前言

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https://blog.csdn.net/xiaolong1126626497/article/details/142869083

下面是资料包包含的内容：

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