基于STM32的智能宿舍安全管理系统：集成电流监测、烟雾探测与无线通信技术，实现高效用电管理与安全监控（详细流程）

一、项目概述

随着校园生活的日益便利，宿舍用电管理成为了一个重要的课题。本项目旨在开发一个宿舍用电管理系统，通过STM32单片机实现对宿舍用电功率的监管，实时监测用电量，并计算费用。系统还具备远程控制功能，可以对每个宿舍的用电进行管理，包括开关控制、统一断电等。此外，系统集成了烟雾和火灾传感器，当监测到火灾时会自动断电并启动备用电源，确保宿舍的安全。

技术栈关键词

STM32单片机
电流传感器
无线通信模块
烟雾传感器
数据处理与计算
后台管理系统

二、系统架构

本项目的系统架构设计如下：

单片机：选择STM32系列单片机作为核心控制器，负责数据采集和控制逻辑。
电流传感器：用于实时监测宿舍的电流和功率。
无线通信模块：用于将数据传输到后台管理系统。
烟雾传感器：用于检测宿舍内的烟雾和火灾。
后台管理系统：用于数据处理、费用计算和远程控制。

系统架构图

三、环境搭建和注意事项

环境搭建

硬件环境：
- STM32开发板
- 电流传感器（如ACS712）
- 烟雾传感器（如MQ-2）
- 无线通信模块（如ESP8266）
软件环境：
- STM32CubeIDE：用于开发和调试STM32代码。
- 数据库（如MySQL）：用于存储用户数据和用电记录。
- 后台管理系统（可使用Flask/Django等框架）。

注意事项

确保电流传感器和烟雾传感器的连接正确。
在进行无线通信时，注意信号强度和干扰问题。
定期检查传感器的工作状态，确保系统的可靠性。

四、代码实现过程

1. 功能模块设计

本项目的功能模块主要包括以下几个部分：

电流监测模块：实时获取电流数据并计算功率。
数据传输模块：将数据通过无线模块发送到后台。
控制模块：实现对宿舍电源的控制。
安全监测模块：监测烟雾和火灾，自动断电。

2. 电流监测模块

2.1 硬件连接

电流传感器：使用ACS712电流传感器，连接到STM32的ADC引脚。
ADC引脚：假设连接到PA0引脚。

2.2 代码示例

#include "stm32f4xx_hal.h"

// ADC句柄
ADC_HandleTypeDef hadc1;

// 初始化ADC
void ADC_Init() {
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE(); // 使能ADC时钟
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B; // 12位分辨率
    hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE; // 单通道模式
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE; // 连续转换模式
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE; // 不使用不连续模式
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START; // 软件触发
    HAL_ADC_Init(&hadc1); // 初始化ADC
}

// 读取电流值
float readCurrent() {
    HAL_ADC_Start(&hadc1); // 启动ADC
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY); // 等待转换完成
    uint32_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 获取ADC值
    HAL_ADC_Stop(&hadc1); // 停止ADC

    // 转换为电流值（假设传感器的灵敏度为185 mV/A）
    float current = (adcValue * 3.3 / 4096) / 0.185; // 计算电流
    return current; // 返回电流值
}

// 计算功率
float calculatePower(float current) {
    // 假设电压为220V
    float voltage = 220.0;
    return voltage * current; // 功率 = 电压 * 电流
}

2.3 代码说明

ADC_Init：初始化ADC模块，配置分辨率、转换模式等参数。
readCurrent：启动ADC，读取电流传感器的值，并将其转换为电流（单位：A）。
calculatePower：根据电流值计算功率（单位：W），假设电压为220V。

3. 数据传输模块

3.1 硬件连接

ESP8266模块：用于无线数据传输，连接到STM32的UART引脚。

3.2 代码示例

#include "esp8266.h"

