topic）。客户端可以作为消息的发布者或订阅者，消息通过代理进行路由。代理是一个中间服务端，用于接收和分发来自不同客户端的消息。发布者发送消息到一个特定的主题上，代理负责将这些消息分发给所有订阅了该主题的客户端。通过这种解耦的架构设计，客户端之间可以实现松耦合的通信，降低了复杂性和依赖性。

在MQTT协议中，消息被分为不同的主题（Topic），例如“home/sensor/temperature”可以用来代表温度传感器数据。客户端可以订阅这个主题，当发布者发送新的数据到该主题时，所有订阅该主题的客户端都会收到更新信息。这种灵活的主题结构和层次化的命名规则，使得MQTT在复杂场景下也能快速组织和管理消息流。

MQTT协议支持三种服务质量（QoS）等级，分别为“至多一次”（QoS 0）、“至少一次”（QoS 1）和“仅一次”（QoS 2）。QoS 0表示消息传输尽力而为，可能会丢失或重复；QoS 1确保消息至少送达一次，但可能会有重复；QoS 2则确保消息恰好传输一次，保证消息的严格可靠性。这种设计使MQTT能够适应不同的应用场景，用户可以根据应用需求选择合适的QoS级别。

为了保证通信的安全性，MQTT支持用户名和密码验证，代理可以对连接进行身份认证。此外，许多实现中还支持TLS/SSL加密通信，确保数据在传输过程中不会被窃取或篡改。用户也可以使用不同的认证方式来增强系统的安全性，适应物联网应用中对安全性的高需求。

MQTT非常注重轻量化和低功耗。它的报文头非常小，通信开销很低，这使其特别适合在资源受限的设备或不稳定的网络环境中使用。MQTT支持“保持连接”和“遗嘱消息”功能，客户端可以在连接断开时自动向代理发送遗嘱消息，通知其他客户端连接状态的变化。这种特性有助于提高网络的健壮性和系统的可用性。

MQTT的典型使用场景包括物联网设备数据采集、实时监控、消息推送和控制命令的发布。比如在智能家居中，传感器可以发布环境数据，如温湿度、烟雾浓度等，控制设备根据收到的消息作出响应，实现自动化操作。在工业场景中，MQTT可以帮助收集和管理大规模设备的运行状态，实现集中化和高效的设备监控。

总的来说，MQTT协议凭借其低功耗、高效能、实时性强等优势，已成为物联网通信的主要协议之一。它的发布/订阅模式简化了设备之间的通信，使其特别适合多对多、低延迟、高可靠性的数据传输场景。MQTT易于使用、拓展性强，为开发者提供了灵活的解决方案来构建各种物联网应用。

1.8 参考文献

1. 韩军,胡坤朋.基于STM32的宿舍防火防盗系统[J].电子技术与软件工程,2019. 
2. 苏世雄,刘洲洲,李川等.基于STM32的高校智能宿舍系统研究与设计[J].自动化与仪器仪表,2023. 
3. 李宇航,秦红星,史苗红等.基于STM32的宿舍智能防盗报警系统设计[J].物联网技术,2023. 
4. 麦家裕,吴家辉,伦文康.智能宿舍安全管理系统设计[J].网络安全技术与应用,2021. 
5. 广西民族师范学院.基于物联网技术智慧宿舍系统的设计[J].电子制作,2024. 
6. 史振江.基于stm32单片机的公寓安全控制系统设计与实现[J].石家庄铁路职业技术学院学报,2017. 
7. 陕西铁路工程职业技术学院.基于NB-IoT的校园宿舍智能锁控制系统设计[J].自动化与仪器仪表,2024. 
8. 陆丽娟,刘亚荣,谢晓兰.基于物联网技术的高校宿舍监控管理系统[J].科技和产业,2022. 
9. 沈阳城市建设学院信息与控制工程系.基于物联网的智能宿舍管理系统[J].电子技术与软件工程,2018. 
10. 赵娜,于克龙,王贵和等.基于Android和STM32的学生宿舍智能防盗锁[J].辽东学院学报(自然科学版),2021. 
11. 曲阜师范大学工学院.基于LabVIEW的网络数据管理系统的设计与实现[J].电子技术,2017. 
12. 尹德睿,题原,范高伦.智能高校寝室安全监控和学生管理系统[J].电工技术,2019. 
13. 马光伟,樊广晓,王玉虎等.宿舍用电监控系统设计[J].河南科技学院学报(自然科学版),2020. 
14. 王赜坤,桂玲.基于NB-IoT技术的智能安防监测系统[J].计算机技术与发展,2021. 
15. 王桂君,蒋蓁.基于STM32的室内安防监控系统设计[J].自动化仪表,2020. 
16. 张鹏,苗凤娟,田朋博等.基于stm32学生公寓消防安全监控管理系统V1.0.齐齐哈尔大学;,2021. 
17. 何龙,冉东阳,杨柳.宿舍灯光与预警智能控制系统设计[J].电子制作,2023. 
18. 李鹏霞,李宛睿.高校学生宿舍智慧化管理系统的设计与实现[J].长江信息通信,2023. 
19. 宋耀华,王梅霞.基于物联网技术的宿舍安防系统设计[J].机械与电子,2013. 
20. 任建明,卢宇,管立伟.室内环境无线监控系统的设计[J].信息通信,2017. 
21. 张强志,房楚杰,杨永华等.基于STM32的智能门控安防系统设计[J].嘉应学院学报,2022. 
22. 王欢.基于ZigBee网络的高校宿舍智能安防系统设计[J].襄阳职业技术学院学报,2021. 
23. 武汉理工大学自动化学院.基于NB-IOT的室内环境监测和报警系统[J].科技与创新,2021. 
24. 章魁,卫新华.远程智能安防与控制系统设计与实现[J].科技信息,2012. 
25. He Bai, Yun Gao et al. “Study on College Apartment Fire Monitoring System Based on GSM.” Applied Mechanics and Materials(2014). 
26. 王鹏,于润嘉,罗全珍.基于物联网的家庭智慧安防系统设计与实现[J].物联网技术,2020. 
27. Xiangjun Su, G. Guo et al. “Design and Implementation of Dormitory Disciplinary Monitoring and Management System.” Applied Mechanics and Materials(2014). 
28. Lele Niu, Zu‐Pei Ou et al. “Design of Indoor Intelligent Alarm System Based on STM32.” Proceedings of the 6th International Conference on Intelligent Information Processing(2021). 
29. Fengshan Huang, Shaozi Li et al. “Design on Intelligent Smoke Alarm System.” 2022 12th International Conference on Information Technology in Medicine and Education (ITME)v(2022). 
30. Biao Chen, Shihong Qin et al. “Design of Smart Home Control System Based on STM32.” 2021 4th International Conference on Robotics, Control and Automation Engineering (RCAE)(2021). 

二、硬件选型

2.1 STM32开发板+LCD显示屏