// 初始化ESP8266
void ESP8266_Init() {
    // 配置UART
    // 假设使用USART2
    __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE();
    // 配置USART2参数
    // 9600波特率，8位数据位，无校验位，1位停止位
    UART_HandleTypeDef huart2;
    huart2.Instance = USART2;
    huart2.Init.BaudRate = 9600;
    huart2.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart2.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart2.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart2.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    HAL_UART_Init(&huart2);
}

// 发送数据到后台
void sendData(float current, float power) {
    char data[100];
    sprintf(data, "{\"current\": %.2f, \"power\": %.2f}", current, power);
    
    // 通过ESP8266发送数据
    HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)data, strlen(data), HAL_MAX_DELAY);
}

3.3 代码说明

ESP8266_Init：初始化ESP8266模块，配置UART参数以进行通信。
sendData：将电流和功率数据格式化为JSON字符串，并通过ESP8266模块发送到后台管理系统。使用HAL_UART_Transmit函数将数据通过UART发送。

4. 控制模块

4.1 硬件连接

继电器模块：用于控制宿舍电源的开关，连接到STM32的GPIO引脚（假设连接到PB0引脚）。

4.2 代码示例

#include "gpio.h"

// 初始化GPIO
void GPIO_Init() {
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); // 使能GPIOB时钟
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    // 配置PB0为输出模式
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 不使用上拉或下拉
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 低速
    HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct); // 初始化GPIO
}

// 控制电源开关
void controlPower(int state) {
    if (state == 1) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET); // 开启电源
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET); // 关闭电源
    }
}

4.3 代码说明

GPIO_Init：初始化GPIO引脚，配置PB0为推挽输出模式，用于控制继电器。
controlPower：根据传入的状态参数（1为开启，0为关闭）控制电源的开关。通过HAL_GPIO_WritePin函数设置引脚状态。

5. 安全监测模块

5.1 硬件连接

烟雾传感器：使用MQ-2烟雾传感器，连接到STM32的模拟输入引脚（假设连接到PA1引脚）。

5.2 代码示例

#include "stm32f4xx_hal.h"

// 定义烟雾阈值
#define SMOKE_THRESHOLD 300 // 根据实际情况调整阈值

// 读取烟雾传感器值
int readSmokeSensor() {
    // 假设使用ADC读取烟雾传感器值
    HAL_ADC_Start(&hadc1); // 启动ADC
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY); // 等待转换完成
    uint32_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 获取ADC值
    HAL_ADC_Stop(&hadc1); // 停止ADC
    return adcValue; // 返回烟雾传感器值
}

// 检测烟雾
void checkSmoke() {
    int smokeValue = readSmokeSensor(); // 读取烟雾传感器值
    if (smokeValue > SMOKE_THRESHOLD) {
        controlPower(0); // 关闭电源
        activateAlarm(); // 启动报警
    }
}

// 启动报警
void activateAlarm() {
    // 这里可以添加蜂鸣器或LED报警的代码
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET); // 假设PA1连接蜂鸣器
    HAL_Delay(1000); // 蜂鸣器响1秒
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET); // 关闭蜂鸣器
}

5.3 代码说明

readSmokeSensor：读取烟雾传感器的值，使用ADC获取模拟信号并返回。
checkSmoke：检测烟雾传感器的值，如果超过设定阈值，则关闭电源并启动报警。
activateAlarm：启动报警，假设连接了蜂鸣器，通过控制GPIO引脚实现报警功能。

6. 主程序

在主程序中，我们将调用上述模块的初始化和功能函数，形成完整的控制逻辑。

6.1 代码示例

#include "stm32f4xx_hal.h"

// 主函数
int main(void) {
    HAL_Init(); // 初始化HAL库
    ADC_Init();
    GPIO_Init(); // 初始化GPIO
    ESP8266_Init(); // 初始化ESP8266

    // 主循环
    while (1) {
        // 读取电流值
        float current = readCurrent();
        // 计算功率
        float power = calculatePower(current);
        // 发送数据到后台
        sendData(current, power);
        
        // 检测烟雾
        checkSmoke();

        // 延时1秒
        HAL_Delay(1000);
    }
}